第九章 钢淬火和回火

1、第九章第九章 钢钢 的的 淬火和回火淬火和回火u淬火概念淬火概念l钢的钢的淬火淬火将钢加热到临界点以上，将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行保温一定时间进行奥氏体化奥氏体化，然后在水，然后在水或油中或油中快速冷却快速冷却，使奥氏体冷却到，使奥氏体冷却到Ms点以下发生马氏体转变的热处理工艺。点以下发生马氏体转变的热处理工艺。l钢的钢的淬火组织淬火组织主要主要是是马氏体（马氏体（M）。l马氏体一般不是热处理所要得到的最终马氏体一般不是热处理所要得到的最终组织，但马氏体再经适当的组织，但马氏体再经适当的回火回火，可以，可以使钢获得需要的组织和使用性能，最终使钢获得需要的组织和使用性能，最终达到热处

2、理的目的。达到热处理的目的。 u淬火概念淬火概念图3-1 共析钢的淬火冷却工艺l淬火的定义淬火的定义 淬火是将钢加热至临界淬火是将钢加热至临界点（点（A Ac1c1或或A Ac3c3）以上，）以上，保温一定时间后快速冷保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变却，使过冷奥氏体转变为为马氏体或贝氏体马氏体或贝氏体组织组织的工艺方法。的工艺方法。 l淬火的目的淬火的目的 组织：组织：M或或M+B 性能：高硬度、高强度、高耐磨性性能：高硬度、高强度、高耐磨性l淬火的必要条件淬火的必要条件1 1、加热温度必须高于临界点以上、加热温度必须高于临界点以上( (即亚共析钢即亚共析钢Ac3Ac3，过共析钢，过共

3、析钢Ac1)Ac1)，以获得奥氏体组织。，以获得奥氏体组织。2 2、冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到、冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。的组织是马氏体或下贝氏体。说明：说明：1 1、低碳钢水冷往往只得到珠光体组织，此时就不、低碳钢水冷往往只得到珠光体组织，此时就不能称作淬火，只能说是水冷正火。能称作淬火，只能说是水冷正火。2 2、高速钢空冷可得到马氏体组织，则此时就应称、高速钢空冷可得到马氏体组织，则此时就应称为淬火，而不是正火。为淬火，而不是正火。u 回火概念回火概念l钢的钢的回火回火钢件淬硬后，再加热到钢件淬硬后，再加热到AC1以以下保温一定时间，然

4、后冷却到室温的一种热下保温一定时间，然后冷却到室温的一种热处理工艺，叫处理工艺，叫回火回火，是紧接淬火的一道热处，是紧接淬火的一道热处理工艺。理工艺。l回火目的回火目的：稳定组织，减少或消除淬火应力，：稳定组织，减少或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性。提高钢的塑性和韧性。l淬火钢的回火淬火钢的回火是淬火是淬火马氏体马氏体分解分解、碳化物碳化物析析出出、聚集长大，聚集长大，残余奥氏体残余奥氏体转变及转变及铁素体铁素体再再结晶的过程。是一个结晶的过程。是一个复合相变过程复合相变过程。是由。是由非非平衡态平衡态向向介稳态介稳态或或稳定态转变的过程稳定态转变的过程。一一、淬火分类淬火分类分类原则分类原

5、则淬火工艺方法淬火工艺方法按淬火加热温度按淬火加热温度完全淬火，亚温淬火完全淬火，亚温淬火按淬火加热方法按淬火加热方法真空淬火，脉冲淬火，感应加热淬火，激真空淬火，脉冲淬火，感应加热淬火，激光淬火，电子束淬火，火焰加热淬火光淬火，电子束淬火，火焰加热淬火按冷却方式按冷却方式直接淬火，双介质淬火，预冷淬火，喷雾直接淬火，双介质淬火，预冷淬火，喷雾淬火，马氏体等温淬火，贝氏体等温淬火淬火，马氏体等温淬火，贝氏体等温淬火按淬火部位按淬火部位整体淬火，局部淬火，表面淬火整体淬火，局部淬火，表面淬火二、淬火加热温度l淬火加热温度的确定原则淬火加热温度的确定原则 淬火加热温度的确定应以获得晶淬火加热温度的

