第八章 淬火教材

1第八章淬火第一节淬火加热第二节淬火介质第三节钢的淬透性第四节淬火工艺第五节表面淬火第六节淬火缺陷2

淬火是将合金在高温下所具有的状态以过冷、过饱和状态固定至室温，或使基体转变成晶体结构与高温状态下不同的亚稳状态的热处理形式。

合金能否淬火可由相图决定。如果合金在相图上有多型性转变或者固溶度变化，这些合金就可以淬火。

淬火可分为两类：无多型性转变合金的淬火与有多型性转变合金的淬火。3狭义上讲，淬火是把钢件加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化，再以大于临界冷却速度的冷速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

淬火的目的是提高钢的硬度、强度、耐磨性和硬磁性，以及与各种回火工艺配合提高钢的强韧性和弹性。

淬火工艺分为许多种。4第一节淬火加热1.淬火加热温度的确定

1）钢的化学成分；2）工件的尺寸、形状和技术要求；3）奥氏体的晶粒长大倾向；4）采用的淬火介质与淬火方法。5

化学成分是决定淬火温度最主要的因素。碳钢的淬火加热温度范围亚共析钢：Ac3+(30~50oC);共析钢、过共析钢：

Ac1+(30~50oC)

67生产实际中必须结合以下因素全面考虑：1）工件尺寸

如果尺寸小，则应采用较低的淬火温度。2）工件形状

形状复杂、容易变形或开裂的工件，应在保证性能要求前提下，尽量采用较低的淬火温度。3）淬火介质和淬火方法

采用冷却能力强的淬火剂时，为减小应力可适当降低淬火温度。4）奥氏体晶粒长大倾向

奥氏体晶粒不易长大的本质细晶粒钢，可适当提高淬火温度。8加热与保温时间由工件入炉到到达指定工艺温度所需时间（τ1）、透热时间（τ2）及组织转变所需时间（τ3）组成，即τ=τ1+

τ2+τ3。

τ1+τ2

由设备功率、加热介质及工件尺寸、装炉量等确定；τ3则与钢材的成分、组织及热处理技术要求有关。

2.加热时间的确定9计算加热时间的经验公式一般以工件的“有效厚度”乘以加热系数，

τ=αkD

这里τ

：保温时间；

α：保温时间系数；

k

：工件装炉方式修正系数；

D

：工件有效直径。以上参数均可查表求得。101）空气

空气中的氧以及少量存在的二氧化碳和水蒸气均可使工件氧化（主要在650oC以上），前二者还可使工件脱碳。2）液体介质

液体介质主要指盐浴加热，优点是炉温较易控制、受热均匀、加热速度快、工件不易氧化、变形小。但需对盐浴进行定期脱氧处理。3）固体介质

流态床加热采用固体粒子（石墨、石英砂或刚玉等）作为加热介质。

3.加热介质的选择11第二节淬火介质淬火介质：工件进行淬火冷却所使用的介质。

淬火过程中工件产生的变形、开裂、硬度不足等淬火缺陷往往是冷却介质和冷却方法选择不当所致。

理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体，又不能引起太大的淬火应力。

12这类介质在淬火过程中要发生物态变化，如水、水溶液和油类等。它们的特点是沸点较低，工件冷却过程伴随淬火介质的汽化，从而吸收了大量的热，使得工件冷却。汽化是决定这类介质冷却物性的主要因素。1.在有物态变化的介质中的冷却过程1）蒸汽膜阶段（AB段）；2）沸腾阶段（BC段）；3）对流阶段（CD段）。B点对应的温度为介质的特性温度；C点对应的是介质的沸点温度。13这类介质在淬火过程中不发生物态变化，如熔盐、烧碱、熔融金属及气体等。它们的特点是工件的冷却主要靠辐射、对流和传导进行，介质本身并不汽化。工件冷却过程中，决定冷却速度的主要因素是工件与介质的温差，温差越大，冷却速度越快。2.在无物态变化的介质中的冷却过程143.常用的淬火介质

1）水

水是冷却能力较强的常用淬火介质，具有诸多优点。但是它的缺点是在C曲线的鼻部位（500~650oC），水处于蒸汽膜阶段，膜状沸腾阶段长，冷速不够快，有可能形成淬火“软点”。而在马氏体转变温度区，水处于沸腾阶段，出现最大冷速，使得马氏体转变速度过快而产生很大内应力，致使工件变形或开裂。15

2）盐水和碱水

在水中加入适量的盐或者碱，可以加快蒸汽膜破裂，提前进入泡状沸腾阶段，提高在高温区的冷却速度，使得钢件获得较厚的淬硬层。

氯化钠（NaCl）：特性温度较高，高温区冷却能力是水的十倍；冷却能力受温度影响较小。

氢氧化钠（NaOH）：换热系数较氯化钠更大，5~15wt.%的氢氧化钠水溶液是目前冷却能力最强的淬火介质，但200oC以下的冷却速度低于水。

三硝水溶液25%NaNO3+20%NaNO2+35%H2O16全损耗系统用油即机械油，号数越大则黏度越大，闪点越高、冷却能力越低。普通淬火油是向全损耗系统用油中加入催冷剂、抗氧化剂、表面活性剂等添加物调制而成，属中速淬火油。快速淬火油是在普通淬火油的基础上加入效果更高的催冷剂而制成，其冷却能力比普通淬火油强。光亮淬火油是以高品质矿油作为基础油，往其中加入添加剂而制成。这些添加剂主要是光亮剂，作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来，防止其沉淀。

