钢的淬火与回火技术介绍

淬火与回火是强化钢最常用的热处理工艺方式。先淬火再根据需要配以不同温度的回火，以获得所需的力学性能。

图6.2　碳钢淬火加热的温度范围

1.淬火

淬火是以获得马氏体或（和贝氏体）为目的的热处理工艺方式。

（1）淬火加热温度

亚共析钢淬火加热温度为Ac3线以上30～50℃；共析钢、过共析钢淬火加热温度为Ac1线以上30～50℃。钢的淬火温度范围，如碳钢淬火加热的温度范围如图6.2所示。

亚共析钢在上述淬火温度条件下加热是为了获得晶粒细小的奥氏体，从而使淬火后能够获得细小的马氏体组织。若加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒粗化，淬火后得到的马氏体组织也粗大，从而使钢的性能严重脆化。若加热温度过低，如在Ac1～Ac3之间，则加热时组织为奥氏体+铁素体；淬火后，奥氏体转变为马氏体，而铁素体被保留下来，此时的淬火组织为马氏体+铁素体（+残留奥氏体），这样就造成了淬火硬度的不足。

共析钢和过共析钢在淬火加热之前已经过球化退火了，故加热到Ac1线以上30～50℃不完全奥氏体化后，其组织为奥氏体和部分未溶的细粒状渗碳体颗粒。淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶渗碳体颗粒被保留下来。由于渗碳体硬度高，因此，它不但不会降低淬火钢的硬度，而且还可以提高它的耐磨性；若加热温度过高，甚至在Accm线以上，则渗碳体溶入奥氏体中的数量增大，奥氏体的碳含量增加，使未溶渗碳体颗粒减少，而且使Ms点下降，淬火后残留奥氏体量增多，降低钢的硬度与耐磨性。同时，加热温度过高会引起奥氏体晶粒粗大，使淬火后的组织为粗大的片状马氏体，使显微裂纹增多，钢的脆性大为增加。粗大的片状马氏体还使淬火内应力增加，极易引起工件的淬火变形和开裂。因此加热温度过高是不适宜的。过共析钢的正常淬火组织为隐晶（即细小片状），马氏体的基体上均匀分布着细小颗粒状渗碳体以及少量残留奥氏体，这种组织具有较高的强度和耐磨性，同时又具有一定的韧性，符合高碳工具钢零件的使用要求。

（2）合理选择淬火冷却介质

淬火冷却介质是根据钢的种类及零件所要求的性能来选择的。但是，其冷却速度必须略大于临界冷却速度。碳钢的淬火冷却介质常选用水，因为碳钢的淬透性较差，需要的冷却速度大，而水能满足这一要求。合金钢的淬透性较好，应选用油，因为油的冷却速度比水低，用它来淬合金钢工件，工件变形小，裂纹倾向小。钢的淬透性是指钢在淬火时所获得马氏体的能力，是钢的一种属性，其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层的深度来表示。用不同材料制造出同样大小的形状和尺寸大小相同的零件，在相同的淬火条件下，淬透层较深的钢件其淬透性较好，如图6.3所示。

图6.3　钢的淬透性

（a）淬透钢；（b）未淬透钢

淬透性和淬硬性是两个不同的概念，淬硬性是表示钢淬火时的硬化能力，用马氏体可能获得的硬度表示，它主要取决于钢中马氏体的碳含量，碳含量越高，钢的淬硬性就越高，显然淬硬性和淬透性没有必然的联系。例如，高碳工具钢的淬硬性很高，但其淬透性很差；而低碳合金钢的淬硬性不高，其淬透性却很好。钢中马氏体硬度与碳含量的关系如图6.4所示。

图6.4　钢中马氏体硬度与碳含量的关系

（3）正确选择淬火方法

在生产中淬火常用单介质淬火法，即指在一种介质中连续冷却到室温。这种淬火方法操作简单，便于实现机械化和自动化，故应用广泛。对于易产生裂纹、变形的钢件，可采用先水淬后油淬的双介质淬火或分级淬火方法。

2.回火

回火是将淬火后的钢重新加热到低于Ac1线以下某一温度，经保温后，使淬火组织转变成稳定的回火组织，再冷却到室温的热处理工艺方式。(www.xing528.com)

淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体+残留奥氏体组成，它是不稳定的组织，其内应力大、脆、易变形或开裂。

回火的目的是为了消除应力，稳定组织，提高钢件的塑性、韧性，获得塑性、韧性、硬度、强度适当配合的力学性能，满足工件的力学性能要求。

根据所需工件的力学性能要求，把回火温度分为如下3种。

（1）低温回火（150～200℃）

回火目的是消除应力，降低脆性，获得回火马氏体组织，保持高的硬度（56～64HRC）和耐磨性。低温回火广泛用于刀具、刃具、冲模、滚动轴承和耐磨件等。

（2）中温回火（250～500℃）

组织是回火托氏体，它还保持着马氏体的形态，内应力基本消除。其目的是保持较高的硬度，获得高弹性的钢件。中温回火主要用于弹簧（如火车转向架的螺旋弹簧、枪机上的弹簧等）、发条、热锻模。

（3）高温回火（500～650℃）

淬火并高温回火的复合热处理工艺方式，称为调质。其目的是获得优良的综合性能，调质后的硬度为25～35HRC。调质处理后的组织是回火索氏体，即细粒渗碳体和铁素体，与正火后的片状渗碳体组织相比，其在载荷作用下，不易产生应力集中，使钢的韧性得到极大提高。高温回火主要用于重要的机械零件，如连杆、主轴、齿轮及重要的螺钉（汽车发动机盖上的螺钉）。

钢在回火时会产生回火脆性，在300℃左右产生的脆性称为不可逆回火脆性；在400～550℃产生的脆性称为可逆回火脆性。产生的原因是由于回火马氏体中分解出稳定的细片状化合物引起的。钢的回火脆性使其冲击韧性显著下降，如图6.5所示。

某些合金钢（如含Cr、Ni、Mn的钢），回火后缓慢冷却会产生回火脆性，但如果回火后快速冷却（空冷），则不产生回火脆性。

除上述3种回火温度之外，某些不能通过退火来软化的高合金钢也可以在600～680℃进行软化回火。钢在不同温度下回火后其硬度随回火温度的变化如图6.6所示，钢的力学性能与回火温度的关系如图6.7所示。

图6.5　40Cr钢经不同温度回火后的力学性能

注：直径D＝12mm，油淬。

图6.6　钢的硬度随回火温度的变化

图6.7　钢的力学性能与回火温度的关系

许多机器零件如齿轮、凸轮、曲轴等都是在弯曲、扭转载荷下工作的，同时受到强烈的摩擦、磨损和冲击。这时应力沿工件断面的分布是不均匀的，越靠近表面应力越大，越靠近心部应力越小。这种工件需要硬而耐磨的表层，即一定厚度的表层得到强化，而心部仍可保留高韧性状态。要同时满足这些要求，仅仅依靠选材是比较困难的，用普通的热处理也无法实现，这时可通过表面热处理的手段来满足工件的使用要求。