6、确定应以获得晶粒细小成分均匀的奥氏体为原则，粒细小成分均匀的奥氏体为原则，以得到细小的马氏体组织，同时也以得到细小的马氏体组织，同时也应该考虑淬火后残余奥氏体的量。应该考虑淬火后残余奥氏体的量。亚亚共析钢的淬火加热温度共析钢的淬火加热温度u 亚 共 析 钢亚 共 析 钢 的 淬 火 加 热 温 度 约 为的 淬 火 加 热 温 度 约 为AcAc3 3+(30+(3050)50)0 0C Cu亚共析合金钢亚共析合金钢可以是可以是AcAc3 3+(30+(3070)70)0 0C C。u加热温度过高，易使奥氏体晶粒粗大，加热温度过高，易使奥氏体晶粒粗大，也浪费能源。也浪费能源。u加热温度偏低，可

7、能会有一些先共析加热温度偏低，可能会有一些先共析铁素体未转变成奥氏体，淬火冷却时铁铁素体未转变成奥氏体，淬火冷却时铁素体不发生变化，保留在淬火组织中，素体不发生变化，保留在淬火组织中，使钢的硬度不足。使钢的硬度不足。 l对于过共析钢，淬火前的组织应是对于过共析钢，淬火前的组织应是粒状珠光体（粒状珠光体（何为粒状珠光体？何为粒状珠光体？）。）。l淬火加热温度为淬火加热温度为A Ac1c1+(30+(3050)50)0 0C C。从从这一温度淬火，可以得到细小的隐这一温度淬火，可以得到细小的隐晶马氏体加粒状碳化物组织。这种晶马氏体加粒状碳化物组织。这种组织硬度高，并由于有粒状碳化物组织硬度高，并由

8、于有粒状碳化物存在耐磨性好，韧性也能满足要求存在耐磨性好，韧性也能满足要求。l为什么不是为什么不是AcAccmcm+(30+(3050)50)0 0C C？过过共析钢的淬火加热温度共析钢的淬火加热温度l如果加热温度过高如果加热温度过高，例如，例如在在A Accmccm以上，碳化物会全部以上，碳化物会全部溶入奥氏体中，奥氏体晶溶入奥氏体中，奥氏体晶粒粗大含碳量高，粒粗大含碳量高，MsMs和和M Mf f点点下降，淬火组织中有粗大下降，淬火组织中有粗大的马氏体片和相当多的残的马氏体片和相当多的残余奥氏体，这种组织使钢余奥氏体，这种组织使钢的脆性增加。由于淬火组的脆性增加。由于淬火组织中没有硬的碳化

9、物颗粒，织中没有硬的碳化物颗粒，钢的耐磨性不高。钢的耐磨性不高。 三、淬火冷却l冷却过程是淬火的关键工序，关系冷却过程是淬火的关键工序，关系到能否获得满意的淬火组织，同时到能否获得满意的淬火组织，同时也是最容易出现问题的一道工序，也是最容易出现问题的一道工序，淬火操作不当会使工件产生严重的淬火操作不当会使工件产生严重的变形甚至开裂。变形甚至开裂。 1 1理想的淬火冷却速度理想的淬火冷却速度l淬火时，工件的淬火时，工件的冷却速度冷却速度必须必须大于大于临临界冷却速度界冷却速度才能获得才能获得马氏体马氏体组织。组织。l冷却速度慢冷却速度慢，冷却曲线与钢的，冷却曲线与钢的CCTCCT曲曲线相交，工件