3）淬火油

分为全损耗系统用油、普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油及真空淬火油。17真空淬火油是以石蜡基润滑油分馏，经溶剂脱蜡、溶剂精制、白土处理和真空蒸馏、真空脱气后，加入催冷剂、光亮剂、抗氧化剂等添加剂而制成。18

4）高分子聚合物淬火介质

这类淬火剂是由各种高分子聚合物配以适量的防腐剂和防锈剂而制成。使用时根据需要加水稀释成不同浓度的溶液，可以得到水、油之间或比油更慢的冷却能力。无燃烧、无烟雾。

5）盐浴

属于不发生物态变化的淬火介质，一般用作分级淬火和等温淬火的冷却介质。主要靠对流冷却，在高温区冷速快、低温区冷速慢。19

6）气体

空气、氮气、氦气、氩气等都可用作淬火冷却介质。尺寸不大的高速钢工件和Cr12系列等高淬透性合金钢工件，用静止的或流动的空气作为冷却介质，即可淬硬。

7）流态床

流态床即可用于淬火加热，也可用于淬火冷却。选用不同的固体颗粒，控制其力度、流态床深度和温度等，并调整压缩空气的流量和流速，即可调节冷却能力。204.影响淬火介质冷却能力的因素淬火介质的冷却能力可用不同方法来评定:

1）按照介质的冷却全来评定，即试样在介质中的温度与冷却速度的关系曲线；2）按照冷却速度特性曲线来评定，反应了整个冷却过程的瞬时冷却速度及其变化。影响淬火介质冷却能力的因素主要是温度和搅拌：

1）温度。水和水为基的介质随温度升高冷却能力下降，而油与水相反。2）搅拌。搅动会增大液体换热系数，尽早破坏蒸汽膜，提高对流阶段冷速，使工件冷却均匀。21第三节钢的淬透性钢的淬透性和淬硬性是表征钢材接受淬火能力戴奥的两项重要指标，是选材、用材和制定热处理工艺的重要依据。1.淬透性与淬硬性钢件具有一定尺寸，淬火时其表面冷速大，心部冷速小，因此钢件淬火时，如果中心的冷速高于临界冷速，则由表及里都获得高硬度的马氏体组织，称之为“淬透了”。如果心部冷速小于临界速度，则淬火后仅表层获得马氏体组织，心部为非马氏体组织，称为“未淬透”。22淬透性（hardenability)是以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。是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性，主要取决于钢的临界冷却速度Vc。

淬透性的测量是用一定条件下的淬硬层深度或用在某种冷却介质中可完全淬透的最大截面直径—临界直径dc来表示。淬透层深度常用由表面至半马氏体组织（体积分数为50%马氏体和50%非马氏体）的最大距离来表示。23淬透性不同于淬硬性：

淬硬性是以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性，是表示钢淬火时获得硬度高低的能力，也称为可硬性。决定钢淬硬性高低的主要因素是钢的含碳量，即淬火加热时固溶在奥氏体中的含碳量，含碳量越高，钢的淬硬性也越高。

钢中合金元素对淬硬性的影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。241）临界直径法钢制圆柱试样在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或50%马氏体（体积）组织时的最大直径称为临界直径，用dc表示。dc越大，表示这种钢的淬透性越高。dc水表示钢在水中的临界直径；dc油表示钢在油中的临界直径。

为去除临界直径中淬火烈度的影响，引入了理想临界直径的概念，用单一数值来表征钢的淬透性。所谓理想临界直径就是在淬火冷却烈度无限大的理想淬火介质中淬火冷却时的临界直径。

2.淬透性的测定方法252）端淬实验

端淬实验不仅可以用来测定钢的CCT图，还可以用于测定钢的淬透性，国外常称为“Jominytest”。

按照国标GB225-88的规定进行测试。

3.淬透性的应用26第四节淬火工艺1.常用的淬火工艺1）单介质淬火单介质淬火就是将奥氏体化工件迅速浸入到某一种淬火介质，一直冷却到室温的淬火操作方法。是应用最广泛也最简单的一种淬火方法。272）双介质淬火（双液淬火）双介质淬火是将钢件奥氏体化之后，先浸入一种冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。如先水后油、先水后空气等。

双介质淬火的关键是准确控制工件在第一种介质中的停留时间，或者说工件由第一种介质转入第二种介质时的温度。

双介质淬火既能保证工件淬硬，又不致因工件在马氏体区冷速过大而出现较大变形或开裂。283）马氏体分级淬火

马氏体分级淬火一般是将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高或稍低于Ms点的碱浴或盐浴中保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火工艺。

