钢的热处理及表面热处理

淬火是热处理中应用最广的工艺之一。 一、淬火的目的

定义：将钢件加热到 AC3或AC1 临界温度以上，保温一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。

目的：获得马氏体和（或）贝氏体组织，提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。

从工艺的角度出发，淬火温度和淬火介质的选择是影响淬火效果的重要因素，而这些都取决于钢和合金的性质。 二、淬火加热温度的确定

1．碳钢加热温度的确定

碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe 3 C相图确定，其目的是淬火后得到高硬度的细小马氏体。（图示）

亚共析钢：Ac3+30～50℃；完全A化，获得细小A晶粒，淬火后可得细小M组织，无F相，强度硬度较高。

共 析 钢：Ac1+30～50℃。得到细小M。

过共析钢：Ac1+30～50℃。原因：保留一定量的 Fe3C，HRC↑，耐磨性↑；同时，A中C%↓，获得的M中C%↓M过饱和度↓，从而使M脆性↓，Ar％↓；若淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，同时，淬火应力↑→变形，开裂↑。

所以，过共析钢在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒A和细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后组织为片状M基体上均匀分布着细小的碳化物和极少量Ar，这种组织具有高的强度硬度，耐磨性好，脆性相对较小。

2．合金钢加热温度的确定

对于合金钢的淬火温度，可根据其临界温度及所含合金元素的性质，参照上述原则确定。一般是：Ac1 或Ac3＋50～100℃。 三、淬火介质

理想淬火介质：6500C以上，慢，减小热应力；650-4000C，快，避免与C曲线相交；4000C以下，慢，减小淬火应力，防止变形和开裂。

常用淬火介质有：水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。 新型淬火剂： 有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

水 盐水或碱水 机油 盐浴或碱浴

冷却能力 强 更强 较弱 介于水油之间 变形开裂倾向 大 更大 较小 小

适用范围 小而简单 碳钢及低 合金钢淬火 小而复杂、变形要

的碳钢件 合金结构钢 求小的重要零件

四、淬火方法

淬火方法的分类是以冷却方式的不同划分的，常用的淬火工艺方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。（每种方法要有举例）

1．单介质淬火

将加热奥氏体化后的钢件放入单一淬火介质中，连续冷却到室温的操作方法。碳钢的水中淬火，合金钢的油中淬火都是单介质淬火法。特点：操作简单，易于实现自动控制，但水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。只适用于形状简单、尺寸较小碳钢和合金钢工件。

2．双介质淬火

用两种冷却介质。先浸入一种冷却能力强的介质中，待冷却到接近Ms点时立即转入下一种冷却能力弱的介质中的操作方法。如先水后油、先水后空气等。特点：在马氏体转变区冷速减慢，可减小应力，减少变形、开裂倾向，但不好掌握。适用于中等尺寸、形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。

3．马氏体分级淬火

将加热奥氏体化的钢件，先浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质中，等温保持适当时间，然后取出空冷到室温，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。

淬火介质：燃点较高的油、盐浴和碱浴。

等温目的：使工件表面和心部温度均匀。等温过程中不发生组织转变，马氏体中空冷条件下进行。

淬火后组织：马氏体。

特点：工件温度均匀，组织转变缓慢，减小应力，变形开裂倾向显著降低。 应用：适用于变形要求严格且尺寸不大的工件。

4．下贝氏体等温淬火

将奥氏体化后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中，等温保持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺，也叫等温淬火。

淬火介质：盐浴或碱浴。

等温目的：得到综合性能良好的下贝氏体组织。等温时间由钢的TTT曲线确定，一般为30～60min，较分级淬火时间要长，等温过程中过冷A向下贝氏体组织转变。

淬火后组织：下贝氏体。

特点：减小淬火应力，防止变形和开裂，零件综合力学性能好。

应用：主要适于形状复杂、截面不大、要求精度高并具有良好强韧性的零件。 另外，还有采用复合淬火工艺的。工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使截面较大的工件获得（M+B下）组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变，在等温时又使马氏体回火。复合淬火多用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。

5．冷处理

马氏体的转变特点是转变不彻底，总是存在残余奥氏体。为了减少组织中残余奥氏体量，生产中常采用冷处理的方法。

工艺过程：把淬火后的钢件冷却到室温以下某一温度，并停留一定时间，使残余奥氏体充分转变成马氏体。

冷却介质：常用的是干冰和液氮。

目的：（1）减少残余奥氏体量，稳定尺寸；（2）提高硬度和耐磨性。

应用：主要用于要求高硬度高耐磨及要求精密度高的零件，如精密轴承、精密模具、量具等。

第五节 钢的淬透性和淬硬性

一、淬透性和淬硬性的概念

钢在淬火时获得马氏体的能力。淬透性是钢本身固有的一种属性，与工件大小及冷却介质的类型无关，取决于Vk。

淬硬性指钢钢在淬火后获得最高硬度的能力，取决于M中C%，C%↑→淬硬性↑。

淬透性好的钢，淬硬性不一定好，即淬火易得到马氏体组织，但硬度不一定高；反之亦然。如：低碳合金钢的淬透性好，但硬度不高；而碳素工具钢的淬透性较差，但淬硬性较高，即淬火后的硬度高。

二、影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于Vk，而Vk取决于C曲线的位置。C曲线越靠右，Vk越小，意味着越容易得到马氏体。主要影响因素：

1．含碳量

亚共析钢， C%↑，C曲线右移，Vk↓，淬硬性↑； 过共析钢，C%↑，C曲线左移，Vk↑，淬硬性↓； 共析钢的C曲线最靠右，Vk最小，淬透性最好。 2．合金元素。除Co元素外，其它溶入A中的 Me使C曲线右移，Vk↓，淬透性↑。

3．奥氏体化条件

主要是加热温度和保温时间。

三、淬透性的测定方法

常用临界淬火直径法和端淬试验法。 1．临界淬火直径法

指钢棒在规定介质中冷却时，心部获得50％马氏体时的最大直径，用Dc表示。其中，50％马氏体转变量是为了便于测量而人为选定的，可通过金相检验和硬度测量确定。

生产中常用钢的临界淬火直径表示淬透性的大小。钢的临界淬火直径可通过查阅合金钢手册获得。如表！，Dc值越大，淬透性越好。

2．端淬试验法

用φ25×100mm的标准试样，经加热奥氏体化后对末端喷水冷却。冷却后，将试样沿轴线方向在相对180°的两边各磨去0.2～0.5mm深度，再从试样末端起每隔1.5mm测量一次硬度值HRC，即可得到沿试样轴向的硬度分布曲线，称作钢的淬透性曲线。试样上距末端越远，冷却速度越小，其硬度也随之下降。淬透性高的，硬度下降趋势较缓慢；淬透性低的，硬度急剧下降。如40Cr比45钢的淬透性好。由于钢的化学成分允许在一个范围内波动，所以在手册中给出的各种钢的淬透性曲线不是一条线，而是一个范围。