10、在冷却途中发生分解转线相交，工件在冷却途中发生分解转变，得到的组织由分解转变的产物与变，得到的组织由分解转变的产物与马氏体组成马氏体组成( (马氏体量的多少视冷却马氏体量的多少视冷却速度决定速度决定) )。l冷却速度太快冷却速度太快，工件内外的冷却速度差，工件内外的冷却速度差别太大，造成内外的温差大，而使工件别太大，造成内外的温差大，而使工件内外不能同时收缩产生较大的内外不能同时收缩产生较大的热应力热应力；l冷却速度太快冷却速度太快，工件的内层降到，工件的内层降到MsMs点以点以下开始马氏体转变时，表层早已完全转下开始马氏体转变时，表层早已完全转变成马氏体，表层的马氏体将严重阻碍变成马氏体，表

11、层的马氏体将严重阻碍内层马氏体转变引起的体积膨胀，因而内层马氏体转变引起的体积膨胀，因而产生了较大的产生了较大的组织应力组织应力。l这些应力会使工件产生变形甚至这些应力会使工件产生变形甚至开裂开裂。 u因此对淬火冷却的要求是：因此对淬火冷却的要求是：既要保证获得既要保证获得马氏体马氏体组织；组织；又要在淬火过程中产生小的热应又要在淬火过程中产生小的热应力和组织应力，不发生过大的变力和组织应力，不发生过大的变形，更形，更不能有开裂不能有开裂发生。发生。 l 理想的冷却速度理想的冷却速度 在在C C曲线曲线“鼻尖鼻尖”以上温度以上温度( (6506500 0C)C)应稍微慢冷，应稍微慢冷，以以减小

12、热应力减小热应力；在；在“鼻尖鼻尖”温度附近温度附近( (约约6506504004000 0C)C)必须快冷，必须快冷，以免发生分解以免发生分解转变产生非马氏体组织：转变产生非马氏体组织：“鼻尖鼻尖”温度以下也应慢温度以下也应慢冷，特别是在马氏体转变冷，特别是在马氏体转变温度区间冷却不能太快，温度区间冷却不能太快，以免因组织应力过大而产以免因组织应力过大而产生生变形和开裂变形和开裂。 2 2冷却介质冷却介质l淬火常用的冷却介质有：淬火常用的冷却介质有：水水、各、各种种水溶液水溶液、各种、各种油油和和熔化的盐熔化的盐、碱碱及及金属金属等。等。l这些淬火介质，可以根据介质本这些淬火介质，可以根据介

13、质本身的身的沸点沸点低于或高于低于或高于工件的工件的淬火淬火温度温度分成两大类。分成两大类。 第一类淬火介质第一类淬火介质l第一类淬火介质沸点低于工件的淬火温度。l主要包括水质淬火剂和油质淬火剂；l它们使工件的冷却的特点是，先慢后快又变慢。 形成这种特点的原因：形成这种特点的原因：l 蒸汽膜阶段蒸汽膜阶段: :赤热的工件刚淬入介质中时，立即使周赤热的工件刚淬入介质中时，立即使周围的介质强烈气化，在其表面产生大量的过热蒸汽，围的介质强烈气化，在其表面产生大量的过热蒸汽，形成一层绝热的形成一层绝热的蒸汽膜蒸汽膜而使工件的冷却速度大大降低；而使工件的冷却速度大大降低；l 沸腾阶段：沸腾阶段：随着工件

14、表面温度降低，给热渐慢，汽化随着工件表面温度降低，给热渐慢，汽化速度逐渐小于蒸汽的逸出和冷凝速度，蒸汽膜变薄直速度逐渐小于蒸汽的逸出和冷凝速度，蒸汽膜变薄直到破裂，到破裂，蒸汽膜阶段蒸汽膜阶段结束，进入结束，进入沸腾阶段沸腾阶段，在这一阶，在这一阶段冷却介质直接与工件接触，剧烈沸腾，大量散热，段冷却介质直接与工件接触，剧烈沸腾，大量散热，工件冷却最快；工件冷却最快；l 对流散热阶段：对流散热阶段：工件表面温度降低至介质的沸点以下，工件表面温度降低至介质的沸点以下，冷却转入冷却转入对流散热阶段对流散热阶段，主要靠介质的对流来冷却工，主要靠介质的对流来冷却工件，冷却速度又变慢了。件，冷却速度又变慢

