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1、第二章 淬火与回火第二章 钢的淬火及回火重点：1、了解淬火及回火的目的、作用； 2、了解常用淬火介质的特点； 3、掌握淬火及回火的常用工艺方法。 意义：淬火如与不同温度的回火相结合，工件可得到不同的强度、塑性和韧性的配合，得到不同的应用。 2-1 淬火概念、目的及淬火的必要条件概念：将钢加热至临界点Ac1或Ac3以上某一温度，保温以后以大于临界冷却速度（Vk）冷却，以得到介稳定状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。主要目的：1、提高硬度、强度及耐磨性：工具、渗碳件、轴承及耐磨件等；2、获得良好的综合机械性能：结构钢件。如机床上的轴、齿轮，柴油机上的连杆、螺栓等；3、改善钢的特殊性能：如不锈钢
2、要求提高抗蚀性能；耐热钢希望提高高温强度；抗磨钢希望提高抗磨损能力；磁钢要求提高磁性等。图2-1碳钢的淬火温度范围必要条件：1.加热温度：必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织；亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上3050，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果温度过高，会因为奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，使钢的力学性能恶化，特别是使塑性和韧性降低；如果淬火温度低于Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。图2-1是碳钢的淬火温度范围。2、 冷却速度：必须大于临界冷却速度；3、 淬火后的组织：非平衡组织：大部分碳钢、合金钢得到M、B下；不锈钢、耐热钢、耐磨钢得到A（固溶处理）。
3、图2-2理想淬火介质冷却曲线 2-2 淬火介质（冷却介质、淬火剂、冷却剂）概念：为实现淬火目的所用的冷却介质。一 、对淬火冷却介质的要求必须有足够的冷却速度，其冷却能力即要保证工件的冷却速度不小于临界冷却速度，但同时冷却能力又不过大而导致工件变形及开裂。理想淬火介质：理想淬火介质要求如表2-1，理想淬火介质冷却曲线如图2-2。. 表2-1 理想淬火介质要求温度区（）对冷却速度要求从相变角度要求从减少应力、变形、开裂角度要求650650 400300中等（属于缓冷）大小不发生珠光体转变减少热应力，减少变形减少组织应力，减少变形开裂二、淬火冷却介质的分类及冷却机理 常用的淬火介质为液态介质（水、水
4、溶液或油），按工件淬火冷却过程中淬火介质有无发生物态变化可将其分为两类：有物态变化的和无物态变化的。1.无物态变化的淬火介质：主要靠冷却介质的辐射、传导与对流作用将赤热的工件中热量带走来实现的。属于这类介质有熔盐、熔碱与空气。影响因素：导热性介质导热性好，工件热量被迅速带走，说明冷却能力强； 比热比热大则工件热量被大量而迅速吸收，冷却能力强； 粘度粘度小，工件淬入后，流动性好的介质将工件热量迅速带走； 稳定若低，可吸收工件的大量热量，使工件快速冷却。2.有物态变化的：如果淬火件的温度超过淬火介质的沸腾或分解（裂化）温度，则淬火介质在淬火过程中要发生物态变化。属于这类淬火介质有水、水溶液与油。此
