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1、第三章 淬火与回火,3.1 钢的淬火与分类,一、淬火的定义 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 共析钢的淬火冷却工艺,二、淬火的目的 组织：M或M+B 性能：高硬度、高强度、高耐磨性 三、淬火的分类 加热温度：完全淬火、不完全淬火 加热速度：普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火 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 淬火部位：整体淬火、局部淬火
2、、表面淬火 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）,四、淬火的必要条件 1、加热温度必须高于临界点以上(即亚共析钢Ac3，过共析钢Ac1)，以获得奥氏体组织。 2、冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。 说明： 1、低碳钢水冷往往只得到珠光体组织，此时就不能称作淬火，只能说是水冷正火。 2、高速钢空冷可得到马氏体组织，则此时就应称为淬火，而不是正火。,3.2 淬火介质,一、理想淬火介质： 根据过冷奥氏体
3、等温转变图(图3-11)可知，650C时奥氏体较为稳定，650-400C时奥氏体最不稳定，400C时奥氏体也较为稳定。理想淬火介质应在650C以上的高温区冷却缓慢以减少变形，在650-400C的中温区冷却很快以避免不稳定奥氏体的分解，在400C以下的低温区冷却缓慢以避免工件变形和开裂，这是选择淬火介质的依据。,二、淬火介质冷却能力的评价 直接法： 采用20mm银球或10*25mm或银探头，几何中心为热电偶，加热到800-900，淬入淬火介质，测量冷却曲线T-t。 间接法： 端淬试验,三、淬火介质分类： 根据物理特性，淬火介质可分为如下两大类： (1) 淬火时发生物态变化的淬火介质：包括水、油和
4、水溶液等，其沸点远低于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中后会汽化沸腾，使工件强烈散热，此外，在工件与介质的界面上还可以以辐射、传导、对流等方式进行热交换。 (2) 淬火时不发生物态变化的淬火介质：包括各种熔盐、熔融金属等，其沸点高于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中时不会汽化沸腾，而只以辐射、传导和对流的方式进行热交换。,四、有物态变化的淬火介质： 1冷却特性与冷却机理 其冷却过程大致可分为三个阶段： (1) 蒸汽膜阶段 (2) 沸腾阶段 (3) 对流阶段 冷却过程演示,2.常用淬火介质 水、油,图3-13 水的冷却特性 a)静止水 b)循环水,3淬冷烈度 为了比较不同介质对工件的冷却能力
5、，规定以18C静止水的冷却能力作为标准，定义其淬冷烈度H1。如果H1，则表示其冷却能力比静水大；若H1，则表示其冷却能力比静水小。,五、无物态变化的淬火介质： 这类淬火介质主要指熔盐、熔碱及熔融金属，多用于分级淬火及等温淬火。这类介质的传热方式是传导和对流，因此其冷却能力除取决于介质本身的物理性质（如比热容、导热性、流动性等）外，还和工件与介质间的温度差有关。工件温度较高时，介质的冷却速度很高，工件温度接近介质温度时，冷却速度迅速降低。,3.3 淬透性,一、淬透性的基本概念 1、淬透性：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
6、，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。,图3-2 零件截面上各处的冷却速度 与未淬透区示意图,b,a,2、淬硬性：理想条件下淬火时所能达到的最大硬度。 3、淬透深度：以50%马氏体区为基准，在一定条件下淬火所能达到的最大深度。,二、淬透性的评价方法 1、U曲线法：用长度为直径的4-6倍的一组直径不同的圆棒试样，按规定条件淬火，然后从试样中间截断，磨平后沿中心十字线测硬度，并将测定结果绘成硬度分布曲线（图3-6）。淬透性大小可用淬透层深度h或用未淬透心部的直径DH与试样直径D的比值DH/D来表示。图3-6 U曲线法示意图 U曲线法大多用于结构钢，优点是直观、准