15、了。特性温度特性温度 由上分析可知：由上分析可知：蒸汽膜破裂的温蒸汽膜破裂的温度度对介质的冷却特性有很大的影对介质的冷却特性有很大的影响，称此温度为冷却介质的响，称此温度为冷却介质的特性特性温度温度，特性温度越高，快速冷却，特性温度越高，快速冷却的温度区越高，工件冷却得越快。的温度区越高，工件冷却得越快。 l水，因其冷却能力大、无污染、无危险又价廉，是碳素钢淬火最常用的淬火介质。l但水的特性温度并不理想，在需要快速冷却的6504000C，水的冷速小大约只有2000Cs，蒸汽膜保持太久，而在需要慢冷的4000C以下区间冷速大增，在3000C增到最大8000Cs。l水温越高，冷却能力越差，特性温度

16、越低。水温最好不要超过300C。l加强水的搅拌和循环，或喷射，可以提高“鼻尖”温度区间的冷速。水l水的冷却特性图水的冷却特性图图： 水的冷却特性 a)静止水 b)循环水水中加入适量的盐、碱可以增加冷却能力，提高特性温度。在水中加入水溶性的有机添加剂，可以减缓冷却速度，冷却能力介于水、油之间，调整冷却速度，在生产中应用越来越多。 淬冷烈度 为了比较不同介质对工件的冷却能力，规定以18C静止水的冷却能力作为标准，定义其淬冷烈度H1。如果H1，则表示其冷却能力比静水大；若H500,1h； T500)(500) (a)调质处理 即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织。这种处理称为调质处理，主要用于中碳

17、碳素结构钢或低合金结构钢以获得良好的综合机械性能。一般调质处理的回火温度选有600以上。与正火处理相比，钢经调质处理后，在硬度相同条件下，钢的屈服强度、韧性和塑性明显地提高。 (b)二次硬化型钢的回火 对一些具有二次硬化作用的高合金风，如高速钢等，在淬火以后，需要利用高温回火来获得二次硬化的效果。从产生二次硬化的原因考虑，二次硬化必须在一定温度和时间条件下发生，因此有一最佳回火温度范围，此需视具体钢种而定。2 回火时间的确定 回火时间应包括按工件截面均匀地达到回火温度所需加热时间以及按M参数达到要求回火硬度完成组织转变所需的时间，如果考虑内应力的消除，则尚应考虑不同回火温度下应力弛豫所需要的时

18、间。3 回火后的冷却 回火后工件一般在空气中冷却。对于一些工模具，回火后不允许水冷，以防止开裂。对于具有第二类回火脆性的钢件，回火后应进行油冷，以抑制回火脆性。对于性能要求较高的工件，在防止开裂条件下，可进行油冷或水冷，然后进行一次低温补充回火，以消除快冷产生的内应力 7.6 淬火应力、变形及开裂 7.6.1 淬火时工件的内应力 工件在淬火介质中迅速冷却时，由于工件具有一定尺寸，热传导系数也为一定值，因此在冷却过程中工件内沿截面将产生一定温度梯度，表面温度低，心部温度高，表面和心部存在着温度差。在工件冷却过程中还伴随着两种物理现象： 一是热膨胀，随着温度下降，工件线长度将收缩； 另一个是当温度

19、下降到马氏体转变点时发生奥氏体向马氏体转变，这将使比容增大。由于冷却过程中存在着温差，因而沿工件截面不同部位热膨胀量将不同，工件不同部位将产生内应力；由于工件内温差的存在，还可能出现温度下降快的部位低于Ms点，发生马氏体转变，体积胀大，而温度高的部位尚高于Ms点，仍处于奥氏体状态，这不同部位由于比容变化的差别，也将产生内应力。在淬火冷却过程中可能产生两种内应力，即：1. 热应力:工件在加热(或冷却)时，由于不同部位的温度差异，导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力；2. 组织应力:由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。根据内应力的存在时间特性还可分：1. 瞬时应力:在冷却过