5、时钢件冷却过程分为三个阶段：蒸汽膜阶段：工件表面产生大量过热蒸汽，形成连续蒸汽膜紧紧包住工件，使工件与液体分开。蒸汽是热的不良导体，此阶段的冷却主要靠辐射传热，冷速较慢。沸腾阶段：继续冷却过程中工件温度不断降低，工件辐射量减少，当工件发热量少于淬火介质从蒸汽膜中吸收热量，即蒸汽的形成速度 蒸汽的冷凝速度，蒸汽膜逐渐减薄，最后破裂，即蒸汽阶段结束。同时工件与淬火介质直接接触，形成大量气泡逸出液体带走大量热量，即沸腾阶段。此阶段冷却速度较快。图2-3 淬火过程的冷却各阶段对流阶段：蒸汽阶段结束后，工件的冷却主要靠介质的对流和传导进行。因此时工件与介质间温差小，故冷速较慢。通常要求：* 蒸汽膜阶段不
6、要太长； * 沸腾阶段冷却应剧烈，使工件能迅速冷却，以避过转变的不稳定区域； * 对流阶段的开始阶段要稍高于马氏体转变点，使工件在马氏体转变的范围内冷却比较缓慢，以减少变形、开裂。影响淬火介质冷却能力的因素： 通常希望淬火介质特性温度高一些，沸点低一些，可以缩短蒸汽（膜）阶段与对流阶段；而加长沸腾阶段，就显示出淬火介质冷却能力大。特性温度与沸点低高低决定于淬火介质的性质与外界影响。影响淬火介质冷却能力的因素：（1） 本身内在因素：比热、汽化热、蒸汽压比热、汽化热越大，蒸汽压越低，意味着淬火介质的吸热能力越大，不易汽化；导 热 性导热性越好、淬火介质带走工件热量越容易；表面张力表面张力越小，湿润
7、性就越大，淬火介质越容易带走工件热量；粘 度粘度大，流动性差，不利于流动散热。因此，淬火介质比热和汽化热大、蒸汽压低、导热性好、表面张力小、粘度小，则淬火介质的冷却能力大。（2）外界因素：添加物对蒸汽膜稳定性表现出不同影响，一类是提高蒸汽膜的稳定性，另一类是降低蒸汽膜的稳定性： 提高蒸汽膜的稳定性：所有不溶或微溶于水的物质，如油、肥皂等。 降低蒸汽膜的稳定性：所有溶于水，形成水溶液的物质，如盐、碱等。 淬火介质温度水与水溶液温度升高时，蒸汽膜稳定性增加，特性温度降低，其冷却能力降低。 油温升高，将使油的粘度减小，流动性增加，冷却能力提高。搅拌搅拌可加速蒸汽膜破坏，提高淬火介质的冷却能力，并使冷
8、却趋于均匀，搅拌越均匀，冷却能力越大。工件投入淬火介质温度（淬火温度）降低工件投入淬火介质温度（相当于淬火过程的预冷）可缩短蒸汽膜阶段，但不影响沸腾阶段的冷却能力而工件采用预冷投入淬火介质有利于减少变形。淬火工件的尺寸工件尺寸增大，将使淬火介质的冷却能力降低。 工件表面状态工件表面覆盖一层盐壳或薄氧化膜，在冷却时加速蒸汽膜的破坏因而加快冷却，而厚氧化皮却使冷却速度降低。三、淬火介质冷却特性的测定工件淬火硬化的结果取决于钢的淬透性、淬硬性及工件在淬火介质中冷却的激烈程度。如果工件尺寸及所用钢材均不变，则淬火硬化结果就取决于淬火介质对工件淬火的能力，这种能力是用硬度变化的情况反映出来，称为淬火介质
9、的“淬硬能力”。淬火介质冷却能力常用的表示方法是用淬火烈度H（急冷度、冷却强度）规定静止水的淬火烈度H1，其它淬火介质的H由于静止水的冷却能力比较而得：表2-1 淬火烈度H值淬火介质、工件运动情况不同淬火介质的H值空 气油水盐 水淬火介质、工件不运动淬火介质、工件轻微运动淬火介质、工件适当运动淬火介质、工件较大运动淬火介质、工件强烈运动淬火介质、工件极强烈运动端淬喷水0.020.0500.250.300.300.350.350.400.400.500.500.800.800.100.91.01.01.11.21.31.41.51.62.04.02.502.0-55.023图2-4 银球探头法示
