钢的淬火及其影响因素

将工件加热奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。淬火是强化钢材的重要手段，通常需与回火配合使用以满足各类零件或工具的使用性能要求。

1.淬火工艺

（1）淬火加热参数的确定 淬火加热温度的选择应以Fe-Fe₃C相图中钢的临界温度作为主要依据。亚共析钢的淬火加热温度应选择在Ac₃以上30～50℃，在该温度下能得到细晶粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体组织，从而获得较好的力学性能，如45钢采用830～850℃淬火加热温度；共析钢、过共析钢的淬火加热温度应选择在Ac₁以上30～50℃，在该温度加热可获得细小的奥氏体和碳化物，淬火后获得在马氏体基体上均匀分布着细小渗碳体的组织，不仅耐磨性好，而且脆性也小，如T8钢采用760～780℃淬火加热温度。图4-12所示为碳素钢的淬火加热温度范围。

图4-12 碳素钢的淬火加热温度范围

淬火加热速度和淬火加热保温时间也是淬火加热的两个重要参数。对形状复杂、要求变形小或用高合金钢制成的工件、大型合金钢锻件，必须限制加热速度，以减少淬火变形及开裂倾向，而形状简单的碳素钢、低合金钢，则可快速加热。加热保温时间主要取决于材料本身的导热性、工件的外形尺寸、奥氏体化时间，同时还要注意碳化物、合金元素溶解的难易程度以及钢的过热倾向，如某些钢为缩短高温加热时间及减小内应力而进行分段预热。

（2）淬火冷却介质 淬火冷却介质是在淬火工艺中所采用的冷却介质。淬火冷却介质的冷却能力只有保证工件以大于临界冷却速度的冷却速度冷却才能获得马氏体，但过高的冷却速度又会增加工件截面温差，使热应力与组织应力增大，容易造成工件淬火冷却变形和开裂。所以，淬火冷却介质的选择是个重要的问题。

钢的理想淬火冷却速度如图4-13所示。由图4-13可见，理想淬火冷却速度是：在过冷奥氏体分解最快的温度范围内（等温转变曲线鼻尖处）具有较大的冷却速度，以保证过冷奥氏体不分解为珠光体；在接近马氏体点时具有缓和的冷却速度，不致形成太大的淬火应力。由于各种钢的过冷奥氏体的稳定性不高，以及实际工件外形尺寸的差异，因此同时能适合各种钢材不同尺寸工件的淬火冷却介质是不现实的。

图4-13 钢的理想淬火冷却速度

淬火冷却介质的种类很多，常用的有水、盐水、油、熔盐、空气等。各种淬火冷却介质的冷却能力用淬火烈度（H值）表示。其数值越大，表明该介质的冷却能力越强。几种淬火冷却介质的冷却烈度值见表4-4。从表4-4可见，水和盐水的冷却能力最强，油的冷却能力较弱，空气的冷却能力最弱。为了改善冷却条件，提高冷却速度，一般淬火时工件或淬火冷却介质应进行运动。

表4-4 几种淬火冷却介质的冷却烈度H值

（3）淬火方法 现代淬火工艺不仅有奥氏体化直接淬火，而且有能够控制淬火后组织性能及减小变形的各种淬火工艺，甚至可以把淬火冷却过程直接与热加工工序结合起来，如铸造淬火、锻后淬火、形变淬火等。淬火工艺方法应根据材料及其对组织、性能和工件尺寸精度的要求，在保证技术条件要求的前提下，充分考虑经济性和实用性来选择。图4-14所示为常用淬火方法。现将常用的几种淬火方法的工艺特点介绍如下：

1）单介质淬火：将奥氏体化的工件直接淬入单一淬火介质中连续冷却到室温的方法，称为单介质淬火，如图4-14中的曲线1所示。例如，水或盐水的冷却能力较强，所以适合于大尺寸、淬透性较差的碳钢件；油的冷却能力较弱，则适合于淬透性较好的合金钢件及小尺寸的碳钢件。单介质淬火工艺过程简单，操作方便，易于实现机械化和自动化。但由于采用一种冷却速度不变的介质，如水，钢件在马氏体转变时会产生较大的淬火应力，易出现淬火变形和开裂，所以单介质淬火只适用于形状简单的工件。

图4-14 常用淬火方法

2）双介质淬火（双液淬火）：将工件加热到奥氏体化后，先淬入一种冷却能力强的介质中，在即将发生马氏体转变时立即淬入另一种冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双介质淬火，如图4-14中的曲线2所示。常用的双介质淬火方法有水-油淬、水-空气淬等。这种淬火方法的优点是既能保证获得马氏体，又降低了马氏体转变时的冷却速度，减小淬火应力。但在实际操作中有一定困难，主要是不容易控制从一种介质转入另一种介质的时间或温度。此方法主要适用于形状复杂的碳钢件及尺寸较大的合金钢件。(www.xing528.com)