20、程中某一时刻所产生的内应力叫瞬时应力；2. 残余应力:冷却终了，残余于工件内部的应力。1.热应力变化规律：a）：淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力表面为压应力，心部为拉应力。b）：淬火冷却时产生的热应力系由于冷却过程中截面温度差造成的，冷却速度越快，界面温度愈大，则产生的热应力愈大，在相同冷却介质条件下，工件加热温度愈高，尺寸愈大，钢材热传导系数愈小，工件内温差愈大，热应力愈大。图3-16 圆柱形试样在A1点以下急冷时热应力的变化2：组织应力的变化规律： a）：在心部完全淬透的情况下，组织应力使工件最终应力表现为：表面呈现拉应力，心部呈现压应力。 b）：组织应力的大小与钢在马氏体相变温度范围

21、有关，截面上温度愈大，组织应力增加，相变时体积膨胀量愈大，则组织应力就愈大，钢的淬透性愈好，零件尺寸愈大，则淬火后组织应力愈大。淬火1淬火变形基本规律 淬火变形有两种主要形式：一种是工件几何形状的变化，它表现为尺寸及外形的变化，通常称为扭曲或翘曲，是淬火工件中热应力和组织应力作用的结果；另一种是体积变化，又称比体积差效应，它表现为工件的各部分尺寸按比例地胀大或缩小，而工件外形并不改变，是组织转变时比体积不同而引起的。实际工件的变形，往往同时兼有这两种形式。 7.6.2 淬火变形2淬火变形特征 热应力热应力引起的变形表现为使工件沿最大尺寸方向收缩，沿最小尺寸方向胀大，即力图使工件的棱角变圆，平面

22、凸起，变得趋于球形。 组织应力组织应力引起的变形趋向与热应力引起的恰好相反，它表现为工件沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向收缩，力图使工件棱角突出，平面内凹。淬火淬火变形.swf - 变形7.7 淬火工艺的新发展 一、循环快速加热淬火 淬火、回火钢的强度与奥氏体晶粒大小有关，晶粒愈细，强度愈高，因而如何获得高于10级晶粒度的超细晶粒是提高钢的强度的重要途径之一。钢经过多次相变重结晶可使晶粒不断细化；提高加热速度，增多结晶中心也可使晶粒细化。循环快速加热淬火即为根据这个原理获得超细晶粒从而达到强化的新工艺。例如45钢，在815的铅浴中反复加热淬火4-5次，可使奥氏体晶粒由6级细化到1215级；又

23、如20CrNi9Mo钢，用3000赫兹200千瓦中频感应加热装置以11s的速度加热到760，然后水淬，使s由960MNm2增加到1215MNm2，气由1107MNm2，增加到1274MNm：，而延伸率保持不变，均为18%。二、高温调质处理 高温淬火，可抑制先共析碳化物的析出，再经回火后可以得到细小球状碳化物，弥散分布于铁素体基体上。例如GCr15钢经1000-1050C短时间加热后在油中淬火，然后在300-380C回火，得到极细碳化物，再进行高频感应加热淬火、低温回火，可使碳化物平均粒度细化到0.1m。又如T8钢冲头，以调质处理（800C加热、水-油冷却，560C回火2h）代替球化退火，经较低

24、温度加热淬火（750C加热，水-油冷却）280-300C回火后，可消除大块崩刃现象，并使寿命提高10倍。三、亚共析钢的亚温淬火 亚共析钢在AclAc3之间的温度加热淬火称为亚温淬火意即比正常淬火温度低的温度下淬火其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性，经930淬火+650回火+800亚温淬火的韧性，随着回火温度的升高而单调提高，没有回火脆性亚温淬火之所以能提高韧性及消除回火脆性的原因尚不清楚。有人认为主要是由于残存着铁素体，使脆化杂质原子P、Sb等在铁索体富集之故。有人研究了直接应用亚温淬火(不是作为中间处理的再加热淬火)时淬火温度对45、40Cr及60Si2钢力学性能的影响，

