淬火以及淬火工艺

在箱式或井式电炉中加热时，与工件接触的介质是空气，其主要成 分中的氧以及少量存在的二氧化碳和水蒸气均可使工件氧化(主要在 650°C以上)，前二者还能使工件脱碳(钢件表面碳含量降低)。
8. 1. 3. 2液体介质

液体介质淬火加热经常在液体介质中进行，主要指采用盐浴加热。 它的优点是炉温较易控制、工件受热均匀、加热速度快、 工件不易氧化脱碳、变形小且易于局部加热等。但是，如 果不能及时除去盐中氧化性杂质，仍会使工件产生脱碳或腐蚀， 故必须对盐浴经常定期进行脱氧处理。
（1）化学成分是决定淬火温度最主要的因素。 碳钢的淬火加热温度： 亚共析钢为Ac3 +(30~50 °C)， 共析钢、过共析钢为Acl +(30~50 °C) 。

亚共析钢：
亚共析钢除进行 亚温淬火 时采用略低于Ac3的温度加热 外，一般都进行完全奥氏体化加热。




亚共析钢一般选择在Ac3以上淬火加热的原因： 如果低于Ac3，组织中会保留一部分先共析铁素体，淬火 后会出现软点，使硬度达不到要求。同时，由于这种组织 上的不均匀性，还可能影响回火后的机械性能。 为了不致引起奥氏体晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷， 温度还不能选得过高， 在原则上亚共析钢淬火加热温度定为Ac3 +(30~50 °C)。 一般在空气炉中加热比在盐浴中加热高10~30 °C，采用 油、硝盐淬火介质时，淬火加热温度应比水淬提高20 °C 左右。
第八章 淬火及淬火工艺
主要内容
1. 淬火加热 2. 淬火介质 3. 钢的淬透性 4. 淬火工艺 5. 表面淬火 6. 淬火缺陷
前

言1
淬火是热处理工艺中最重要的工艺。 从广义上说，淬火是将合金在高温下所 具有的状态以过冷、过饱和状态固定至室 温，或使基体转变成晶体结构与高温状态 不同的亚稳状态的热处理形式。
言4
淬火工艺分类
按加热温度分：完全淬火、不完全淬火和亚温淬 火等; 按加热介质分：空气加热淬火、可控气氛加热淬 火、真空加热淬火、盐浴加热淬火、铅浴加热淬 火、流动粒子加热淬火等; 按冷却方式分：单液淬火、双液淬火、预冷淬火、 分级淬火以及等温淬火等; 按冷却介质分：空冷淬火、气冷淬火、风冷淬火、 水冷淬火、油冷淬火、盐水淬火、热浴淬火、喷 液淬火、喷雾淬火等; 按淬火部位分：整体淬火、局部淬火、表面淬火 等。
温度为760~780°C，而采用硝盐浴分级淬火时，常选 为800~820°C )

(4)奥氏体晶粒长大倾向 对奥氏体晶粒不易长大的本质细晶粒钢，其淬 火加热温度范围较宽，所以为了提高加热速度， 缩短整个处理周期，可适当提高其淬火温度。
8. 1. 2加热时间的确定

加热与保温时间由工件入炉到到达指定工艺温度 所需升温时间(τ1 )、透热时间(τ2 )及组织转变所需 时间(τ3)组成，即τ=τ1+τ2+τ3 τ1+τ2由设备功率、加热介质及工件尺寸、装炉 数量等因素决定，τ3则与钢材的成分、组织及热 处理技术要求等有关。普通碳钢及低合金钢在透 热后保温5~15min即可满足组织转变的要求，合 金结构钢透热后应保温15~25min。 高合金工具钢、不锈钢等为了充分溶解原始组织 中的碳化物，应在不使奥氏体晶粒过于粗化的前 提下，适当提高奥氏体化温度，以缩短保温时间。
常用的盐浴成分及其正常使用温度见表8. 5。
8. 1. 3. 3固体介质


流态床加热采用固体粒子(石墨、石英砂或刚玉等)作为加 热介质。当通人一定流速的气流时，粒子就会呈悬浮状像 流体一样地运动，在粒子堆表面呈沸腾状态，内部粒子则 呈快速湍流运动，这种称为粒子被流态化。通过电加热使 流动粒子很快被加热到所需温度，靠它们来加热工件。 使用这种加热介质的炉子名称曾很多，如流动粒子炉、流 化床、流态床或沸腾层炉等，目前国家标准中称之为流态 床。采用这种加热介质的优点很多:①升温快(20多分钟可 升至850°C )，炉温较均匀且易控制;②使用温度范围广 泛(高、中、低温均可);③工件处理后表面无氧化脱碳;④ 启动方便，节省电能等。但它还存在一些缺点，如工作电 压较高(60~80V)，有粉尘逸出，炉子生产能力较小等，均 待进一步改进。
8. 2. 4 影响淬火介质冷却能力的因素
8. 2 淬火介质


