钢的淬火与回火 2.doc

热处理工艺及设备

第3章钢的淬火与回火
钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。
3.1钢的淬火与分类
淬火是将钢加热至临界点（Ac1或Ac3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。vc、vc'分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。以v>vc的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以vc>v>vc'的速度冷却（曲线2），可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。
钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。wc≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。
图3-1共析钢的淬火冷却工艺
奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体
时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温
和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称
为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不
是强化合金，而是抑制第二相析出。高锰钢的水韧处理
是为了达到韧化的目的。奥氏体不锈钢固溶处理是为了
提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处
理，则是时效硬化前的预处理过程。
本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表3-1。
表3-1钢的淬火工艺分类
序号分类原则淬火工艺方法I按加热温度完全淬火、不完全淬火II按加热速度普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火III按加热介质及热源条件光亮淬火、真空淬火、流态层加热淬火、火焰加热淬火、（高、中、工频）感应加热淬火、高频脉冲冲击加热淬火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火、锻热淬火IV按淬火部位整体淬火、局部淬火、表面淬火V按冷却方式直接淬火、预冷淬火（延迟淬火）、双重淬火、双液淬火、断续淬火、喷雾淬火、喷液淬火、分级淬火、冷处理、等温淬火（贝氏体等温淬火、马氏体等温淬火）、形变等温淬火（高温形变等温淬火、中温形变等温淬火）3.2钢的淬透性
一、淬透性的基本概念
1．淬硬层与淬透性
图3-2零件截面上各处的冷却速度
与未淬透区示意图
A1
时间
v中心
Ms
Vc
V表面
温度
表面
表面
中心
淬硬层
未淬硬区
冷却速度
vc
b
a
由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图3-2a）。如果钢的淬火临界冷却速度vc较小，工件截面上各点的冷速都大于淬火临界冷却速度，工件从表层到心部就都能获得马氏体，称之为“淬透”。如果钢的淬火临界冷却速度较大，工件表层冷速大于淬火临界冷却速度，而从表层下某处开始冷速低于淬火临界冷却速度，则表层获得马氏体，心部不能得到全马氏体或根本得不到马氏体，此时工件的硬度便较低，称之为“未淬透”。通常，我们将未淬透的工件上具有高硬度马氏体组织的这一层称为“淬硬层”（图3-2b）。可见，在工件尺寸和淬火规范一定时，因钢种不同，淬火临界冷却速度不同，就会得到不同的结果，有的淬硬层深，有的淬硬层浅，有的能淬透，有的不能淬透。
所谓钢的淬透性，就是指钢在淬火时获得马氏体的难易程度，是钢本身的固有属性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，也就是钢的过冷奥氏体的稳定性，而与冷却速度、工件尺寸大小等外部因素无关。通常可以用标准试样在一定的条件下淬火能够淬硬的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。
应当指出，钢的淬透性与工件的淬透深度之间虽有密切关系，但不能混为同一个概念。例如有两个尺寸不同的工件，分别选用不同的钢种来制造，在淬火后可能出现这样的情况：尺寸小的工件，虽然选用的是淬透性低的钢，但却淬硬层较深或完全淬透；而尺寸大的工件，即使选用的是淬透性高的钢，但却淬硬层较浅。可见工件的淬透深度除取决于钢的淬透性外，还与工件尺寸、所采用的冷却介质等外部因素有关。
图3-3钢的淬火硬度与碳含量的关系
70
60
50
40
30
20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
wc(%)
硬度HRC

马氏体量
2．淬硬性与淬透性
淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，是指钢在淬成马氏体时所能够达到的最高硬度，它主要取决于钢的碳含量，确切地说，取决于淬火加热时奥氏体中的碳含量，与合金元素关系不大。奥氏体中固溶的碳含量越高，淬火后马氏体的硬度也越高，如图3-3所示。可见，淬硬性与淬透性是