淬火

淬火是把鋼加熱到臨界温度以上，保温一定時間，然後以大於臨界冷卻速度進行冷卻，從而獲得以馬氏體為主的不平衡組織（也有根據需要獲得貝氏體或保持單相奧氏體）的一種熱處理工藝方法。淬火是鋼熱處理工藝中應用最為廣泛的工種工藝方法。 ^[1] 

鋼鐵熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

將工件加熱到適當温度，根據材料和工件尺寸採用不同的保温時間，然後進行緩慢冷卻（冷卻速度最慢）目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。

將工件加熱到適宜的温度後在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用於改善材料的切削性能，也有時用於對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

為了降低鋼件的脆性，將淬火後的鋼件在高於室温而低於710℃的某一適當温度進行長時間的保温，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。

工件加熱奧氏體化後以適當方式冷卻獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。最常見的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。

退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關係密切，常常配合使用，缺一不可。

淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然後配合以不同温度的回火，以大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。

將金屬工件加熱到某一適當温度並保持一段時間，隨即浸入淬冷介質中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用於各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過淬火與不同温度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性下降及疲勞強度，並可獲得這些性能之間的配合（綜合機械性能）以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學性能，如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、不鏽鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用於鋼件。常用的鋼在加熱到臨界温度以上時，原有在室温下的組織將全部或大部轉變為奧氏體。隨後將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉變為馬氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力，當其大到一定程度時工件便會發生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等温淬火4類。

包括加熱、保温、冷卻3個階段。下面以鋼的淬火為例，介紹上述三個階段工藝參數選擇的原則。

淬火加熱温度(4張)

以鋼的相變臨界點為依據，加熱淬火時要形成細小、均勻奧氏體晶粒，淬火後獲得細小馬氏體組織。碳素鋼的淬火加熱温度範圍如圖《淬火加熱温度》所示，由本圖示出的淬火温度選擇原則也適用於大多數合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱温度為Ac₃温度以上30～50℃。從《淬火加熱温度》圖中可以看出高温下鋼的狀態處在單相奧氏體（A）區內，故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱温度高於Ac₁、低於Ac₃温度，則高温下部分先共析鐵素體未完全轉變成奧氏體，即為不完全（或亞臨界）淬火。過共析鋼淬火温度為Ac₁温度以上30～50℃，這温度範圍處於奧氏體與滲碳體（A+C）雙相區。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火後得到馬氏體基體上分佈滲碳體的組織。這-組織狀態具有高硬度和高耐磨性。對於過共析鋼，若加熱温度過高，先共析滲碳體溶解過多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發生長大，奧氏體碳含量也增加。淬火後，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態微區內應力增加，微裂紋增多，零件的變形和開裂傾向增加；由於奧氏體碳濃度高，馬氏體點下降，殘留奧氏體量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用鋼種淬火的温度如圖《淬火加熱温度》所示，表為常用鋼種淬火的加熱温度。

實際生產中，加熱温度的選擇要根據具體情況加以調整。如亞共析鋼中碳含量為下限，當裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時可選用温度上限；若工件形狀複雜，變形要求嚴格等要採用温度下限。

淬火保温時間 由設備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設備功率等多種因素確定。對整體淬火而言，保温的目的是使工件內部温度均勻趨於一致。對各類淬火，其保温時間最終取決於在要求淬火的區域獲得良好的淬火加熱組織。加熱與保温是影響淬火質量的重要環節，奧氏體化獲得的組織狀態直接影響淬火後的性能。一般鋼件奧氏體晶粒控制在5～8級。

要使鋼中高温相——奧氏體在冷卻過程中轉變成低温亞穩相——馬氏體，冷卻速度必須大於鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中，表面與心部的冷卻速度有一定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大於臨界冷卻速度部分轉變成馬氏體，而小於臨界冷卻速度的心部不能轉變成馬氏體的情況。為保證整個截面上都轉變為馬氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內部由於熱脹冷縮不均勻造成內應力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質和冷卻方式。

冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關鍵環節。

淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般採用洛氏硬度計測定其HRC值。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測定HRA值，而厚度小於0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小於5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計測定其HRC值。

在焊接中碳鋼和某些合金鋼時，熱影響區中可能發生淬火現象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設法防止的。

由於淬火後金屬硬而脆，產生的表面殘餘應力會造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎上，消除冷裂紋的手段之一。

淬火對厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對於過大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在同樣問題，此時應考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強度。

淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相，故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火後鋼件內部有較大的淬火內應力，因而不宜直接應用，必須進行回火。

工件在一種介質中冷卻，如水淬、油淬。優點是操作簡單，易於實現機械化，應用廣泛。缺點是在水中淬火應力大，工件容易變形開裂；在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。

工件先在較強冷卻能力介質中冷卻到300℃左右，再在一種冷卻能力較弱的介質中冷卻，如：先水淬後油淬，可有效減少馬氏體轉變的內應力，減小工件變形開裂的傾向，可用於形狀複雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點是難以掌握雙液轉換的時刻，轉換過早容易淬不硬，轉換過遲又容易淬裂。為了克服這一缺點，發展了分級淬火法。

