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1、1,第九章钢的淬火,2,淬火：是指将钢加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速冷却，使A转变为M的热处理工艺。,3,淬火钢的组织,淬火回火,提高硬度和耐磨性,提高强韧性,提高硬磁性,提高弹性,提高耐蚀性和耐热性,4,9.1 淬火方法及工艺参数的确定,淬火方法,获得M；减少内应力；减少工件的变形和开裂。,选择依据：,5,缺点：在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。,单介质淬火广泛应用于形状简单的工件淬火。,单介质淬火,其特点是工件经加热后，置于一种介质中冷却，如水淬、油淬，也就是直接淬火。,优点
2、：操作简单，易于实现机械化，应用广泛。,6,缺点：难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。,双介质淬火,加热好的工件先在较强冷却能力的介质中冷却到300左右，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却，如：先水淬后油淬。,优点：可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向，可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。,7,工件在温度在Ms点附近的低温盐浴或碱浴炉中保温2min5min，然后取出空冷淬火，这种冷却方式叫分级淬火。,缩小了工件与冷却介质的温差，因而明显减少了工件冷却过程中的热应力；,分级淬火,分级淬火的特点：,工件淬火时变形和开裂倾向可显著减少。,8,由于恒温停留
3、所引起的奥氏体稳定化作用，增加了残余奥氏体量，从而减少了马氏体转变是引起的体积膨胀。通过分级保温，使整个工件温度比较均匀，在随后冷却过程中工件表面与心部马氏体转变的不同时性明显减少。,分级温度：以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀后进入M区；现在改进为在略低于 Ms 点的温度分级。实践表明，在Ms点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在160的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广。,9,工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在稍高于Ms温度的贝氏体区下部，工件等温停留较长时间，直到B转变结束，取出空冷。,等温淬火,等温淬火用于中碳以上的钢，低碳钢一般不采用等温淬火。目的：是为了获得下贝
4、氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。,10,将加热好的工件，自炉中取出后在空气中预冷一定时间，使工件温度降低一些，再置于淬火介质中进行冷却的一种淬火方法。,预冷淬火法,预冷可减少随后快冷工件各处温差，利于降低变形和开裂倾向。,11,亚共析钢：Ac33050,淬火工艺参数的确定,淬火工艺主要包括：加热温度、保温时间和冷却条件等几个方面。,淬火加热温度,钢的淬火温度范围,共析、过共析钢：Ac13050,12,亚共析碳钢在Ac33050加热，是为了获得晶粒细小的A，淬火后可获得细小的M组织。,加热温度过高,加热温度过低,13,由于渗碳体硬度高，因此它不但不会降低淬火钢的硬度，而且还可以提高它的耐磨
5、性；,共析、过共析钢：Ac13050,共析和过共析钢在淬火加热前已经球化退火,14,若加热温度过高,片状M粗大,15,低合金钢：Ac1(或Ac3)50100,隐晶(即细小片状)M部分未溶的细粒状K残A),过共析钢的正常淬火组织,亚共析钢：Ac33050,主要考虑到合金元素的影响，为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化。,16,在实际生产中，淬火温度的选择除必须遵守上述一般原则外，还允许根据具体情况做一些调整:,如欲增大淬硬深度，可适当提高淬火温度；如欲减少淬火变形，淬火温度应适当降低；当原材料有较严重的带状组织时，淬火温度应适当提高；高碳钢的原始组织为片状珠光体时，片K易溶，淬火温度应适当降
