1、第二章 淬火与回火 1 第二章 钢的淬火及回火 重点： 1、 了解 淬火及回火的目的、作用； 2、 了解 常用淬火介质 的特点 ； 3、 掌握 淬火及回火的常用工艺方法。 意义： 淬火如与不同温度的回火相结合， 工件 可得到不同的强度、塑性和韧性的配合，得到不同的应用。 2-1 淬火概念、目的及淬火的必要条件 概念 ：将钢加热至临界点 Ac1 或 Ac3 以上某一温度，保温以后以大于临界冷却速度（ Vk）冷却，以得到介稳定状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 主要目的 ： 1、 提高硬度、强度及耐磨性：工具、渗碳件、轴承及耐磨件 等； 2、 获得良好的综合机械性能：结构钢件。 如机床上的轴
2、、齿轮，柴油机上的连杆、螺栓等； 3、 改善钢的特殊性能：如不锈钢要求提高抗蚀性能；耐热钢希望提高高温强度；抗磨钢希望提高抗磨损能力；磁钢要求提高磁性等。 必要条件： 1.加热温度：必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织； 亚共析钢的淬火温度一般为 Ac3以上 30 50，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果温度过高，会因为奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，使钢的力学性能恶化，特别是使塑性和韧性降低；如果淬火温度低于 Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体， 使钢的强度硬度下降。图 2-1 是碳钢的淬火温度范围。 2、 冷却速度：必须大于临界冷却速度； 3、 淬火后的组织：非平衡组织： 大部分碳
3、钢、合金钢得到 M、 B 下 ； 不锈钢、耐热钢、耐磨钢得到 A（ 固溶处理 ） 。 2-2 淬火介质 （冷却介质、淬火剂、冷却剂） 概念： 为实现淬火目的所用的冷却介质。 一 、对淬火冷却介质的要求 必须有足够的冷却速度，其冷却能力即要保证工件的冷却速度不小于临界冷却速度，但同时冷却能力又不过大而导致工件变形及开裂。 理想淬火介质 ： 理想淬火介质要求如表 2-1，理想淬火介质冷却曲线如图 2-2。 . 表 2-1 理想淬火介质要求 温度区（ ） 对冷却速度要求 从相变角度要求 从减少应力、变形、开裂角度要求 650 650 400 静止水 ,增加水的搅拌 (流动 ),使蒸汽膜的稳定性 ,
4、高温 冷却能力 。 2.碱或盐的水溶液 水中溶入盐、碱可减少蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特 性温度提高，冷却能力大大提高。 例如： 10%食盐水及 20 、 50%碱水几乎没有蒸汽膜阶段，在 650400 的高温转变区冷速很大。 优点： 1）可获得高而均匀的硬度，防止软点产生； 2）对淬透性 差的钢可获得较大的硬化层； 3）碱（ NaOH）水能和已氧化的工件表面发生反应，呈银白色，外观美观。 缺点： 1）盐水对工件有腐蚀作用，淬火后必须清洗； 2）碱水对人的皮肤有刺激作用，有刺激性气味，对工件和设备有腐蚀，所以不能广泛使用。 3.油 动植物油、矿物油 动植物油 是最早采用的冷却介质，虽然
5、冷却能力较水差，但因其在马氏体转变区冷速较慢，所以较为理想。但其来源困难，价格高，且易变质（树脂化、浓缩等）使应用受限。 矿物油 从天然石油中提炼，如锭子油、机油等。 是具有物态变化的淬火介质。 特点： 1）沸点较高，且有一定温度范围（ 250400 ），比水高 150350 ， 使油对流 传热阶段开始温度比较高，对流阶段范围较宽，而此范围 在钢的 M 转变区 ； 2）特性温度（ 500 以上）比水（ 300 左右）高。即油的冷却速度 在 500350 最快 ； 3）但油的高温区域的冷却能力较低。 但由于它的 沸 点较高，与水比较其特性温度较高。 油 与水的冷却特性比较，油的特性温度较水高，在