工件在低温鹽浴或鹼浴爐中淬火，鹽浴或鹼浴的温度在Ms點附近，工件在這一温度停留2min～5min，然後取出空冷，這種冷卻方式叫分級淬火。分級冷卻的目的，是為了使工件內外温度較為均勻，同時進行馬氏體轉變，可以大大減小淬火應力，防止變形開裂。分級温度以前都定在略高於Ms點，工件內外温度均勻以後進入馬氏體區。改進為在略低於Ms點的温度分級。實踐表明，在Ms點以下分級的效果更好。例如，高碳鋼模具在160℃的鹼浴中分級淬火，既能淬硬，變形又小，所以應用很廣泛。

工件在等温鹽浴中淬火，鹽浴温度在貝氏體區的下部（稍高於Ms），工件等温停留較長時間，直到貝氏體轉變結束，取出空冷。等温淬火用於中碳以上的鋼，目的是為了獲得下貝氏體，以提高強度、硬度、韌性和耐磨性。低碳鋼一般不採用等温淬火。

表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火狀態的一種局部淬火的方法。表面淬火時通過快速加熱，使剛件表面很快到淬火的温度，在熱量來不及穿到工件心部就立即冷卻，實現局部淬火。

感應加熱就是利用電磁感應在工件內產生渦流而將工件進行加熱。

以浸入冷卻能力強的寒冰水溶液，作為冷卻介質的淬火冷卻。

僅對工件需要硬化的局部進行的淬火。

專指在真空中加熱和在高速循環的負壓、常壓或高壓的中性和惰性氣體中進行的淬火冷卻。

僅對工件表層進行的淬火，其中包括感應淬火、接觸電阻加熱淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火等。

以強迫流動的空氣或壓縮空氣作為冷卻介質的淬火冷卻。

以鹽類的水溶液作為冷卻介質的淬火冷卻。

以有機高分子聚合物的水溶液作為冷卻介質的淬火冷卻。

用噴射液流作為冷卻介質的淬火冷卻。

工件在水和空氣混合噴射的霧中進行的淬火冷卻。

工件在熔鹽、熔鹼、熔融金屬或高温油等熱浴中進行的淬火冷卻，如鹽浴淬火、鉛浴淬火、鹼浴淬火等。

工件加熱奧氏體化後先浸入冷卻能力強的介質，在組織即將發生馬氏體轉變時立即轉入冷卻能力弱的介質中冷卻。

工件加熱奧氏體化後再特定夾具夾持下進行的淬火冷卻，其目的在於減少淬火冷卻畸變。

工件從表面至心部全部硬化的淬火。

工件加熱奧氏體化後快冷卻到貝氏體轉變温度區間等温保持，使奧氏體變成貝氏體的淬火。

工件加熱奧氏體化後浸入温度稍高或稍低於M1點的鹼浴或鹽浴中保持適當時間、在工件整體達到介質温度後取出空冷以獲得馬氏體的淬火。

亞共析鋼製工件在Ac1-Ac3温度區間奧氏體化後淬火冷卻，獲得馬氏體及鐵素體組織的淬火。

工件滲入碳後直接淬火冷卻的工藝。

工件滲碳冷卻後，先高於Ac3的温度奧氏體化並淬冷以細化心部組織，隨即在略髙於Ac3的温度奧氏體化以細化滲層組織的淬火。

工件局部或表層快速加熱奧氏體化後，加熱區的熱量自行向未加熱區傳到，從而使奧氏體化區迅速冷卻的淬火。

淬火工藝在現代機械製造工業得到廣泛的應用。機械中重要零件，尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經過淬火處理。為滿足各種零件千差萬別的技術要求，發展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火；按加熱時相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火（對於亞共析鋼，該法又稱亞臨界淬火）；按冷卻時相變的內容，有分級淬火，等温淬火和欠速淬火等。

此外，由於淬火方法各有其特點及侷限性，故均在一定條件下獲得應用，其中應用最普遍的是感應加熱表面淬火及火焰淬火。激光束加熱和電子束加熱是迄今迅速發展着的高能密度加熱淬火方法，由於其有一些其它加熱方法所沒有的特點，因而正為人們所矚目。

表面淬火廣泛應用於中碳調質鋼或球墨鑄鐵製的機器零件。因為中碳調質鋼經過預先處理（調質或正火）以後，再進行表面淬火，既可以保持心部有較高的綜合機械性能，又可使表面具有較高的硬度（大於HRC 50）和耐磨性。例如機牀主軸、齒輪、柴油機曲軸、凸輪軸等。基體相當於中碳鋼成分的珠光體鐵素體基的灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等原則上均可進行表面淬火，而以球墨鑄鐵的工藝性能為最好，且又有較高的綜合機械性能，所以應用最廣。

高碳鋼表面淬火後，儘管表面硬度和耐磨性提高了，但心部的塑性及韌性較低，因此高碳鋼的表面淬火主要用於承受較小衝擊和交變載荷下工作的工具、量具及高冷硬軋輥。

由於低碳鋼表面淬火後強化效果不顯著，故很少應用。 ^[2]