3）马氏体分级淬火（分级淬火）：钢经奥氏体化后先淬入温度稍高或稍低于其Ms点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间，使钢件的表面与心部温差减小，在工件整体达到介质温度后再取出空冷，获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火，如图4-14中的曲线3所示。此方法可更有效地防止工件产生变形和开裂，而且在实际操作中由于已知Ms点而易于操作和控制。但由于适合此方法的淬火冷却介质的冷却能力有限，故其只适用于尺寸比较小的工件，如小尺寸的工模具。

4）贝氏体等温淬火（等温淬火）：将工件加热到奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间（260～400℃），保持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体组织的淬火工艺，称为贝氏体等温淬火，如图4-14中的曲线4所示。由于等温温度明显高于Ms点，且发生的是贝氏体转变，因此相变产生的内应力很小，避免了变形和开裂。另外，贝氏体等温淬火所得到的下贝氏体组织具有较高的硬度和较好的综合力学性能。所以，此工艺常用于形状复杂、尺寸要求精确，强度、韧性要求都很高的小型钢件，如模具、成形刃具和弹簧等。

2.钢的淬透性

（1）淬透性的概念 淬透性是在规定条件下，钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。淬透性是钢的主要热处理性能，表示钢在淬火时能够获得马氏体的能力。它是钢材本身固有的一种属性。钢的淬透性与过冷奥氏体的稳定性有关，主要取决于化学成分和奥氏体化条件。一般情况下，钢中合金元素的数量和种类越多，钢中的碳含量越接近于共析成分，则奥氏体越稳定，钢的淬透性越好。同时，热处理加热温度越高，保温时间越长，得到的奥氏体就会越稳定，钢的淬透性也就越好。

（2）淬透性的表示方法 淬透性可用规定条件下测得的淬硬层深度及分布曲线来表示。淬硬层深度一般是指从淬硬的工件表面至规定硬度（一般为550HV）处的垂直距离。测得的淬硬层深度越大，表明材料的淬透性越好。实际生产中还常用临界直径d_c表示材料的淬透性。临界直径是指工件在某种介质中淬火后，心部能淬透（心部获得全部或半马氏体组织）的最大直径。临界直径越大，钢的淬透性越好。几种常用钢的临界直径见表4-5。

表4-5 几种常用钢的临界直径

（续）

（3）淬透性的应用 钢的淬透性对合理选用钢材，正确制订热处理工艺，都具有非常重要的意义。例如，对于大截面、形状复杂和在动载荷下工作的工件，以及承受轴向拉压的连杆、螺栓、拉杆、锻模等要求表面和心部性能均匀一致的零件，应选用淬透性良好的钢材，以保证心部“淬透”；对于承受弯曲、扭应力（如轴类）以及表面要求耐磨并承受冲击力的模具，由于应力主要集中在表面，因此可不要求全部淬透，可选择淬透性差的钢材；焊接件一般不选用淬透性好的钢，否则会在焊接和热影响区出现淬火组织，造成焊件变形、开裂。

3.淬火缺陷

在淬火时，由于操作不当而造成的常见缺陷有以下几种：

（1）淬火变形和开裂 由于淬火时马氏体转变伴随着体积变化，钢件淬火加热和快冷时各部分温度的不均匀，使钢出现较大的内应力，从而使钢件产生变形。当内应力超过钢件的强度极限时，在应力集中处将导致开裂。通过合理选材，改进结构设计，合理选择适当的淬火工艺（加热和冷却规范），可有效控制变形，预防开裂。

（2）硬度不足与软点 淬火后钢的整体硬度达不到淬火要求，称为硬度不足；其表面硬度出现局部小区域达不到淬火要求，称为软点。造成硬度不足和软点的主要原因是淬火加热不足、表面氧化脱碳和冷却速度不够等。

（3）过热和过烧 钢件加热时，由于温度过高，使其晶粒粗大以致性能显著降低的现象，称为过热。当钢件加热温度达到其液相线附近时，出现晶界氧化和部分熔化的现象，称为过烧。过热的工件其强度和韧性下降，易出现脆性断裂。轻微的过热可通过回火来补救，严重的过热需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火；过烧则是无法补救的严重缺陷，过烧的工件只能报废。

此外，在淬火工艺中，在氧化性介质中加热会造成钢件氧化和脱碳，以及材料内在的冶金缺陷、选材不当、错料以及设计上的结构工艺性差等，也会造成一些淬火缺陷。