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第二章 钢的淬火及回火
第一节 淬火的定义、目的、淬火的必要条件
1、淬火定义：
把钢加热到临界点Ac3或Ac1以上，保温并随之以大于临界冷却速度Vk冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 2、淬火的目的：
? 提高零件的硬度，强度，耐磨性。
? 结构钢通过淬火，回火获得良好的综合机械性能。 ? 少数工件可以改善钢的物理和化学性能。 例如：提高高磁钢的磁性；
不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性。 3、淬火必要条件： ? 临界点以上，获得奥氏体； ? 大于临界冷速，得到马氏体或下贝氏体。 第二节 淬火介质 ? 淬火介质：为实现淬火目的用的冷却介质。 ? 理想淬火介质： ? 在A1～650℃缓慢冷却，以减少热应力； ? 在过冷奥氏体最不稳定区域（650～400℃ ），快速冷却； ? 而在MS附近的温度区域冷速比较缓慢，它可以减少淬火内应力，避免淬火变形开裂。 一、淬火介质的冷却作用 1、分类 （1）按聚集状态分类： ? 淬火介质有固态、液态、气态。 ? 最常用介质为液态介质，淬火时不仅发生传热作用，还会产生物态变化，因此过程较为复杂。 （2）按液态淬火介质是否具有物态变化： ? 分为有物态变化的和无物态变化的。 2、有物态变化的淬火介质淬火冷却过程可分为三个阶段： （1）蒸气膜阶段：工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜；冷却主要靠辐射传热，冷却速度较缓慢。 （2）沸腾阶段：进一步冷却时，工件放出的热量减少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，使工件与液体直接接触，并形成大量气泡逸出。冷却速度较快，取决于淬火介质的汽化热，汽化热越大，从工件带走的热量越多，冷却速度也越快。
（3）对流阶段：当工件表面的温度降至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流进行，随工件和介质间的温差减小，冷速也逐渐降低，此时对流传热起主导作用
3、无物态变化的淬火介质：
? 淬火冷却主要靠对流散热。
? 温度较高时辐射散热占有很大比例，也有传导传热。 二、淬火介质冷却特性的测定
淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度H。
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1、概念：
规定静止水的淬火烈度H＝1，其它淬火介质的淬火烈度由与静止水的冷却能力比较而得。 2、实质：
? 反映钢内部的热传导系数以及钢与介质间的给热系数的关系，即淬火介质的冷却能
力。
? 注意：不同淬火介质，在工件淬火过程中其冷却能力是变化的。几种常见淬火介质
的淬火烈度H，如下表所示。
三、常用淬火介质及其冷却特性 1．水：
具有良好的物理化学性能，而且来源丰富，价格便宜。 冷却特性： （1）水的冷却速度 ? 在650~400℃温度范围内的冷却速度较小； ? 在马氏体转变温度区的冷却速度特别快。 （2）水温对冷却特性影响很大 随水温提高，水的冷却速度降低。 （3）循环水的冷却能力大于静止水的冷却能力。 2．碱或盐的水溶液 ? 水中溶入盐、碱等物质，减少了蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高从而加速冷却速度。 ? 食盐水溶液在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提高，冷速均大于纯水的。 ? 碱溶液也具有很高的冷却能力，随温度提高冷却能 力降低，工件表面银白色、好的外观，但腐蚀严重。 3．油 冷却能力比水差，油的冷却 过程也具有三个阶段。 (1)在高温区冷却速度低； (2)油在500℃～350℃间冷却速度最快。 (3)油在低温区（350℃下）冷速较慢。 (4)油在20℃～80℃使用，对工件冷速影响不大。 4．有机物的水溶液及乳化液。 ? 水的冷却能力很大，但冷却特性很不理想； ? 油的冷却特性比较理想，但其能确能力有小一些； ? 因此需要寻找冷却能力介于两者之间，而冷却特性又比较理想的介质。 ? 有机物的水溶液是较理想的淬火介质，即在水中加入有机物或矿物盐，改变（降低）水的冷却性能。
? 常用的有聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蚀剂。
? 工业生产中常用乳化液，是矿物油与水经强烈搅拌及振动而成。冷却能力可通过调
配浓度来调节。常用于表面淬火。
第三节 钢的淬透性
一.淬透性的概念及影响因素 1．概念：
钢材被淬透的能力，或者说淬火时获得马氏体 的能力。
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? 不同的钢种，淬透性是不同的，因此工件表面到内部的截面上淬成马氏体组织的厚
度也不同；
? 淬成马氏体组织的厚度越大，表示该钢中的淬透性愈高。
? 这种马氏体组织厚度通常称为硬化层厚度或淬透深度、淬硬层深度等。 2．淬透性与淬硬性的区别 （1）淬透性
? 概念：系指淬火时获得马氏体的难易程度；
? 影响因素：主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关或者说与钢的临界淬火冷却速度有
关，