6、低；尺寸小的工件，淬火温度应适当降低；对于形状复杂、容易变形或开裂的工件，应在保证性能前提下尽可能采用较低淬火温度。,17,淬火加热保温时间指的是工件装炉后，从炉温回升到淬火温度算起，直到出炉为止所需要的时间。它包括工件透热时间和组织转变所需要的时间。,淬火加热保温时间,保温时间：按照工件的最大厚度或者条件厚度（二者统称为计算厚度）来确定。,最大厚度是指零件最厚截面的尺寸或叠放零件的总厚度，二者取其最大者；条件厚度是指零件的实际厚度乘以形状系数.,18,各种截面零件的形状系数,19,第一次预热 600650第二次预热 800850,影响加热保温时间的因素,20,影响加热保温时间的因素,装炉情况
7、,加热介质,炉温,21,计算加热保温时间的经验公式,22,理想的淬火曲线为：650以上缓冷，以降低热应力。650400快速冷却，保证全部A不分解。400以下缓冷，减少M转变时的相变应力。,淬火冷却方式,冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接决定了钢淬火后的组织和性能。冷却介质应保证：工件得到马氏体，同时变形小，不开裂。,23,厚薄不均的工件，厚的部分应该先淬入；细长工件一般应垂直淬入；薄而平的工件应该侧放立着淬入；薄壁环状零件应沿其轴线方向淬入；有闭腔或盲孔的工件应该使腔口或孔向上淬入；截面不对称工件应以一定角度斜着淬入，以使其冷却均匀。,工件进入淬火介质应采用的操作方法,选用合适淬入方式的基本原则
8、,24,钢的冷处理,钢的冷处理可以看成是淬火的继续，亦即将淬火后已经冷到室温的工件继续深冷至0以下，使淬火保留下来的残余奥氏体继续向马氏体转变，以达到减少或消除残余奥氏体的目的。冷处理主要是针对一些高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构零件，为提高其硬度和耐磨性，或为保证尺寸稳定性才采用这一道工序。冷处理应在淬火后及时进行，否则会降低冷处理的效果。,25,实践表明，一般情况下，冷处理稳定达到6080即可满足要求。生产中常用的冷处理介质及达到的温度见下表。,26,对淬火介质的要求：在500600的中温区具有冷却快，而在低温时具有冷却慢。,9.2 淬火介质,理想的淬火曲线为：650以上缓冷，以降低
9、热应力；650400快速冷却，保证全部A不分解；400以下缓冷，减少M转变时的相变应力。,27,淬火介质的分类,淬火时发生物态变化的淬火介质,淬火时不发生物态变化的淬火介质,28,有物态变化的淬火介质,冷却特性,淬火介质的冷却特性是指试样温度与冷却时间或者试样温度与冷却速度之间的关系。,冷却特性曲线的测定：通常采用导热率很高的银球试样，将其加热后迅速置入淬火介质中，利用安放在银球中心的热电偶测出其心部温度随冷却时间的变化，然后再根据温度-时间曲线求得冷却速度-温度关系曲线。,29,当炽热工件进入淬火介质中后，其冷却过程大致可分为3个阶段：,工件刚进入介质的瞬间，周围的介质立即被加热而汽化，在工
10、件表面上形成一层蒸气膜。由于膜的导热性能差，故被其包围隔绝的工件冷速是很慢的。初期，由于工件放出的热量大于介质从蒸气膜吸走的热量，所以膜不断增厚。随冷却的进行，工件温度不断下降，膜的厚度及其稳定性也逐渐变小，直至破裂而消失（冷却的第1阶段）。,冷却机理,蒸汽膜内冷却阶段（简称蒸气膜阶段）,30,当蒸气膜破裂时，工件就与介质直接接触，介质在工件表面激烈沸腾，不断逸出的气泡带走了大量的热量，以至工件的冷却速度很大。此阶段直到工件冷却至介质的沸点为止。（冷却第2阶段）,当工件冷到低至介质的沸点时，主要只能靠对流传热的方式进行冷却，工件的冷却速度甚至比蒸气膜阶段还要缓慢，而且随工件表面与介质的温差不断
