学习钢的淬火与回火过程

钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。但淬火后钢内部的残余应力较大，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火是不可分割的、紧密联系在一起的两种热处理工艺。

3.4.1 淬 火

淬火

淬火是将钢加热至临界点Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上一定温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷却速度得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。其主要目的是获得尽量多的马氏体组织，再配以不同温度的回火工艺，继而获得各种需要的性能。例如，结构钢通过淬火加高温回火可得到强韧结合的优良综合力学性能；弹簧钢通过淬火加中温回火可显著提高钢的弹性极限；淬火加低温回火可提高工具、轴承、渗碳零件或其他高强度耐磨件的硬度和耐磨性。

1.淬火加热温度

淬火加热温度的选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，目的是淬火完成后得到细小的马氏体组织。亚共析钢淬火时，通常加热至Ac3以上30～50 °C，共析钢、过共析钢通常加热至Ac1以上30～50 °C。

2.淬火介质

淬火时，将钢从奥氏体状态冷却至Ms点以下所用的冷却介质叫作淬火介质。介质的冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火速度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深，但冷却速度过快，会导致淬火内应力增大，容易引起工件的变形和开裂。因此，理想淬火介质的冷却能力应当如图3-21所示。

图3-21　钢的理想淬火冷却速度

常用的淬火介质有水、盐水、碱水溶液及各种矿物质油等。水的冷却能力很大，但冷却特性不好，很容易造成淬火工件的变形或开裂；油的冷却特性较好，但在高温区间，其冷却能力较低。因此，寻找冷却能力介于油水之间，冷却特性近于理想淬火介质的新型淬火介质是人们努力的目标。目前，各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。

3.淬火方法

选择适当的淬火方法，可以保证在获得所需要的淬火组织和性能条件下，尽量减少淬火应力、减少工件变形和开裂倾向。常用的淬火方法如下：

（1）单液淬火法

单液淬火法是将加热至奥氏体状态的工件放入某种淬火介质中，连续冷却至介质温度的淬火方法（图3-22曲线1）。其优点是操作简便，易实现机械化和自动化，缺点是单一的淬火介质冷却特性较差，只适用于小尺寸且形状简单的工件，对于尺寸较大的工件，单液淬火容易导致工件变形和开裂。

图3-22　各种淬火方法冷却曲线示意图

（2）双液淬火法

双液淬火法是将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变（图3-22曲线2）。一般用水作为快冷淬火介质，用油作为慢冷淬火介质。这种淬火方法充分利用了水在高温区冷却速度快和油在低温区冷却速度慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的冷却速度，减少组织应力，从而防止工件变形和开裂。

（3）分级淬火法(https://www.xing528.com)

分级淬火法是将加热至奥氏体状态的工件首先淬入温度略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴中保温，当工件内外温度均匀后，再在空气中冷却至室温，完成马氏体转变（图3-22曲线3）。分级淬火可以有效减小淬火内应力，防止工件变形和开裂，适用于尺寸较小且形状复杂的工件。

（4）等温淬火

等温淬火法是将加热至奥氏体状态的工件快速冷却到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体全部转变为贝氏体，然后空冷至室温的淬火方法（图3-22曲线4）。等温淬火后的组织是下贝氏体，其强度、硬度较高而且韧性良好。因此，等温淬火可以显著提高钢的综合力学性能。

4.钢的淬透性与淬硬性

淬火的目的是获得马氏体组织，工件在某种介质中淬火能否全部得到马氏体组织，取决于钢的淬透性。淬透性是评价钢淬火质量的一个重要参数，它是钢材选用及热处理工艺制定的重要依据之一。

淬透性是指奥氏体化的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷却速度高于钢的临界淬火速度，工件就会淬透。然而工件淬火时，表面冷却速度最大，心部冷却速度最小，由表面至心部冷却速度逐渐降低（见图3-23），只有冷却速度大于临界淬火速度的工件外层部分才能得到马氏体（图3-23中阴影部分），这就是工件的淬透层，而冷却速度小于临界淬火速度的心部只能获得非马氏体组织，这就是工件的未淬透区。

图3-23　工件淬透层与冷却速度的关系示意图

淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越高。淬透性和淬硬性无直接的联系，淬透性好的钢不一定淬硬性就高。

3.4.2 回 火

回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保持一定时间，然后以适当方式冷却至室温的热处理工艺。回火的主要目的是减少或消除淬火内应力，获得所需的组织，改善力学性能。

决定工件回火后组织和性能的最重要因素是回火温度，根据工件组织和性能要求，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火等几种。

1.低温回火

低温回火温度为150～250 °C，得到的组织主要为回火马氏体。与淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好的耐磨性，又适当提高了韧性。因此，低温回火特别适用于各种切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承等工件。

2.中温回火

中温回火温度为350～500 °C，得到的组织主要为回火托氏体，经中温回火后，工件的淬火内应力基本消失。因此，钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。因此，中温回火主要用于各种弹簧和模具的热处理。

3.高温回火

高温回火温度为500～650 °C，得到的组织主要为回火索氏体。习惯上将淬火与高温回火相结合的热处理方法称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合力学性能。因此，调质处理主要用于各种重要零件的热处理，如汽车、拖拉机、机床中的连杆、螺栓、齿轮及轴类零件。

调质处理