冷却也是淬火的重要工序。变形、开裂、 硬度不足等不少淬火缺陷往往是因冷却介 质和冷却方法选择不当所造成的。因此， 对淬火介质的选择，一直是热处理工作者 所重视的问题。 淬火介质 理想的淬火介质应具备的条件是 使工件既能淬成马氏体，又不致引起太大 的淬火应力。
8. 2. 2在无物态变化的介质中的冷 却过程





介质在淬火过程中不发生物态变化，如熔盐、熔碱、 熔融金属及气体等。 工件的冷却主要靠辐射、对流和传导来进行，而介质 本身并不气化。 在工件冷却的全部过程中，决定冷却速度的主要因素 是工件与介质的温差，温差越大，冷却速度越快。 工件刚进人介质时，温差最大，因而立刻达到最高冷 速，此后随温差的减小，冷却速度也逐渐变小。在这 类介质的冷却曲线上，没有表明冷却速度明显加快或 减慢的转折，即整个冷却过程中冷却速度是平缓降低 的。 此外，介质本身流动性的好坏也是影响其冷却速度的 重要因素。流动性好，则冷却速度大。
工件在它们 中的冷却过 程一般分为 三个阶段




(1)蒸汽膜阶段(图中AB段)当工件刚进人介质的瞬间，周围 介质立即被加热而汽化，形成一层工件表面蒸汽膜。这层 蒸汽膜是热的不良导体，它阻断了工件和冷却介质的接触， 所以在这个阶段工件的冷却速度较慢。 (2)沸腾阶段(图中BC段)当工件表面产生的蒸汽量少于蒸汽 从表面逸出的量时，工件表面的蒸汽膜就会破裂，工件与 介质直接接触，介质在工件表面剧烈沸腾，不断逸出气泡， 带走大量热量，使工件冷速骤增。泡状沸腾阶段是工件冷 却速度最大的阶段。 (3)对流阶段(图中CD)当工件的温度降到冷却介质的沸点以 下时，沸腾便停止，进人对流冷却阶段。在此阶段，工件 的冷却速度比蒸汽膜阶段还要慢，而且随工件表面与介质 的温差不断减小，其冷速越来越小。 冷却过程三个阶段有两个转换点B和C。 B点对应的温度称为介质的特性温度，是稳定的蒸汽膜破 裂时的温度; C点对应的温度是介质对流阶段的开始温度，一般为介质 的沸点温度。
合金能否淬火可由相图确定。如果合金在相图 上有多型性转变或固溶度改变，这些合金就可 以淬火。 淬火通常要快冷，以抑制扩散型相变。


前

言2
根据淬火时合金组织、结构变化的特点， 可将淬火分为两类, 两类淬火本质上有很 大差别。
(1) 无多型性转变合金的淬火：固溶处理;
以铝合金为代表
(2) 有多型性转变合金的淬火：淬火。
(2)工件形状
对形状复杂、容易变形或开裂的工件，应在保证性能要 求的前提下，尽量采用较低的淬火温度。

(3)淬火介质与淬火方法 采用冷却能力很强的淬火剂时，为减小应力可 适当地降低淬火温度。 (对同一种钢制的工件，水
淬可比油淬时的淬火温度低10~20°C)

采用等温淬火或分级淬火时，因所用热浴的冷 却能力差，故应适当提高淬火温度以保证工件 淬硬 。(T10钢制工件，如果用水或盐水淬火，其淬火

过共析钢： 过共析钢一般选择在Ac1+(30~50 °C)加热
过共析钢在淬火加热以前，都要经过球化处理(如有网状 渗碳体存在，则应先正火予以消除，然后再加热淬火)， 故加热至Ac1以上时，其组织是奥氏体和一部分未溶的粒 状碳化物。淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶碳化物被 保留下来，这不但不会降低钢的硬度，反而对提高耐磨性 有利。 如果把过共析钢加热到Acm以上，从单相奥氏体状态淬火， 结果不但无益，反而有害，原因如下。
8. 2 淬火介质
8. 2. 1 在有物态变化的介质中的冷却过程 8. 2. 2 在无物态变化的介质中的冷却过程 8. 2. 3 常用的淬火介质
8. 2. 3. 1 水 8. 2. 3. 2 盐水和碱水 8. 2. 3. 3 淬火油 8. 2. 3. 4 高分子聚合物淬火介质 8. 2. 3. 5 盐浴 8. 2. 3. 6 气体 8. 2. 3. 7 流态床
除了上述根据临界点选择淬火温度的原则以外， 在实际生产中还必须结合以下诸因素全面考虑， 灵活运用，并应根据具体实验来确定。 (1)工件尺寸
对同一钢种所制的工件，如果尺寸小，则应采用较低的 淬火温度;反之，大工件则应采用较高的淬火温度。因 为小工件加热快，温度高可能引起棱、角处过热和增大 变形，故淬火温度应取下限。大工件加热较慢，温度低 容易造成加热不足及延长工时，故应适当提高淬火温度。
因其冷却特性的不同，直接影响工件 的冷却速度。