25、发现在Ac1到Ac3之间的淬火温度对力学性能的影响有一极大值。在Ac3以下510处淬火时，硬度、强度及冲击值都达到最大值，且略高于普通正常淬火。而在稍高于Ac1的某个温度淬火时冲击值最低。认为这可能是由于淬火组织为大量铁素体及高碳马氏体之故。四、钢的形变热处理 形变热处理是将形变强化和热处理强化有机结合在一起的复合强化工艺。该工艺既能提高钢的强度，又能改善钢的塑性和韧性，同时还能简化工艺，节省能源，在冶金和机械制造等工业中得到了广泛应用。 形变热处理种类很多，按形变与相变的先后顺序可分为相变前形变、相变中形变和相变后形变三种基本类型，其中又可按形变温度（高温、低温等）和相变类型（珠光体、贝氏体

26、、马氏体及时效等）分成若干种类。图3-19 形变热处理工艺过程示意图a 高温形变淬火 b 低温形变淬火a形变淬火Ms形变淬火回火温度回火温度A1A1A3A3Ms时间（对数）时间（对数）温度温度b7.8 马氏体及其回火组织马氏体及其回火组织 形态观察与分析实验形态观察与分析实验一、实验目的 1. 熟悉常用钢马氏体组织形态类型； 2. 了解钢中含碳量和加热温度对马氏体组织形态的影响； 3.了解淬火马氏体经低温、中温和高温回火后的组织形态。 二、实验内容及概述 观察与分析20Cr钢、45钢、T10钢经不同热处理工艺处理 后的淬火马氏体及其回火组织形态 （见下页表）。 三、实验报告内容及要求 详见该实

27、验的电子报告三种钢的淬火马氏体及其回火组织形态序号钢种处理状态显微组织浸蚀剂120Cr钢950 加热 油冷板条M4硝酸酒精溶液220Cr钢840 加热 油冷板条MF4硝酸酒精溶液345钢760 加热 水冷淬火M+F4硝酸酒精溶液445钢840 加热 水冷淬火M4硝酸酒精溶液545钢950 加热 水冷粗大淬火M4硝酸酒精溶液6T10钢780 加热 水冷M+K+较少A4硝酸酒精溶液7T10钢840 加热 水冷M+少A4硝酸酒精溶液8T10钢950 加热 水冷M+较多A4硝酸酒精溶液9840水淬+200回火回火M4硝酸酒精溶液1045钢840水淬+400回火回火T4硝酸酒精溶液1145钢840水淬+

28、650回火回火S4硝酸酒精溶液12T10钢780水淬+200回火回火M+K+较少A4硝酸酒精溶液13T10钢780水淬+400回火回火T+K4硝酸酒精溶液14T10钢780水淬+650回火回火S+K4硝酸酒精溶液45钢1. 20Cr 950加热加热- -油冷油冷 板条板条M 2. 20Cr 840加热加热- -油冷油冷 板条板条M+F 3. 45760加热加热- -水冷水冷 M+F4. 45 840加热加热- -水冷水冷M(混合型混合型)板条M针状M5. 45 950加热加热- -水冷水冷 粗大粗大M6 45钢钢 840水淬水淬+200回火回火 回火回火M 7 45钢钢 840水淬水淬+400

29、回火回火 回火回火T回火M转变为在保持M形态的F基体上分布着极其细小的渗碳体颗粒8 45钢钢 840水淬水淬+650回火回火 回火回火S由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗碳体组成的组织称为回火S。9. T10 7809. T10 780加热加热- -水冷水冷 M+ AM+ A +Fe3C+Fe3C10. T10 840加热加热- -水冷水冷 M+ A 11 T10 950加热加热- -水冷水冷 粗大粗大M+A 12 T10钢钢 780水淬水淬+200回火回火 回火回火M +较少较少A +K13 T10钢钢 780水淬水淬+400回火回火 回火回火T+K回火M转变为在保持M形态的F基体上分布着极其细小的渗碳体颗粒14 T10钢钢 780水淬水淬+650回火回火 回火回火S+K由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