热处理 第三章

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；
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。

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。

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。

⏹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。

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;
⏹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
●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
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
●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：
●水流可大可小，视所要求的淬火深度而定；
●用此法，不会在工件表面形成蒸汽膜，能保证比普通水中淬火更深的淬硬层；
●水流应细密，工件上下运动或旋转。

⏹适用条件：
●主要用于局部淬火。

4．分级淬火法
⏹概念：把工件由奥氏体化温度淬入高于该钢种的马氏体开始转变温度的淬火介质
（盐浴或碱浴炉）中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓冷至室温，发生马氏体转变。

如曲线C所示。

⏹特点：
将淬火零件重新加热到低于临界点某一温度，保温后空冷到室温的热处理工艺称为回火。

回火时的转变称为回火转变。

2、回火原因
淬火后得到的是马氏体或马氏体与残余奥氏体，在室温下为亚稳定状态，都趋于向铁素体加渗碳体（碳化物）的稳定状态变化。

3、回火目的：
●减少或消除内应力，放止变形和开裂；
●获得稳定组织；
●提高塑性、韧性，获得硬度、强度、塑性与韧性的适当配合。

一、淬火钢在回火时的组织转变
(一)、马氏体中碳原子的偏聚
●马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，存在于体心立方扁八面体中的碳原子将使
晶体点阵产生严重畸变，使马氏体处于不稳定状态。

●为了降低能量，在100℃左右，碳原子就偏聚于位错或孪晶界面，或板条界，形成
微小的碳的富集区。

例如：含碳0.21%的Fe-C合金，奥氏体化后淬火，150℃回火10分钟，用原子探针测得α基底含碳0.03 %，而板条马氏体的条界碳含量为0.42 %，说明淬火或回火过程中，碳偏聚于板条。

(二)、马氏体的分解
渗碳体迅速聚集并粗化。

●在碳化物聚集长大的同时，α相状
态在不断变化。

●当回火温度为400～600℃时，由
于马氏体分解、碳化物转变以及聚
集长大，使α相的晶格畸变大大减
少，因此残余应力基本消除。

碳
含量为0.3%钢回火时第一类内应力的变化
●在回火过程中，α相也会发生回复与再结晶。

⏹在400℃以上时，开始回复，即板条界的位错通过攀移、滑移而消失。

位错密度下
降，板条合并、变宽。

⏹当亚结构为孪晶时，经400℃回火后也消失，但片状特征仍存在。

⏹在600℃以上时，开始再结晶，位错密度低的板条块长大，形成多边形（等轴）铁
素体晶粒和粗粒状碳化物的机械混合物，称为回火索氏体。

⏹孪晶马氏体在600℃以上回火时，片状特征也消除，得到回火索氏体。

总结：
淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的组织：
●350℃以下回火，得到针状α相+ ε碳化物，即回火马氏体(碳化物存在于板条或片
硬度为25--35HRC.
●组织：回火索氏体。

●应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。

淬火加随后的高温回火也称为调质处理。

中碳钢（0.4％～0.6％C）亦称为调质钢。