3.3　鋼的淬火

將鋼加熱到臨界點（A_c3或A_c1）以上，保溫一段時間，然后以大于v_臨的冷卻速度快冷至室溫，從而獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

淬火的目的主要是為了獲取馬氏體組織，以提高鋼的強度和硬度。淬火是強化鋼材最主要的熱處理方法。但由于M是亞穩定組織，并不是零件熱處理所要求的最后組織，鋼材在淬火后必須進行回火處理，才能充分滿足各種工具與結構件的使用性能要求。

3.3.1　淬火工藝

（1）淬火加熱溫度的選擇

鋼淬火溫度的確定主要是取決于鋼的成分，并且是根據Fe-Fe₃C相圖來選擇的。其中

亞共析鋼的淬火加熱溫度應選擇在A_c3以上完全奧氏體化后快冷，可獲得細小的馬氏體組織。如加熱溫度過高，則易引起奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體組織粗大，使鋼脆化；如加熱溫度選擇在A_c1～A_c3之間，組織中有一部分鐵素體存在，淬火冷卻中鐵素體不發生變化而保留下來，其將降低淬火鋼的硬度，影響鋼的力學性能。

而過共析鋼在淬火前已經做了球化退火處理，淬火加熱溫度選擇在A_c1～A_c3之間的不完全奧氏體化后快冷，可獲得細顆粒狀的Fe₃C彌散分布于M基體上，給組織起到良好的彌散強化作用，鋼呈現硬而耐磨、脆性小的性能特點。如將過共析鋼加熱到A_cm以上完全奧氏體化，高溫條件使Fe₃C完全溶入奧氏體，奧氏體含碳量增加，M_s點下降，淬火后殘余奧氏體量增多，降低了鋼的硬度與耐磨性。此外，因奧氏體晶粒粗大，淬火后所得M組織也粗大，顯微裂紋增加，增大鋼脆性及變形開裂傾向。

如圖3-15所示為T12鋼加熱到A_cm以上淬火后所獲取的帶有顯微裂紋的粗化M組織。

除了上述鋼的淬火加熱溫度選擇原則之外，對同一化學成分的鋼，由于工件的形狀和尺寸、淬火冷卻介質或淬火方法不同，因此淬火加熱溫度要考慮各種因素的影響，結合具體情況制定。

（2）淬火冷卻介質

1）理想淬火冷卻速度

前面我們介紹過，加熱到A狀態的鋼，冷卻速度必須大于臨界冷卻速度才能獲得要求的M組織。

由C曲線可知，要獲取M組織，并不需要全程都快速冷卻，關鍵在C曲線鼻尖處（奧氏體最不穩定），只要在650～400℃溫度范圍快冷，而在稍低于A₁點和稍高于M_s點處（過奧氏體較穩定）可放緩速度。在A₁～650℃緩冷，則減少了淬火冷卻中因工件截面內外溫度差引起的熱應力；特別是在400℃以下緩冷，有效降低M轉變過程中（工件內外體積膨脹差異）出現的組織應力，減輕工件變形和開裂傾向。如圖3-16所示為理想淬火冷卻速度。

2）常用淬火冷卻介質

常用的淬火冷卻介質，按冷卻能力由弱到強依次為油、水、鹽水、堿水等，它們冷卻的特性如表3-4所示。各冷卻速度值均根據有關冷卻速度特性曲線估算。冷卻速度特性曲線通常是用熱導率高的銀制球形試樣（?20mm），加熱后淬入冷卻介質中，利用熱電偶測出試樣心部溫度隨冷卻時間的變化，并經示波器顯示出來。

生產中，因水價廉安全，故常用于碳鋼的淬火（水溫度應<40℃）；鹽水主要用于形狀簡單的低、中碳鋼的淬火；堿水主要用于易產生淬火裂紋工件的淬火；機油、柴油、變壓器油只能用于低合金鋼和合金鋼的淬火。

（3）淬火方法

1）單液淬火法

單液淬火法是把加熱工件投入一種淬火冷卻介質中，一直冷卻至室溫的淬火方法，如圖3-17中a所示。單液淬火的特點是操作簡便，易實現機械化與自動化，但是總存在綜合冷卻特性不夠理想、易出現硬度不足或開裂等缺陷。

2）預冷淬火法

預冷淬火法是將加熱的工件從加熱爐中取出后，先在空氣中預冷一定的溫度，然后再投入淬火冷卻介質中快冷，如圖3-17中b所示。這種方法既可以保證獲得良好的淬火組織，又使熱應力大大減小，因此，它對防止變形和開裂有積極作用。

3）雙液淬火法

雙液淬火法是把加熱的工件先投入冷卻能力較強的介質中，當工件溫度降低到稍高于M_s點溫度時，立即轉入另一冷卻能力較弱的介質中，進行M組織轉變的淬火（如先水后油），如圖3-18所示。雙液淬火的關鍵是要控制好從第一冷卻介質轉入到第二冷卻介質的環節，溫度太高取出緩冷會發生非M轉變，達不到淬火要求；太低又會引起組織應力的產生，導致變形和開裂傾向增加。雙液淬火具有內應力小、變形開裂小，但操作不易掌握的特點，主要適用于碳素工具鋼制造的易開裂工件。

