关于对淬火与回火的认识

关于对淬火与回火的认识

1、淬火基本知识

1.1、淬火的定义

淬火就是把钢件加热到临界点Ac1或Ac3以上，经保温快速冷却，使得奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。

1.2、淬火加热温度

加热温度以钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒，淬火后获得细小马氏体组织。

亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30～50℃。高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内，故称为完全淬火。若亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度，，即为不完全(或亚临界)淬火，常温组织不能完全奥氏体化，则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体，降低钢的硬度；加热温度过高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体组织，使脆性增大，且淬火时工件易变形甚至产生淬火裂纹。

过共析钢加热温度为Ac1温度以上30℃～50℃。这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这些组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢，若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。淬火后，粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加，微裂纹增多，零件的变形和开裂倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。

1.2.1合金钢

①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如钛、铌等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果。

②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如锰等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。

1.3、淬火冷却

1.3.1、理想冷却

理想冷却是指工件在冷却过程中，希望其在冷却时保证在C曲线的弯曲处（鼻型区域处）的冷却速度大于临界冷却速度（保证工件能完成马氏体转变的最低速度），防止奥氏体发生珠光体或贝氏体转变。而在其他温度范围，冷却速度应该慢些，尤其是在马氏体转变温度期间（Ms—Mf之间）则尽可能慢些，以保证工件能完成马氏体转变而淬硬。同时又可避免过大的热应力和组织应力。

理想冷却曲线如图1-1所示

图 1-1 理想冷却曲线

1.3.2、淬火冷却介质

淬火最常用的冷却介质：水。

水是最常用且又最经济的淬火冷却介质，水的化学稳定性高、热容量大，沸点低，其汽化热随着温度的升高而降低，故水温升高水的冷却能力下降。水相对于其他冷却介质来讲，冷速较快。在C曲线的弯曲处，很显然的大于冷却速度不至于发生A→P的转变，而在300℃以下由于冷速较快会使钢内应力过大，且奥氏体向马氏体转变不充分，使得残余奥氏体过多而影响钢的性能。此缺陷可以通过降低水量来进行缓解。一般水的淬火温度在40℃以下，超过70℃就不能淬火了，此时淬火马氏体转变不充分，且出现大量的软点，即残余奥氏体含量大大增加。其中淬火效果最好应保证水温在21℃左右。

1.3.3、淬火冷却的三个阶段

(1):蒸汽膜阶段：

经过加热后的钢件投入淬火介质中，一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。由于工件是不良导体，这阶段的冷却主要靠辐射传热，因此，冷却速度较慢。

（2):沸腾阶段：

进一步冷却时，工件表面温度降低，工件放出热量愈来愈少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，以致使液体在这些地方和工件直接接触，形成大量气泡溢出液体，由于介质的不断更新，带走大量热量，所以这阶段的冷却速度较快。

（3):对流阶段：

当工件表面的温度降低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形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。

对无物态变化的介质，淬火冷却主要靠对流散热，在工件温度较高时辐射散热也由很大比例，也存在传导散热。

其中水的冷却特性除了以上的几点外，另有以下几个方面：

①：水温对冷却特性影响很大，随着水温的升高，水的冷却特性降低，特别是蒸汽膜阶段延长，特性温度降低；

②：水的冷却速度快，特别是在40℃～100℃温度范围内的冷却速度特别快；

③：循环水的冷却能力大于静止水的，特别是蒸汽膜阶段的冷却能力提高的更多。

1.3.4、淬火冷却后的组织—马氏体

（1）马氏体的组织特点

马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，α—Fe是体心立方点阵，其最大溶碳量仅为0.02%，当发生马氏体转变时，奥氏体中的碳原子全部保留在马氏体的点阵中。碳的过饱和使α—Fe的晶格发生畸变，使体心立方晶格变成体心正方晶格，而晶格常数也发生相应的变化，使c/a大于1，该比值随马氏体的含碳量的增加呈线性增大。c/a越大，马氏体的比容越大，由奥氏体转变为马氏体时的体积变化越大。同时这也是高碳钢淬火时容易发生变形和开裂的原因之一。

（2）马氏体性能特点

马氏体具有高硬度，高强度，但塑性韧性较低，其硬度随着含碳量的增加而增高。高碳马氏体硬而脆，若有适当的碳化物配合，则具有很高的耐磨性。中碳马氏体经适当的回火后具有良好的机械性能。低碳马氏体具有十分突出的综合机械性能。

（3）马氏体对钢强化的原因

马氏体是过饱和固溶体，其存在将引起晶格畸变，增大金属对塑性变形的抗力；马氏体的比容明显大于奥氏体，在马氏体转变时产生很大的内应力，引起加工硬化；马氏体内部存在大量的孪晶界、位错和其他晶体缺陷，引起淬火强化。（4）马氏体的分类

Ⅰ、板条马氏体

①、内部组织：呈束状组织，每一束内有条，条与条之间以小角度晶界分开，而束与束之间有较大的夹角；

②、碳含量以及亚结构：C＜0.3%生成板条马氏体，亚结构为位错；

③、性能特点：具有高强度而且具有较高的韧性，并具有较低的冷脆转化温度；

④、形成温度的影响：Ms点越高越容易形成板条马氏体；

⑤、其他称谓：块状、位错、高温、群集状马氏体

Ⅱ、片状马氏体

①、内部组织：呈细针状或竹叶状片与片之间以一定的夹角相交；

②、碳含量与亚结构：C＞0.6%生成片状马氏体，亚结构为孪晶；

③、性能特点：具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大；

④、形成温度的影响：Ms点越低越容易形成片状马氏体；

⑤、其他称谓：针状、透镜状、孪晶、低温马氏体；

其中板条马氏体的含量与Ms点关系图如图1-2所示。

从图中不难看出板条马氏体的含量随着Ms点的降低而减少，其中C含量越高Ms点越低。也即C含量越高板条马氏体越少，随之产生的是片状马氏体。另外是残余奥氏体的含量C含量越高，残余奥氏体的含量就越多。以此不难得出高碳钢残余奥氏体的含量要明显高于低中碳钢。

另外一个重要的规律：奥氏体晶粒越粗大，马氏体的片也越粗大。