? 淬透性是钢材本身固有的一个属性。 （2）淬硬性 ? 概念：是指淬成马氏体可得到的硬度， ? 影响因素：主要和钢中含碳量有关。 ? 淬硬性是钢淬火后获得马氏体的最高硬度。 工件淬硬层与冷却速度的关系 3．影响钢的淬透性的因素 (1)钢的化学成分 ① 过共析钢在正常淬火温度区间（低于Accm温度）加热 ? 含碳量低于1%的钢，随含碳量的升高，临界冷速降低，淬透性提高； ? 含碳量高于1%的钢，随含碳量的增加，单调下降,淬透性降低。 ② 钢在高于Ac3或Accm加热 随着含碳量的增加，临界冷速降低，淬透性增加。 ③合金元素的影响 除Co、Ti、Zr以外，大多数合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移，提高钢的淬透性。 2．奥氏体晶粒度的影响 奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高，奥氏体晶粒尺寸对珠光体转变的延迟作用比贝氏体的大。 3．奥氏体化温度 不仅可以促进奥氏体晶粒增大，而且可以促使碳化物及其它非金属夹杂物溶入，并使奥氏体成分均匀化，这将提高过冷奥氏体的稳定性，从而提高淬透性。 4．第二相的存在和分布 奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在，以及大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。 5．钢的原始组织的影响 ? 钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时，将会影响到奥氏体的均匀性，从而影响到钢的淬透性。
? 碳化物愈细小，溶入奥氏体愈迅速，从而有利于提高钢的淬透性。
第五节 确定淬火工艺规范的原则淬火工艺方法及应用
淬火工艺规范包括淬火加热方式、加热温度、加热时间、冷却介质及冷却方式等。 确定规范的依据
? 工件图纸及技术要求; ? 所用材料牌号; ? 相变点;
? 过冷奥氏体等温或连续冷却曲线;
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? 端淬曲线; ? 原始组织;
? 加工工艺路线。
一、淬火加热方式及加热温度的确定原则 1、加热方式
? 保护气氛或盐浴加热。 ? 装炉方式：
? 一般是热炉装料。
? 对尺寸较大，形状复杂高合金钢件采用预热（预热炉）或分段式加热炉加热。 2、淬火加热温度
主要根据钢的相变点确定。 亚共析钢加热温度为Ac3+30~50℃ ； 原因： ? 若在Ac1~Ac3加热，则得到A+F两相组织,淬火冷却后,铁素体保存下来，导致硬度不均匀,强度和硬度降低。 ? 若在Ac3以上30~50℃加热得到A组织，冷却后得到细小的马氏体，强度和硬度较高。 ? 若加热温度在在Ac3以上, 得到粗大的奥氏体晶粒，冷却后得到粗大马氏体，降低强度和硬度。 例题： 已知45钢，Ac1=730℃,AC3=780℃,试确定其淬火加热温度，并分析原因。 过共析钢Ac1+30~50OC 原因： ? 若加热温度在Ac1~Accm之间, 得到细小的奥氏体晶粒和未溶解碳化物,淬火后得到隐晶马氏体和颗粒状碳化物，提高强度、硬度和耐磨性。 ? 若加热温度高于Accm，碳化物溶解，得到粗大的奥氏体晶粒，并且含碳量增加； ? 一方面，淬火后得到粗大的片状马氏体（孪晶马氏体），显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。 ? 另一方面，由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。 例题： 已知T12钢，Ac1=730℃,ACcm=820℃,试确定其淬火加热温度，并分析原因。 ? 在工件尺寸大，加热速度快的情况下，淬火温度可取Ac3+50~80℃； ? 另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高的加热温度，细晶粒钢Ac3+100℃。 ? 形状复杂件，易变形工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。 ? 考虑原始组织时，
? 如果先共析铁素体比较大或珠光体片间距较大，为加速奥氏体的均匀化过程，淬火
温度取高一些。
? 对合金含量较高的钢，为加速合金碳化物的溶解，合金元素（均匀化）,采用较高的
淬火加热温度。
二、淬火加热时间的确定原则 τ=αD k
式中，τ为加热时间，单位min；α为加热系数，单 位min/mm；K:装炉修正系数；D:零件有效厚度，单位
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mm。
? α可查表得到，根据工件直径以及加热温度确定。 ? K: 依装炉量而定。通常为1.5~2.0 min/mm。 ? 工件有效厚度计算如下：
? 圆柱体取直径；正方形截面取边长；板件取板厚； ? 长方形截面取短边；套筒类工件取壁厚； ? 圆锥体取离小头2/3长度处直经； ? 球体取球径的0.6倍。 保温时间的确定
三、淬火介质及冷却方式的选择与确定
1、满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。 2、在被淬火钢的过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区冷却速度却又很缓慢。 3、淬火介质在使用过程中，应该稳定长期使用，存放；不易变质，价格低廉，来源丰富，无毒，无环境污染。 四、淬火方法及其应用 1．单液淬火法 ? 概念：把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却。如曲线a所示。 ? 特点： ? 操作简单； ? 易产生淬火应力，导致工件变形或开裂。 ? 适用条件： ? 适用于形状简单的碳钢，合金钢工件； ? 对碳钢直径大于3~5mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬； ? 各类合金钢则以油为常用淬火介质。 2．双液淬火法 ? 概念：把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近MS点，然后转入冷却能力弱的淬火介质中冷却至室温。如曲线b所示。 ? 特点： ? 保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度。 ? 可减小内应力及防止发生淬火开裂。 ? 分级淬火的停留时间难把握。 ? 说明：
一般用水做快冷淬火介质，用油或空气做慢冷淬火介质，但较少采用空气，在水中停留时间为每5~6mm有效厚度约1秒。
? 适用条件：
尺寸较大的碳素钢工件。 3．喷射淬火法
? 概念：向工件喷射水流的淬火方法。 ? 说明：
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热处理 第三章