7、确，与实际工件淬火情况接近；缺点是繁琐、费时，对大批量的生产检验来说不适用。,b,a,2、临界直径法：如果试样中心硬度高于（等于）半马氏体区硬度，就可以认为试样被淬透。则用上述U曲线法评定时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时能够淬透（达到半马氏体区硬度）的临界直径。小于此直径时全部可以淬透，而大于此直径时就不能淬透。这个临界直径用D0表示。相同淬火介质中的D0值，就可以表示不同钢种的淬透性。,b,a,3、理想临界直径法：假设淬火介质的淬冷烈度H为无穷大，即试样淬入冷却介质时其表面温度可立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透（形成50马氏体）的最大直径称为理想临界直径Di。Di取决于钢的成分，
8、而与试样尺寸及冷却介质无关，它是反映钢淬透性的基本判据。该数值在工程应用时作为基本换算量，从而使各种淬透性评定方法之间，以及不同淬火介质中淬火后的临界直径之间建立起一定的关系。图3-7是理想临界直径Di与一定淬火介质中淬火时的临界直径D0之间的换算图表。,b,a,已知某种钢的理想临界直径Di为50mm，如换算成在油淬（淬冷烈度H0.4）时的临界直径D0，可从H0.4时所对应的坐标上查出D0为20 mm。,4、端淬试验 （1）试验方法：端淬试验所用试样为25100 mm的圆柱形试样，将试样加热奥氏体化后放到端淬试验台上对其下端喷水冷却。喷水柱自由高度为65mm，喷水管口距试样末端为12.5 mm
9、，水温为10-30C。待试样全部冷透后，将试样沿轴线方向在相对180的两边各磨去0.2-0.5 mm的深度，获得两个互相平行的平面，然后距水冷端1.5 mm处沿轴线测定洛氏硬度值，当硬度下降缓慢时可以每隔3mm测一次硬度。将测定结果绘成硬度分布曲线，即钢的淬透性曲线。,b,a,图3-8 端淬试验与淬透性曲线 a)试样与装置 b)淬透性曲线,（2）淬透性曲线：钢的淬透性以J来表示，d为至水冷端的距离，HRC为在该处测定的硬度值。如J 40/6 ，表示距水冷端6 mm处试样的硬度值为40 HRC。由于钢中成分波动，所以每一种钢的淬透性曲线上都有一个波动范围，称为淬透性带。,b,a,图3-8 端淬试
10、验与淬透性曲线 a)试样与装置 b)淬透性曲线,（3）淬透性曲线的物理意义：,b,a,图3-8 端淬试验与淬透性曲线 a)试样与装置 b)淬透性曲线,图3-1 共析钢的淬火冷却工艺,三、淬透性曲线的应用 1根据淬透性曲线求圆棒工件截面上的硬度分布 。,b,a,2根据工件的硬度要求，用淬透性曲线协助选择钢种与热处理工艺 。如用40MnB钢制造45mm的轴，要求淬火后在3R/4处有80的马氏体组织，而在R/2处的硬度不低于40HRC，问油淬是否合适? 首先由图3-3查得wc为0.4的钢淬火后具有80马氏体组织时，硬度值为45HRC。然后，根据图3-9b从纵坐标上直径为45mm处作一水平线，分别找出
11、它在3R/4、R/2处的交点的横坐标即对应的端淬试样上的距离，再从40MnB钢的端淬曲线（图3-10b）上找出对应的硬度值。可见，油淬不能满足要求，如水淬，则满足要求。如果水淬仍不能满足要求，则必须改用淬透性更好的材料。,b,a,3.4 淬火工艺,一、淬火加热规程 1淬火加热温度：确定淬火加热温度最基本的依据是钢的成分，即临界点的位置（Ac1、Ac3）。亚共析钢淬火加热温度是Ac330-50C，共析钢和过共析钢淬火加热温度是Ac130-50C，这是因为在这样一个温度范围内奥氏体晶粒较细并溶入足够的碳，因此，淬火后可以得到细晶粒的马氏体组织。,2淬火加热时间： 生产中常用“加热系数”来估算加热时