10、意图1.热电偶；2.淬火介质；3.银球 （cm1或in1）式中 钢的导热系数，W/（m ）； - 钢表面与淬火介质的热交换系数，W/(m2 )；对同一种钢来说，值一定，所以H反映了该种介质的冷却能力。冷却特性：般以试样冷却曲线或试样冷却至不同稳度时的冷却速度来表示。试样中心温度/时间（s）DCBAa）图2-5 具有物态变化的淬火介质冷却特性曲线示意图a）试样温度与冷却时间的关系； b）冷却速度与试样温度的关系试样中心温度（）冷却速度/sb）测试方法：“银球探头法”，图2-4：（试样形状：直径为20mm的银球，中心焊上热电偶热点，以测定铝球在淬火介质中冷却过程中的温度变化。之所以来用银球，系因银
11、的热传导系数极大，可以近似地把冷却过程中球表面的温度与球心温度看作是相同的，从而可能把球心温度看作冷却过程中与介质进行热交换的球表面温度。银球具有一定直径，使之在淬火前含有一定热量，般测试条件为：银球加热温度800，介质液量2升，流动速度25cms。图2-5为具有物态变化的淬火介质冷却时特性曲线示意图。图中曲线AB为蒸汽膜阶段，B点相当于蒸汽膜开始破裂的温度，称为该介质的特性温度，BC段相当于沸腾阶段，CD段相当于对流阶段。图b)为与a)对应的试样冷至不同温度时的冷却速度。）四、常用淬火介质及其冷却特性介质应具有的性能：有一定冷却能力；成分稳定不变质；粘度小、流动性好；无毒、无味；不腐蚀工件；
12、淬火后易清洗；来源广，价格低。常用淬火介质有：水及其溶液、油、水油混合液（乳化液）低熔点熔盐。a）静止水 b）循环水图2-6 水的冷却特性1.水来源广泛，价格低。水的汽化热：0 2500 kJ/kg 1002257 kJ/kg热传导系数20时，2.2 kJ/(m.h. )1） 水的冷却速度较大，尤其在400100之间为770/s.在高温区冷却速度较低，即奥氏体最不稳定区（650550）冷却速度静止水,增加水的搅拌(流动),使蒸汽膜的稳定性, 高温 冷却能力。2.碱或盐的水溶液水中溶入盐、碱可减少蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高，冷却能力大大提高。例如：10%食盐水及20、50%碱
13、水几乎没有蒸汽膜阶段，在650400的高温转变区冷速很大。优点：1）可获得高而均匀的硬度，防止软点产生； 2）对淬透性差的钢可获得较大的硬化层； 3）碱（NaOH）水能和已氧化的工件表面发生反应，呈银白色，外观美观。缺点：1）盐水对工件有腐蚀作用，淬火后必须清洗；2）碱水对人的皮肤有刺激作用，有刺激性气味，对工件和设备有腐蚀，所以不能广泛使用。3.油动植物油、矿物油动植物油是最早采用的冷却介质，虽然冷却能力较水差，但因其在马氏体转变区冷速较慢，所以较为理想。但其来源困难，价格高，且易变质（树脂化、浓缩等）使应用受限。矿物油从天然石油中提炼，如锭子油、机油等。是具有物态变化的淬火介质。特点：1）
14、沸点较高，且有一定温度范围（250400），比水高150350，使油对流传热阶段开始温度比较高，对流阶段范围较宽，而此范围在钢的M转变区；2）特性温度（500以上）比水（300左右）高。即油的冷却速度在500350最快；3）但油的高温区域的冷却能力较低。但由于它的沸点较高，与水比较其特性温度较高。油与水的冷却特性比较，油的特性温度较水高，在500350左右处于沸腾阶段，其下就处于对流阶段。这种冷却特性是比较理想的。对一般钢来说，正好在其过冷奥氏体最不稳定区有最快的冷却速度，如此可以获得最大的淬硬层深度，而在马氏体转变区有最小的冷却速度，可以使组织应力减至最小，防止淬火裂缝的发生。水虽然在高温区仍有比油高的冷却速度