4）分級淬火法

將加熱的工件先投入溫度在M_s點附近的鹽溶或堿溶槽中，保溫一定時間，使工件內外溫度協調后取出空冷，以獲得M組織的淬火，稱為分級淬火（圖3-19）。分級淬火可以使淬火熱應力和組織應力減到最小，減小了變形與開裂的傾向。鹽溶或堿溶的冷卻能力較小，容易使A穩定性較小的鋼在分級過程中形成珠光體，故只使用于截面尺寸不大、形狀較復雜的碳鋼及合金鋼件，一般為直徑小于10～15mm的碳鋼工件及直徑小于20～30mm的低碳合金鋼工具，以及直徑小于20～30mm的低碳合金鋼工具。

5）等溫淬火法

等溫淬火法是把加熱的工件投入溫度稍高于M_s點的鹽溶或堿溶槽中，保溫足夠的時間，發生下貝氏體轉變后取出空冷。鋼等溫淬火后獲得下貝氏體組織，故又稱為貝氏體淬火。特點：淬火內應力很小，工件不易變形和開裂，而且所獲得的下貝氏體組織具有良好的綜合力學性能，強度、硬度、韌性也都較高，多用來處理形狀復雜，尺寸精度較高，且硬度、韌性也都很高的工件，如各種冷、熱沖模，成形工具和彈簧等。低碳貝氏體性能不如低碳M好，因此低碳鋼不適于進行等溫淬火。等溫淬火主要適用于中碳鋼以上的鋼。

3.3.2　淬火缺陷

熱處理生產中，由于熱處理工藝處理不當，常會給工件帶來缺陷，如氧化、脫碳、變形與開裂、過熱、過燒、硬度不足等。

（1）氧化與脫碳

氧化是因為鋼加熱介質控制不當，鋼與氧化性氣體作用而在工件表面形成一層松脆氧化皮的現象。氧化缺陷使鋼的力學性能和表面質量降低，甚至造成鋼耗損。

脫碳是鋼件表層的碳與加熱介質起作用而逸出，使鋼件表面含碳量降低的現象。脫碳會導致鋼件表層強度、硬度和疲勞強度降低，尤其是對于各種工具、彈簧、軸承等產生嚴重影響。

防止氧化、脫碳的措施：控制好爐內氣氛，可采用鹽浴爐、真空加熱爐、保護氣氛或給工件表面涂覆保護劑等。

（2）變形與開裂

淬火變形與開裂缺陷主要是淬火內應力引起的。當工件淬火時所承受的復合應力（熱應力+組織應力）大于材料的σ_s時，工件變形；復合應力大于材料的σ_b時，工件開裂。當變形不大時，可以通過校正來彌補缺陷；而變形過大或開裂的工件只能報廢。

（3）過熱和過燒

過熱是工件加熱溫度和保溫時間控制不當導致淬火后出現粗大的馬氏體組織的現象；其容易使鋼的微裂紋形成或嚴重降低淬火件的沖擊韌性，也易引起變形和開裂。過熱可以用正火予以糾正。

而當加熱溫度過高或保溫時間過長時，晶界氧化或部分熔化的現象稱為過燒。過燒后使淬火鋼脆性大大增加，工件只能報廢。

防止過熱和過燒的關鍵是正確選擇淬火加熱溫度，準確計算保溫時間。

（4）硬度不足

淬火回火后硬度不足一般是淬火加熱不足、表面脫碳、在高碳合金鋼中淬火殘余奧氏體過多或回火不足造成的。一般可以在重新退火或正火后，通過淬火處理來消除。

由上可知，工件的熱處理過程要側重控制：加熱介質環境；加熱溫度、時間；選材恰當、結構設計合理；冷卻介質和方法、減少內應力等。

3.3.3　鋼的淬透性

淬透性是鋼在規定的淬火條件下獲得淬硬層（M組織）深度的能力。不同的鋼有不同的淬透性，它是鋼本身的屬性。

用不同的鋼制成相同形狀和尺寸的工件，在同樣條件下淬火，鋼獲得淬硬層愈深則淬透性愈好，反之則淬透性愈差。

（1）影響淬透性的主要因素

凡是能夠增加過冷奧氏體穩定性的因素，或者說凡是使C曲線位置右移、減小臨界冷卻速度的因素，都能提高鋼的淬透性。即鋼的淬透性主要取決于鋼的v_臨。

鋼中含碳量對淬透性的影響：在亞共析成分范圍內，隨含碳量增加，C曲線右移，因此使鋼的臨界冷卻速度減小，使鋼的淬透性提高；過共析鋼隨含碳量增加，C曲線左移，鋼的臨界冷卻速度增大，淬透性降低。

合金元素對淬透性的影響：除鈷和鋁以外的合金元素能使C曲線右移，也就是說能降低臨界冷卻速度，使鋼的淬透性提高。

奧氏體化條件對淬透性的影響：奧氏體化溫度越高，成分越均勻，奧氏體越穩定，因此臨界冷卻速度越小，淬透性越高。

（2）淬透性的應用

鋼的淬透性是選用材料和制訂熱處理工藝規程的重要依據。材料淬透性好，工件整個截面都能被淬透，鋼件在回火后整個截面組織均勻，綜合力學性能好，對于選用緩和介質、防止工件變形和開裂、滿足大截面工件使用性能、發揮材料潛力起著關鍵性的作用。

機械中大截面、重載荷的零件，同時承受拉、壓應力或交變應力、沖擊載荷的連桿、鍛模、錘桿、彈簧等，應選用淬透性高的鋼；承受交變應力、扭轉應力、沖擊載荷和表面磨損的軸類零件，其表面受力大，心部受力較小，不需要全部淬透，可選用淬透性適中的鋼；而焊接結構件，為防止在焊縫和熱影響區出現淬火組織而導致開裂、變形，一般選用淬透性低的鋼。