11、减小冷速越来越小。（冷却的第3阶段）,沸腾冷却阶段（简称沸腾阶段）,对流冷却阶段（简称对流阶段）,31,冷却特性：在650550高温区具有较强冷却能力，在300200低温区的冷却能力也较强。,常用淬火介质,目前工厂中常用的淬火冷却介质，主要是水、盐水、碱水、油。,水,静止水 循环水,32,水温升高，水在高温区的冷却能力急剧下降，并使对应于最大冷速的温度移向低温，即在低温区的冷却能力仍然很强。,静止水 循环水,水温对水的冷却特性影响很大,因此，淬火时水温一般为2040，最高不应超过60，通过加强水循环和工件的搅动，可以提高工件在高温区的冷却速度。,33,用水做为淬火介质，由于在马氏体转变区冷速太
12、大，淬火零件易变形开裂，因而适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。,因为不溶或微溶杂质可以作为形成蒸气的核心，将加速蒸气膜的形成并增加膜的稳定性。所以当水中混入不溶或微溶杂质时，淬火工件易于产生软点。,不溶或微溶杂质会显著降低水的冷却能力,34,在水中加入盐、碱，其冷却能力比清水更强。例如，浓度为10%NaCl或10%NaOH的水溶液可使高温区(650550)的冷却能力显著提高：10%NaCl 水溶液较纯水的冷却能力提高10 倍以上，而10%NaOH 的水溶液的冷却能力更高。但这两种水基淬火介质在低温区(300200)的冷却速度也很快。因此适用于低碳钢和中碳钢的淬火。,盐水和碱水,35,油
13、也是一种常用的淬火介质。目前工业上主要采用矿物油，如锭子油、机油等。优点：由于油的沸点比水高150300，其对流阶段的开始温度比水高很多，因此在300200低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的相变应力，减小工件变形和开裂倾向。缺点：在650550高温区间冷却能力低，仅为水的1/51/6；易于老化，需经常更换新油。,油,36,与水相反，提高油温可以降低其黏度，增加流动性，故可提高高温区间的冷却能力。但是油温过高，容易着火，一般应控制在6080。油适用于形状复杂的合金钢工件的淬火以及小截面、形状复杂的碳钢工件的淬火。,随着可控气氛热处理的应用，要求热处理后的工件能够获得光亮的表面，
14、因此，多在矿物油中添加1左右的油溶性高分子添加剂来获得不同冷却能力的光亮淬火油。淬火油的另一个发展系列就是真空淬火油。,37,这类介质主要指熔盐、熔碱及融熔金属。这种介质的特点是：沸点高，在工件处于高温时冷却速度很高，而当工件接近介质温度时冷速则迅速降低，冷却能力介于水、油之间。多应用于等温淬火和分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸小、变形要求严格的工件等。常用碱浴、盐浴的成分、熔点及使用温度见下表,无物态变化的淬火介质,38,其它新型淬火介质,水作为淬火介质的主要缺点是低温区间的冷却速度过大，易引起工件的变形与开裂；而油的缺点是在高温区间的冷却速度太小，使过冷奥氏体易于分解，两者都不够理想。对
15、于新型的淬火介质，都力图使其兼具水和油的优点，并可通过调节其浓度达到控制冷却速度。,过饱和硝酸盐水溶液水玻璃淬火剂氯化锌碱水溶液合成淬火剂聚醚淬火剂,39,过饱和硝酸盐水溶液,配方：25NaNO349NaOH26%KNO335H2O特点：在高温区冷却能力比盐水小，但比油大，在低温区的冷却能力与油相似。因此，可以认为这类淬火介质综合了盐水和油的优点。,40,水玻璃淬火剂,它是用水稀释成不同浓度的水玻璃溶液，再在其中添加一种或多种碱类或盐类物质，通过调整其成分使之具有不同冷却速度。351配方：79水玻璃1114NaCl1114Na2CO30.5NaOH62.570.5%H2O特点：使用温度为306
16、5，其冷却能力介于油水之间，冷速可调，能作为淬火油的替代品，其缺点是对工件表面有一定腐蚀作用。,41,氯化锌碱水溶液,配方：49ZnCl249NaOH2%肥皂粉，再加300倍H2O稀释特点：使用时要搅拌均匀，使用温度为2060，在高温区冷速比水大，低温区冷速比水小，淬火后变形小，表面较光亮，适用于中小型形状复杂的中、高碳钢制模具的淬火。,42,合成淬火剂,配方：0.10.4聚乙烯醇水溶液少量防腐剂(苯甲酸钠)少量防锈剂(三乙醇胺)少量消泡剂(太古油)特点：使用温度为2545，在高温区冷速与水相近，在低温区冷速比水小；淬火时在工件表面形成凝胶状薄膜在以后的冷却中自行溶解；提高合成淬火剂浓度可降低