6、 500350左右处于沸腾阶段，其下就处于对流阶段。这种冷却特性是比较理 想的。对一般钢来说，正好在其过冷奥氏体最不稳定区有最快的冷却速度， 如此可以获a）静止水 b）循环水 图 2-6 水的 冷却特性 第二章 淬火与回火 5 得最大的淬 硬 层深度，而在 马 氏体转变区有最小的冷却速度，可以使组织应力减至最小，防止淬火裂缝的发生。水虽然在高温区仍有比油高的冷却速度，但其最大冷 却速 度正好在一般钢的马氏体转变温度范围，因此很不理想。 油的冷却能力及其使用温度他围主 要取决于 油的粘度及闪点。 * 油的粘度： 油的温度提高，粘度减少，流动性提高，冷却能力提高； * 工件表面与油的温差：而油温提
7、高，工件与油的温差减小，冷却能力降低。 闪点 油品在一定条件下加热 ， 油品表面上的油蒸汽和周围空气组成一种爆炸性混合气 ， 当火焰接近时 ， 发生闪 火或爆炸的温度叫闪点 。 常用的淬火油有： L-AN15、 L-AN32、 L-AN46、 L-AN68（ 10 号、 20 号、 30 号、 40 号机油）。号越大，粘度越大 ，闪点越高 。其闪点分别是 165、 170、 180、 190。 油温一般应保持在闪点以下 100左右，以免着火。 油 的老化 ： 淬火油经长期使用后，其粘度和闪点升高，产生油渣，油的冷却能力下降。这种现象称为油的老化。这是因为矿物油在灼热的工件作用下，与空气中的氧或
8、工件带入的氧化物发生作用，以及通过聚合、凝聚和异构化作用产生油不能溶解的产物所致。此外，在操作中油内水 分增加也会促进油的老化。为了防止油的老化，应控制油温，并防止油温局部过热，避免水分带入油中，经常清除油渣等。 4.其他新型淬火介质 水的冷却能力很大，但冷却特性很不理想，而油的冷却特性虽比较理想，但其冷却能力又较低。因而寻找冷却能力介于水油之间，而冷却特性又比较理想的淬火介质，是目前研究淬火介质的中心问题。水是来源丰富、价格低廉、性能稳 定的 淬 火介质。如果水中加入 一些可改 变其冷却能力的物质，并能满足使用要求，则是一种理想的 淬 火介质。 如果在水中加入不溶于水而构成混合物的物质，如构
9、成悬浮 液 (固态物质 )成乳化物 (末溶液滴 )；或在水中含有气体，均将增加 蒸 汽膜核心，提高蒸汽膜的稳定性，降低特性温度，从而使冷却能力降低。但是如果对液体 再 施以一定程度的搅动，则可控制各阶段的温度范围及冷却速度。 有机物质的水溶液及乳化液 这类淬火介质是将有机聚合物溶解于水中，并根据需要调整溶液的浓度和温度，配制成冷却性能能满足要求的水溶液，它在高温阶段冷却速度接近于水，在低温阶段冷却速度接近于油。 优点： 无毒，无烟无臭，无腐蚀，不燃烧，抗老化，使用安全可靠，且冷却性能好，冷却速度可以调节，适用范围广，工件淬硬均匀，可明显减少变形和开裂倾 向，因此，能提高工件的质量，改善工作环境
10、和劳动条件，给工厂带来节能、环保、技术和经济效益。 应用： 目前有机聚合物淬火剂更在大批量、单一品种的热处理上用得较多，尤其对于水淬开裂，变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂比淬火油更经济、高效、节能。从提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾和节能得角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向。 影响因素： 浓度 浓度越高，冷却速度越慢； 使用温度 使用温度越高，冷却速度越慢； 搅拌程度 搅拌程度越激烈，冷却速度越快。 一般来说，夏 季使用的浓度可低些，冬季使用的浓度可高些，而且要有充分的搅拌。有机聚合物淬火剂大多制成含水的溶液，在使用时可根据工件的特点和技