8. 2. 1在有物态变化的介质中的冷 却过程


介质在淬火过程中要发生物态变化，如 水、水溶液及油类等。其特点是沸点较 低，工件的冷却过程伴随着淬火介质的 汽化，因而从工件表面吸收了大量的热 量，加速了工件的冷却。 汽化是决定这类介质冷却物性的主要因 素。

低合金钢：
淬火温度也应根据其临界点(Ac1及Ac3)来 选定，但考虑到合金元素的作用，为了加 速奥氏体化， 过共析低合金钢：Ac1+(50~110 °C) , 亚共析低合金钢：Ac3+(30~100 °C); 高速钢、高铬钢及不锈钢应根据合金碳化 物溶入奥氏体的程度选定。一般高速钢的 淬火加热温度比其Ac1高出30°C以上。



要求在C曲线的“鼻子” 以上温度缓冷，以减小 急冷所产生的热应力; 在“鼻子”处冷速要大 于临界冷却速度，以保 证过冷奥氏体不发生非 马氏体转变; 在“鼻子”下方，特别 是MS点以下温度时，冷 速应尽量小，以减小组 织转变的应力。


生产中实际使用的淬火介质可分为两 大类: 一类是工件在冷却过程中会发生物态 变化的介质; 另一类是不发生物态变化的介质。



低碳马氏体钢淬透性较低，应提高淬火温 度以增大淬硬层; 中碳钢及中碳合金钢应适当提高淬火温度 来减少淬火后片状马氏体的相对含量，以 提高钢的韧性; 高碳钢采用低温淬火或快速加热可限制奥 氏体固溶碳量，而增加淬火后板条马氏体 的含量可减少淬火钢的脆性。 过热敏感性强(如锰钢)及脱碳敏感性强的钢 (如含钼钢)，不宜取上限温度。



原因如下：
(1)奥氏体中溶人碳量的增加使MS点降低，淬火后所得的 残余奥氏体量将增多，结果使淬火钢的硬度下降; (2)奥氏体的晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，使钢的脆 性大为增加; (3)空气介质加热时钢的脱碳氧化严重，降低淬火钢的表面 质量;
(4)增大淬火应力，从而增大工件变形与开裂的倾向。
生产实践表明，传统的加热时间计算偏于保守，可依具体情 况适当缩短。
8. 1. 3加热介质的选择
工件的加热是在一定介质中进行的。采用不同的加热设备，与工件 接触的介质也就不同。目前常用的加热介质有空气、盐浴、石墨
或三氧化二铝等固体粒子、气体燃烧产物、可控气氛以 及稀薄气体(真空)等。
8. 1. 3. 1空气
以钢为代表
前 言3
从狭义上说，淬火就是把钢件加热到临界温度(Ac3 或Ac1)以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以 大于临界冷却速度的冷速冷却，从而获得马氏体或 (和)贝氏体组织的热处理工艺
钢淬火的目的主要是提高钢的硬度、强度、耐磨性 等，以及与各种回火工艺配合提高钢的强韧性或弹 性等。
前





8.1 淬火加热
8. 1. 1 淬火加热温度 8. 1. 2 淬火加热时间 8. 1. 3 淬火加热介质
8.1.1 淬火加热温度的确定

确定淬火温度的依据
(1)钢的化学成分(临界点Ac1及Ac3); (2)工件的尺寸、形状与技术要求; (3)奥氏体的晶粒长大倾向; (4)采用的淬火介质与淬火方法。


计算加热时间的经验公式一般以工件“有效厚度”乘以加热系 数，即 τ =αkD 式中τ——保温时间，min; α—保温时间系数，min/mm; k—工件装炉方式修正系数; D—工件有效厚度，mm。
保温时间系数可从表8. 2查出，装炉方式修正系数见表8. 3， 图8.4为工件有效厚度计算实例，形状复杂的工件可分别按工作 部位几何尺寸的最大厚度确定D值。 表8.4列出了工模具钢在盐浴及气体介质炉中的加热时间。