17、其冷却能力；无毒、无臭、不燃，具有一定的防锈防腐能力。目前广泛应用于碳素工具钢、合金结构钢、轴承钢等材料的淬火。,43,聚醚淬火剂,配方：聚醚淬火剂的主要成分为环氧乙烷与环氧丙烷,特点：能以任何比例互相溶解，故可通过调节浓度来控制冷却速度，因而有万能淬火剂之称，其主要缺点是价格昂贵。,44,淬透性是指钢在淬火时获得M的能力。其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。淬透层的深度：规定为由工件表面至半M区的深度.同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层较深的钢，其淬透性较好。,9.3 钢的淬透性,淬透性的基本概念,淬透性是钢的本身的一种固有属性，它是材料选择和热
18、处理工艺制定的重要依据之一。,45,半M区的组织是由50%M和50%分解产物组成的。这样规定是因为半马氏体区的硬度变化显著，同时组织变化明显，并且在酸蚀的断面上有明显的分界线，很容易测试。,46,淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，钢的临界冷却速度又取决于过冷奥氏体的稳定性。,47,目前测定钢淬透性最常用的方法是末端淬火法，简称端淬法。此法通常用于测定优质碳素结构钢、合金结构钢的淬透性，也可用于测定弹簧钢、轴承钢和工具钢的淬透性。,淬透性的测量方法,断口检验法U曲线法临界直径法末端淬火法等等,48,我国GB/T 2261988钢的淬透性末端淬火试验方法规定的试样形状、尺寸及试验原理如图所示。,将
19、25100mm 的标准试样加热至A状态后，迅速取出置于试验装置上，对末端喷水冷却，试样上距末端越远的部分，冷却速度越小，因此硬度值越低。,49,试样冷却完毕后，沿其轴线方向相对的两侧各磨去0.2mm0.5mm，在此平面上从试样末端开始，每隔1.5mm测一点硬度，绘出硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线。,50,Wc=45%钢的淬透性带,由于同一种钢号的化学成分允许在一定范围内波动，因而相关手册中给出的不是一条曲线，而是一条带，称之为淬透性带，如图 所示。,51,钢的淬透性值通常用下式表示,式中，J 表示末端淬透性，d表示至末端的距离，HRC 表示在该处测得的硬度值。,例如淬透性值：,即表示
20、在淬透性带上距末端5mm 处的硬度值为40HRC;,即表示距末端10mm15mm 处的硬度值为35HRC。,52,另外生产中也常用“临界直径”来表示钢的淬透性。它是指圆柱形试样在某种淬火介质中淬火时，心部刚好为半M组织的最大圆柱形直径，用D0表示。显然，在相同的冷却条件下，D0越大，则钢的淬透性也越好。下表列出了几种常用钢在水和油中淬火时的D0。,53,淬透性的实际意义,钢的淬透性是正确选用钢材和制订热处理工艺的重要依据之一。工件在整体淬火条件下，从表面至中心是否淬透，对其机械性能有重要影响。对于不同用途的工件，由于其受力情况不同，对工件表面和心部的机械性能要求不同，因而要求选用不同淬透性的钢
21、种制造。,54,尺寸较大的齿轮类、轴类等零件,承受弯曲或扭转载荷的轴类零件,55,另外，对于形状复杂、要求淬火变形小的工件(如精密模具、量具等)，如果选用淬透性较高的钢，则可以在冷速较缓和的介质中淬火，减小淬火应力，因而工件变形较小。又如：表面淬火用钢也应采用低淬透性钢，淬火时只是为了在表层得到马氏体。,再如：焊接用钢也希望淬透性小，目的是为了避免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中淬火得到马氏体，从而防止焊接构件的变形和开裂。淬透性好的钢比淬透性差的钢的价格要高。,56,利用淬透性曲线比较钢的淬透性,57,含碳量合金元素A的成分均匀性及晶粒度钢中未溶第二相奥氏体化温度,影响淬透性的因素,淬透性主要