11、术要求，加水稀释成不同的浓度，便可以得到具有多种淬火烈度的淬火液，以适应不同的淬火需要。 例如： 聚乙烯醇 水溶液 在水中加入 聚乙烯醇 ，不仅增加了粘度，且在冷却过程中在工件表面形成一层粘的塑性膜 。 这层塑性薄膜在冷却过程中的蒸汽膜阶段出现，使蒸汽膜冷却阶段的冷速进一步降低，同时大大降低对流冷却阶段的冷速。溶液中 聚乙烯醇 含量越多，溶液粘度越大，越接近油。 第二章 淬火与回火 6 水玻璃淬火剂 是指 用水稀释成不同浓度的的水玻璃（ Na2SiO3）溶液。水玻璃水溶液中加入盐和碱后，蒸汽膜不稳定而使蒸汽膜阶段缩短，冷却速度加快； 但由于水玻璃的作用又较盐（碱）水为小，因此沸腾阶段冷却能力较
12、水差，比油强。 在低温，由于表面覆盖一层水玻璃膜，故冷却较慢。调节成分可使之具有不同的冷却速度，水玻璃含量低时冷却快，否则慢。 例如， “351”淬火剂的配比（质量分数）为 79%的水玻璃、 1114%的 NaCl、 1114%的Na2CO3、 0.5%的 NaOH，其余为水。其使用温度为 3065 ，冷却速度介于油与水之间。 氯 化锌 碱水溶液 这种淬火剂的成分 （质量分数） 为： 49%的 ZnCl2+49%的 NaOH+2%肥皂粉，再加 300倍水稀释。使用时要搅拌均匀， 使用温度为 2060 . 其特点是：中温区冷速比水快，低温区冷速比水慢，冷却后工件变形小，表面光亮，适用于中小尺寸、
13、形状复杂的中高碳钢制工模具的喷射淬火。 2-3 钢的淬透性 淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 一、 淬透性的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火 时获得马氏体的难易程度，或获得淬硬 层（ 也称为淬透层）深度的能力 是钢的固有属性。他取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，即钢的过冷奥氏体的稳定性。 淬透性 与冷却速度、工件尺寸等外部因素无关。 其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。 淬硬性：钢淬火时的硬化能力，即钢淬火为马氏体所能达到的硬度，他主要取决于含碳量，而与合金元素关系不大。 二、 影响淬透性的因素 影响淬透性的主要因素是化学成分，除
14、Co 以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。 1.含碳量 ： 亚共析 钢 含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，曲线右移，淬透性提高 ； 过共析钢 随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降 低 (未溶渗碳体促进奥氏体分解 ) 2.合金元素 ： 除 Co 外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可 能会发生改变，使淬透性提高 ； 3.加热温度和保温时间 随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分， 奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的 稳定性，使曲线右移，提高了钢
15、的淬透性 ； 4.钢中未溶第二相 未溶 第二相越多，作为结晶核心，使 A 体不稳定， C 曲线左移， 淬透性下降 。 5.原始组织：原始组织中珠光体的类型（片、粒）及弥散度不同，奥氏体化时影响奥氏 体的均匀性，从而影响淬透性。碳化物越细小，溶入奥氏体越迅速，越有 利于提高钢的淬透性。 三、 淬透性的 意义 淬透性高的钢 整个截面都可淬透，组织均匀、性能均匀。而低淬透性的钢，未被淬透的心部保留淬火前的组织，力学性能低，特别是冲击韧性。 第二章 淬火与回火 7 四、 淬透性的测定及其表示方法 淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的是“末端淬火法”，简称端淬试验。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化