分级淬火可以大大减少工件内外冷速的差别，使得马氏体转变的不同性明显降低，有效减少组织应力和热应力，减小工件的淬火变形、开裂倾向。

分级淬火适用于变形要求严格的合金钢和高合金钢，也适用于形状复杂的碳素钢。294）贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火是将工件加热奥氏体化后快冷到奥氏体转变区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火，也称为贝氏体淬火，简称等温淬火。305）预冷淬火

又称冷待淬火，即工件加热奥氏体化后浸入淬火冷却介质前后在空气中停留适当时间（延迟时间）的淬火。预冷淬火的关键是控制预冷时间（或温度），一般在空气中冷却到的温度应略高于Ar3（或Ar1）点。

预冷淬火不仅可保证工件的淬火硬度与淬硬层深度不降低，而且更主要的是能使淬火应力（主要是热应力）减小，因而是减小淬火变形与开裂的有效措施之一。312.其它淬火工艺1）亚临界温度淬火（亚温淬火或临界区淬火）亚共析钢工件在Ac1~Ac3温度区间奥氏体化后淬火冷却，获得马氏体和铁素体组织的淬火。

在正常的淬火（Ac3+30~50oC）与回火之间进行一次或数次加热温度在Ac1~Ac3之间的亚临界温度淬火，能进一步提高钢的韧性，降低韧脆转变温度以及降低回火脆性。322）碳化物微细化淬火

1）高温固溶碳化物的低温淬火要点是将钢加热到高于正常淬火温度，使碳化物充分溶解，然后在低于Ar1的中温保温或直接淬火后于450~650oC回火，析出极细碳化物，然后再于低温加热淬火。2）调质后再低温淬火，高碳工具钢先调质可使碳化物均匀分布，而后的低温加热淬火可显著改善淬火后钢中未溶碳化物的分布状态，从而提高韧性。333）循环加热淬火（超细晶粒淬火）通过α→γ→α多次循环相变，可使奥氏体晶粒逐步细化。4）超高温淬火对含碳化物形成元素的合金结构钢和工具钢，提出了淬火温度高出Ac3300oC左右的超高温淬火法，以改善钢的韧性。343.冷处理工件淬火冷却到室温后，继续在一般制冷设备或低温介质中冷却的工艺，称为冷处理。在液氮或液氮蒸汽中进行的冷处理，称为深冷处理。

主要作用为：1）增加钢的硬度；2）增减工件尺寸稳定性；3）利用残余奥氏体向马氏体转变而发生体积增大的规律，采用冷处理来挽救因尺寸缩小而将报废的产品。35第五节表面淬火表面淬火的目的、分类及应用

表面淬火：仅对工件表层进行淬火的工艺。

目的：在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而其心部仍保持这表面淬火前调质或正火的组织状态以使工件表面层硬而耐磨，心部又保留足够的塑性和韧性。

分类：表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名和分类，如感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等。362.淬硬层的深度及硬度梯度确定淬硬层的深度及硬度梯度时，应使表面淬火硬化层与工件负载应力分布相匹配。3.感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。

1）感应加热基本原理

利用了电磁感应、涡流发热和磁滞发热等物理现象以及交变电在导体中的分布特征。37

感应器中流过交变电流时，其周围就要产生相同频率的交变磁场，在交变磁场作用下工件中将产生感应电动势，从而产生与感应器频率相同而方向相反的感应电流，即涡流。涡流因工件本身的电阻转换成热能，从而将工件加热，又叫涡流加热。2）感应加热设备

按照输出电流频率不同可分为高频、中频、工频、超音频好超高频脉冲五类。383）感应加热表面淬火工艺

感应淬火工艺主要包括频率和比功率的选择与确定、加热方式和加热工艺参数的选择与确定、冷却介质和冷却方法的选择与确定等。

频率和比功率的确定：

电流频率主要应根据硬化层深度的要求合理选择。根据淬硬层深度选择电流频率时，可由热处理手册查得。39

比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。

加热方式和加热工艺参数的选择和确定：

分为同时加热法和连续加热法两种。每种钢都有最佳的加热规范，可参见有关手册。

冷却方法和冷却介质的选择和确定：最常用喷射冷却法和浸液冷却法。404.其他加热表面淬火1）火焰加热表面淬火

用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。具有设备简单、使用方便、成本低廉、不受工件体积大小限制的优点。2）激光表面淬火

是利用高能激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷，使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。41

激光表面淬火的优点是加热速度快、基本不改变表面粗糙度、变形小，表面硬度高、原则上可处理各种不同过得金属材料、出来过程无污染、生产效率高且易于实现自动化生产。3）电子束表面淬火

以电子束作为热源以极快的速度加热工件并自冷硬化的淬火工艺。

电子束加热淬火几乎具有和激光淬火相同的优点，不同之处在于：电子束加热效率高，而激光加热的电效率低；激光加热可在大气中完成，而电子束加热需要一定真空度；电子束加热不需要表面处理，激光加热需要表面进行黑化处理；电子束加热可控