实现淬火的关键技术

为达到淬火的目的，应选择合适的淬火加热温度和冷却介质。

1.淬火加热温度的选择

(1)亚共析钢的淬火加热温度应选择在Ac3以上30 ℃～50 ℃。淬火后获得细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体的组织粗大，使钢脆化。若加热温度过低(在Ac1 ～Ac3)，则淬火组织中含有未熔铁素体，将降低淬火工件的强度和硬度。

(2)过共析钢的淬火加热温度选择在Ac1以上30 ℃～50 ℃。淬火后形成的组织为在细小针状马氏体基体上均匀分布着细小颗粒状渗碳体。如果淬火加热温度选择在Accm以上，淬火后将得到粗大马氏体，增大钢的脆性及变形开裂倾向，而且残余奥氏体量也多，降低了钢的硬度。如图4-10 所示。

2.加热时间的确定

加热时间包括升温和保温时间。加热时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型和加热介质等影响。加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定，生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。

3.淬火冷却介质的选择

钢件进行淬火冷却时所使用的介质称为淬火介质。淬火介质应具有足够的冷却能力、较宽的使用范围，同时还应具有不易老化、不腐蚀零件、不易燃、易清洗、无公害、价廉等特点。为了在淬火时得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度。但冷却过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂。

因此，钢的理想冷却速度应如图4-11 所示。为了抑制非马氏体转变，在C 曲线“鼻尖” 附近(550 ℃左右)快冷。而在650 ℃以上或400 ℃以下Ms 线附近发生马氏体转变时的温度范围内，为了减少淬火冷却过程中工件截面上内外温差引起的热应力和减少马氏体转变时的组织应力以及减少工件的变形与开裂等，并不需要快冷。

图4-10　碳钢淬火温度范围

图4-11　钢的理想淬火冷却速度

目前常用的淬火冷却介质有矿物油、水、水溶液(盐水和碱水)，它们的冷却能力依次增加。其冷却特性如下。

(1)水

水在550 ℃～650 ℃的冷却能力较大，但在200 ℃～300 ℃的冷却能力过强，易使淬火零件变形与开裂。因此，水常用于尺寸不大、外形较简单的碳钢零件的淬火。

(2)盐碱水溶液

在水中加入一定量的盐和碱可以成倍提高其冷却能力，但使淬火工件变形与开裂的倾向增大。故常用于尺寸较大、外形简单、硬度要求较高、对淬火变形要求不高的碳钢零件。

(3)矿物油

矿物油的冷却能力较低，能减少工件的变形与开裂的现象，但是在550 ℃～650 ℃的冷却能力也低，这不利于钢的淬火，尤其对截面较大的碳钢及低合金钢不易淬硬，因此，油一般作为形状复杂的中、小型合金钢零件的淬火介质。

4.淬火方法

常用的淬火方法如图4-12 所示。

图4-12　常用淬火方法示意图

(a)单介质淬火法； (b)双介质淬火法； (c)分级淬火法； (d)贝氏体等温淬火

(1)单介质淬火

将钢件奥氏体化后，浸入一种淬火介质中连续冷却到室温的淬火方法称为单介质淬火，如碳钢件水冷、合金钢件油冷等。此法操作简单，易实现机械化、自动化。但易产生硬度不足、变形与裂纹，主要适用于形状较简单的钢件。

(2)双介质淬火

将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未到达该淬火介质温度之前即取出，马上浸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，例如先水后油、先水后空气等。此种方法既能保证淬硬，又能减少产生变形和裂纹的倾向，但操作起来较难掌握在两种介质中的停留时间，要求操作者具有较高的技能。双介质淬火主要用于形状较复杂易开裂的高碳钢件，如丝锥等。(www.xing528.com)

(3)马氏体分级淬火

将加热好的钢件先放入温度稍高于Ms 点的盐浴或碱浴中，保持一定的时间，使钢件内外的温度达到均匀一致，然后取出钢件在空气中冷却，使之转变为马氏体组织。马氏体分级淬火可以减小淬火应力，防止工件变形和开裂。但由于盐浴的冷却能力较差，对碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织，主要应用于淬透性好的合金钢或截面不大、形状复杂的碳钢工件。

(4)贝氏体等温淬火

贝氏体等温淬火是指将钢件加热奥氏体化后，随即快冷到贝氏体转变温度区间(260 ℃～400 ℃)等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。贝氏体等温淬火可使工件获得较高的硬度、耐磨性及良好的强度和韧性，显著减少工件的淬火变形，避免淬火件的开裂，但生产周期较长。因此，常用于各种中、高碳和低合金钢制作的形状复杂、尺寸较小、韧性要求较高的各种模具和成型刀具等。

5.钢的淬透性和淬硬性

(1)淬透性

淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。在相同的条件下淬火，获得的淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。钢的临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。凡是能降低临界冷却速度的因素(主要是钢的化学成分)都可以提高钢的淬透性，例如，合金钢的淬透性比碳钢好。临界冷却速度与淬透性的关系如图4-13 所示。

图4-13　工件淬透性与临界冷却速度的关系

实际生产中常用临界直径dc表示钢的淬透性。临界直径是指工件在某种介质中淬火后，芯部能淬透(即芯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4-3。

表4-3　几种常用钢的临界直径

(2)淬透性的应用

淬透性好的钢，在获得同样淬硬层深度的情况下，可以采用冷却能力较低的淬火介质，减小形状复杂的零件在淬火时的变形和开裂。淬透性对调质后钢的力学性能的影响如图4-14 所示。例如，对于大截面、形状复杂和在动载荷下工作的零件，以及承受轴向拉压的连杆、螺栓、拉杆、锻模等要求表面和芯部性能均匀一致的零件，应选用淬透性良好的钢材，以保证芯部“淬透”。

图4-14　淬透性对调质后钢的力学性能的影响

(a)已淬透； (b)未淬透

(3)淬硬性

淬硬性是指在一定条件下淬火后获得马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量。钢的淬硬性好并不代表淬透性就好，例如，高碳钢的淬硬性很高，但淬透性差。而低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高。

6.淬火缺陷及预防措施

(1)氧化与脱碳

钢在加热时，表面形成一层松脆的氧化铁皮的现象称为氧化； 脱碳指表面碳含量降低的现象。氧化和脱碳会降低钢件表层的硬度和疲劳强度，而且还会影响零件的尺寸。为了防止氧化和脱碳，通常在盐浴炉内加热，要求更高时，可在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。

(2)过热和过烧

钢在淬火加热时，奥氏体晶粒显著粗化的现象称为过热。若加热温度过高，出现晶界氧化并开始部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，不仅会降低钢的力学性能(尤其是韧性)，也容易引起淬火变形和开裂。过热组织可以用正火处理予以纠正，而过烧的工件只能报废。为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间。

(3)变形与开裂

工件淬火冷却时，由于不同部位存在温度差异及组织转变的不同时性所引起的应力称为淬火内应力。当淬火应力超过钢的屈服点时，工件将产生变形； 当淬火应力超过钢的抗拉强度时，工件将产生裂纹，从而造成废品。为了防止变形和开裂的产生，可采用不同的淬火方法(如分级淬火或等温淬火等)和合理设计工艺(如结构对称、截面均匀、避免尖角)等措施，尽量减少淬火应力，并在淬火后及时进行回火处理。

(4)硬度不足

硬度不足是由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度不够大或表面脱碳等造成的，可采用重新淬火来消除(但淬火前要进行一次退火或正火处理)。