16、温度，停留 30 40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。图 2-7a 是末端淬火试验法示意图。 五、 淬透性评定标准与方法 1.评定标准： 通常用标准试样，在一定条件下冷却所得淬硬层 的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。 为评定方便，通常采用从淬火工件表面至半马氏体区（ 50%M）的距离作为淬硬层的深度。 2.评定方法： 目前国际上好我国常采用 U 曲线法、临界直径法和末端淬火法。 U 曲线法 用 L=46D 的一组直径不同的圆棒试样，按规定条件 淬火，然后从中间截断，磨平后沿中心十字线测硬度，将测定结果绘成硬度分布曲线，如图 2-8。淬透性大小可用淬透层深度 h 或用未淬透心部的直
17、径 DH与试样直径 D 的比值 DH/D 表示。 临界直径法 临界直径 D0（达到半马氏体区硬度） 。钢种及淬火介质不同， Do 不同。 一组由被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定淬火条件 (加热温度，冷却介质 )进行淬火，然后在中间部位垂直于轴线截断，径磨光，制成粗晶试样后，沿着直径方向测定自表面至心部的硬度分布曲线。图 2-9 为 45钢不同直径试样在强烈搅动的水中淬火的断面硬度曲线。若其磨面用 硝酸酒精溶液经腐蚀，发现随着试样直径增加心部出现暗色易腐蚀区，表面为亮圈，且随着直径的继续增大暗区越来越大，亮圈越来越小。图 2-9 为其示意图。若与硬度分布曲线对应地观察，则该二区的分界线正好是硬
18、度变化最大部位；若观察金相组织，则正好是 50马氏体和非马氏体的混合组织区，越向外靠近表面，马氏体越多，向里则马氏体急剧减少。分界图 2-7 端淬试验与淬透性曲线 图 2-8 U 曲线法示意图 图 2-9 45 钢不同直径试棒在强烈搅动水中 淬火的断面硬度曲线 第二章 淬火与回火 8 线上的硬度代表马氏体区的硬度，格罗斯曼称此硬度称为临界硬度或半马氏体硬度。 如果把上述分界线看作淬硬层的分界线，亮区就是淬硬层，暗区就是未淬硬层，把末出现暗区的最大试样直径称为淬火临界直 径，则其含义为该种钢在该种淬火介质中能够完全淬透的最大直径。 显然，在给定淬火条件下，淬火临界直径越大，即能完全淬透的试样的直
19、径越大，因而钢的淬透性越好。因此，可用淬透直径的大小来比较钢的淬透性的高低。图 2-10 为 0.45%C 碳钢与另一含碳量相同、但加入了 0.70 Cr(A)的两种钢的不同直径试样心部硬度的变化及不同直径末淬硬部分心部立径 DU 的变化。由此可见，由于A 钢中加入 0.70 Cr，使临界直径 DK 增大，淬透性增高。 但是上述临界直径 DK 是在一定淬火条件 (其中包括淬火介质的冷却能力 )下测得的。因此，要用 临界直径法来表示钢的淬透性，必须标明淬火介质的冷却能力或淬火烈度。 为了除去临界直径值中所包含的淬火 烈度的因素，用单一的数值来表征钢的淬透性，引入了理想临界直径的慨念。所谓理想临界
20、直径就是在淬火烈度为无限大 (H=)的假想的淬火介质中淬火时的临界直径。如此，理想临界直径的大小可直接表征钢的淬透件的高低。 如上所述，利用理想临界直径可以很方便地将兆种淬火条件下的临界直径，换算成任何淬火条件下的临界定径。图 2-11 为理想临界直径 Di，实际临界直径 D 与淬火烈度 H 关系图。利用该图即可完成上述任务。 例如， 已知某种钢的理想临界定径 Di=50mm，如换算成在油淬（淬火烈度 H=0.4）时的临界直径 Do，可从 H=0.4 时所对应的坐标上查出 Do=20mm。 图 2-11 临界直径与理想临界直径的关系 图 2-10 0.45%C 钢 (B)和 0.45%C0.70%Cr 钢（ A）截面心部硬度，未淬硬心部直 径 Du 与试棒直径 D 的关系