22、取决于钢的临界冷却速度，钢的临界冷却速度又取决于过冷奥氏体的稳定性。,在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；非共析钢中，碳含量偏离共析成分越远，淬透性越低。,含碳量,58,除Co和大于2.5Al以外，其余合金元素溶于奥氏体后，都使过冷奥氏体的转变曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢的淬透性往往比碳钢要好。,合金元素,A成分越均匀、晶粒度越大，过冷A的稳定性越好，因而降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。,奥氏体成分均匀性及晶粒度,钢中未溶第二相会成为A分解的非自发形核核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。,钢中未溶第二相,59,提高钢材的A化温度，将使A成分均匀、晶粒长大，因而可增大过冷A
23、的稳定性，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。但A晶粒长大，生成的M也会比较粗大，会降低钢材常温下的力学性能。,奥氏体化温度,淬透性好的钢材经调质处理后，整个截面都是回火索氏体，力学性能均匀，强度高，韧性好；而淬透性差的钢表层为回火索氏体，心部为片状索氏体+铁素体，心部强韧性差。因此，钢材的淬透性是影响工件选材和热处理强化效果的重要因素。,60,淬透性不同的钢调质后力学性能的比较,61,9.4 淬火缺陷及其防止,淬火时最容易产生的缺陷是变形和开裂，其次是氧化与脱碳、硬度不足和软点等缺陷。,淬火变形与开裂,在淬火过程所发生的钢件体积、形状、尺寸的变化通称为淬火变形。当钢件内的淬火应力超过材料的强
24、度极限时便会导致开裂。,引起变形和开裂的根本原因：淬火时在工件中引起的内应力。,62,当热应力和组织应力的合力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形；当两力的合力超过钢的抗拉强度时，工件就发生开裂。,淬火变形的主要形式,63,淬火时形成的内应力,纵向裂纹（全淬透时易产生）横向裂纹（部分淬透时易产生）网状裂纹（表面脱碳的高碳钢件时易产生）剥离裂纹（表面淬火及化学热处理后易产生）显微裂纹（微观应力造成）,淬火裂纹主要类型有五类：,64,防止淬火变形、开裂的措施,65,工件在空气等氧化性气氛中加热时，表面会发生氧化现象；钢表面氧化的同时一般都伴随表面脱碳。,氧化与脱碳,脱碳严重时，可使表层变成铁素体。脱
25、碳会显著降低钢的淬火硬度、耐磨性及疲劳性能。,使表面粗糙度增加，精度下降，而且钢表面氧化皮往往是造成淬火软点和淬火开裂的根源，使工件强度降低。,66,在保证组织转变的前提下，加热温度应尽可能低，保温时间应尽可能短；采用脱氧良好的盐浴炉、保护气氛炉或真空炉加热；若采用空气电炉或燃烧炉加热时，必须采用适当保护措施，如包套、装箱、控制炉气等。,防止工件氧化脱碳的有效措施,过热和过烧,工件在淬火加热时，由于加热温度过高或时间过长造成A晶粒粗大的缺陷称为过热；若加热温度太高，使A晶界局部熔化或发生晶界氧化称为过烧。,67,过热工件在淬火后得到粗大的M组织，易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度降低，
26、尤其是冲击韧性、塑性显著下降，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间来补救，严重的过热可采用完全退火或正火使晶粒细化。,过烧使工件性能严重恶化，极易产生热处理裂纹，所以过烧是不允许的热处理缺陷，一旦出现过烧则无法补救，只好报废。由于过热和过烧都是加热温度过高引起的，因此预防的办法是要制定正确的加热温度，并经常检查仪表以保证仪表正常工作。,68,淬火钢件硬度不均匀主要表现在钢件表面硬度有明显忽高忽低现象。这种缺陷可能是由了原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的。可以通过正火后重新淬火来消除。,硬度不足与不均匀,淬火加热温度低表面脱碳冷却速度不够(发生P转变)钢的淬透性低残余奥氏体过多回火温度过高,