12、间，该时间按工件入炉后仪表指示到指定温度时开始计算：tKDeff 式中， 为加热系数；Deff为工件有效厚度；K为与装炉量有关的系数，一般为1-1.5。,3淬火冷却规范： 单液淬火 预冷淬火 双液淬火 喷雾淬火 喷射淬火 分级淬火 等温淬火 冷处理,3.5 回火,当钢全淬成马氏体再加热回火时，随着回火温度升高，按其内部组织结构变化，分四个阶段进行： 1）马氏体的分解；2）残余奥氏体的转变；3）碳化物的转变；4）F相状态的变化及碳化物的聚集长大 二次硬化：当钢中含有较多的碳化物形成元素时，在回火第四阶段温度区(约为500550)形成合金渗碳体或者特殊碳化物。这些碳化物的析出，将使硬度再次提高，称
13、为二次硬化形象。 回火目的：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。,一、碳钢的回火特性 淬火钢回火后的力学性能，常以硬度来衡量。 在未完全淬透情况下，沿工件截面硬度差别随着回火温度的提高及回火时间的延长而逐渐减小合金钢的回火特性，基本和碳钢类似。但对具有二次硬化现象的钢则不同，也不能简单地用M参数来表征回火程度。,二、回火工艺的制订 1 回火温度的选择和确定 (1)低温回火(低于250)： (a)工、量具的回火 一般工具、量具要求硬度高、耐磨，足够的强度和韧性。此外，如波动轴承，除了上述要求外，还要求有高的接触疲劳强度，从而有高的使
14、用寿命。对这些工、量具和机器零件一般均用碳素工具钢或低合金工具钢制造，淬火后具有较高的强度和硬度。其淬火组织主要为韧性极差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和较多的微裂纹，故应及时回火。这类钢一般采用180-200的温度回火。在200回火能使挛晶马氏体中过饱和固溶的碳原子沉淀析出弥散分布的碳化物，既可提高钢的韧性，又保持钢的硬度、强度和耐磨性；在200回火大部分微裂纹已经焊合，可大大减轻工件脆裂倾向低温回火以后得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度为HRC(61-65)。,(b)精密量具和高精度配合的结构零件 在淬火后进行120150 (12小时，甚至几十小时)回火目的是稳
15、定组织及最大限度地减少内应力，从而使尺寸稳定为了消除加工应力，多次研磨，还要多次回火。这种低温回火，常被称作时效。 (c)低碳马氏体的低温回火 低碳位错型马氏体具有较高的强度和韧性，经低温回火后，可以减少内应力，进一步提高强度和塑性。因此，低碳钢淬火以获得板条(位错型)马氏体火目的，淬火后均经低沮回火。,（2）. 中温回火(350-500) 主要用于处理弹簧钢。回火后得到回火屈氏体组织中温回火相当于一般碳钢及低合金钢回火的第三阶段温度区。此时，碳化物已经开始集聚，基体也开始恢复，第二类内应力趋于基本消失，因而有较高的弹性极限，又有较高的塑性和韧性。 应该根据所采用的钢种选择回火温度以获得最高弹
16、性极限，以及与疲劳极限良好的配合例如65碳钢，在380回火，可得最高弹性极限；而55SiMn在480回火，可获得疲劳极限，弹性极限及强度与韧性的良好配合为了避免第一类回火脆性，不应采用在300左右的温度回火。,（3）. 高温回火(500) (a)调质处理 即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织。这种处理称为调质处理，主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢以获得良好的综合机械性能。一般调质处理的回火温度选有600以上。与正火处理相比，钢经调质处理后，在硬度相同条件下，钢的屈服强度、韧性和塑性明显地提高。 (b)二次硬化型钢的回火 对一些具有二次硬化作用的高合金风，如高速钢等，在淬火以后，需要利用高温回火来获得二次硬化的效果。从产生二次硬化的原因考虑，二次硬化必须在一定温度和时间条件下发生，因此有一最佳回火温度范围，此需视具体钢种而定。,2 回火时间的确定 回火时间应包括按工件截面均匀地达到回火温度所需加热时间以及按M参数达到要求回火硬度完成组织转
