钢的淬火基础知识

1、2022-5-31钢的淬火钢的淬火2022-5-32淬火淬火定义：定义：将钢加热至将钢加热至Ac3或或Ac1以上，保温一定时间，以上，保温一定时间，以大以大于临界淬火速度于临界淬火速度Vk的速度冷却的速度冷却，使过冷奥氏体，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火钢得到的组织：马氏体或下贝氏体，少量残淬火钢得到的组织：马氏体或下贝氏体，少量残余奥氏体及未溶的第二相。余奥氏体及未溶的第二相。目的：目的： 提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。的韧性。2022-5-33不同碳含量的钢淬火后的硬度及不同碳含

2、量的钢淬火后的硬度及碳含量与残余奥氏体量的关系碳含量与残余奥氏体量的关系2022-5-34一、淬火应力一、淬火应力 淬火应力分为两种：淬火应力分为两种： 热应力热应力 组织应力组织应力 淬火应力超过材料的屈服极限产生塑性淬火应力超过材料的屈服极限产生塑性变形变形 淬火应力超过材料的强度极限产生开裂淬火应力超过材料的强度极限产生开裂2022-5-35热应力热应力 定义：定义： 工件在加热或冷却过程时，由于不同部位的温工件在加热或冷却过程时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应力。力。 影响因素：影响因素： 冷却速度越大，截面上的温差越大

3、，热应力越冷却速度越大，截面上的温差越大，热应力越大；大； 淬火温度越高，工件截面尺寸大或钢材导热性淬火温度越高，工件截面尺寸大或钢材导热性差，线膨胀系数大，增大热应力。差，线膨胀系数大，增大热应力。2022-5-36 (a)表层和心部始终存表层和心部始终存在着温差在着温差1、热应力及其变化规律、热应力及其变化规律 (b)冷却初期，表层产生拉冷却初期，表层产生拉应力，心部产生压应力；应力，心部产生压应力；冷却后期，表层受到压应冷却后期，表层受到压应力，心部产生拉应力。力，心部产生拉应力。 (c)冷却后期的应力状态被冷却后期的应力状态被保留下来成为残余内应力；保留下来成为残余内应力；表层为压应力

4、，心部为拉表层为压应力，心部为拉应力。应力。2022-5-37组织应力组织应力 组织应力的定义：组织应力的定义： 工件在冷却时，由于温差造成的不同部工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不同而引起的内应力。位组织转变不同而引起的内应力。 影响因素：影响因素： 冷却速度、工件的尺寸、钢的导热性冷却速度、工件的尺寸、钢的导热性 含碳质量分数、马氏体的比热及钢的淬含碳质量分数、马氏体的比热及钢的淬透性透性2022-5-382、组织应力及其变化规律、组织应力及其变化规律 淬火初期（表层温度低于淬火初期（表层温度低于Ms，心部温度，心部温度高于高于Ms），表层压应力，心部拉应力。），表层压应力，心

5、部拉应力。 淬火后期（表层温度、心部温度低于淬火后期（表层温度、心部温度低于Ms） ，表层拉应力，心部压应力。，表层拉应力，心部压应力。2022-5-39热应力与组织应力热应力与组织应力 共存、叠加共存、叠加 热应力与组织应力的变化规律相反热应力与组织应力的变化规律相反2022-5-310二、淬火加热二、淬火加热 制定淬火加热工艺：制定淬火加热工艺： 加热温度、加热时间加热温度、加热时间 加热方式、选择介质加热方式、选择介质2022-5-311淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择 淬火加热温度的选择以得到淬火加热温度的选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原均匀细小的奥氏体晶粒为原则（细小的则（细小

6、的M） 依据钢的临界点温度来确定依据钢的临界点温度来确定 亚共析钢：亚共析钢：Ac3+（30-50oC） 共析钢和过共析钢：共析钢和过共析钢：Ac1+（30-50oC）温度选择此范围的原因温度选择此范围的原因2022-5-312淬火加热时间的确定淬火加热时间的确定 淬火加热时间：升温时间和保温时间之和淬火加热时间：升温时间和保温时间之和 影响加热时间的因素：影响加热时间的因素： 加热介质、钢的成分、炉温加热介质、钢的成分、炉温 工件的形状及尺寸工件的形状及尺寸 装炉方式及装炉量装炉方式及装炉量 经验公式：经验公式：=KD2022-5-313淬火加热过程中的缺陷淬火加热过程中的缺陷 过热过热 过

7、烧过烧 表面氧化和表面氧化和脱碳（加热工件和加热介质脱碳（加热工件和加热介质之间相互作用）之间相互作用）2022-5-314过热过热 工件在淬火加热时，由于温度过高或时工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。 表现：强度、韧性降低，易产生脆断表现：强度、韧性降低，易产生脆断（淬火裂纹）（淬火裂纹） 纠正措施：纠正措施： 退火或正火（细化晶粒）后淬火退火或正火（细化晶粒）后淬火2022-5-315过烧过烧 工件在淬火加热时温度过高，使奥氏体工件在淬火加热时温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象。晶界发生氧化或出现局部熔化的

8、现象。 过烧工件只能报废过烧工件只能报废2022-5-316 表面氧化表面氧化 氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度降低，氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度降低，影响淬火冷却速度。影响淬火冷却速度。 加热温度越高，氧化速度越快。加热温度越高，氧化速度越快。2022-5-317氧化反应氧化反应 与炉气中的与炉气中的O2、CO2及及H2O等氧化性气等氧化性气体发生化学反应体发生化学反应2022-5-318脱碳脱碳 钢中的碳与炉气中的钢中的碳与炉气中的O2、H2O、CO2及及H2发生化学反应，生成含碳气体逸出钢发生化学反应，生成含碳气体逸出钢外，使工件表面含碳降低。外，使工件表面含碳降低。加热温度越高，加热时

9、间越长，脱碳层越深。加热温度越高，加热时间越长，脱碳层越深。2022-5-319防止氧化、脱碳的方法防止氧化、脱碳的方法 盐浴加热（氯化盐、硝酸盐）盐浴加热（氯化盐、硝酸盐） 保护气氛加热（氨分解气氛、天然气或保护气氛加热（氨分解气氛、天然气或人造煤气）人造煤气） 真空加热（机械真空泵）真空加热（机械真空泵） 装箱加热（铸铁屑或木碳）装箱加热（铸铁屑或木碳）2022-5-320三、淬火冷却三、淬火冷却2022-5-321三、淬火冷却三、淬火冷却 淬火冷却速度的选择：淬火冷却速度的选择： 大于临界冷却速度大于临界冷却速度 既能获得马氏体组织，又能减小变形和既能获得马氏体组织，又能减小变形和开裂的

10、倾向。开裂的倾向。2022-5-322理想淬火冷却曲线理想淬火冷却曲线 600-400oC奥氏体最不稳奥氏体最不稳定，快速冷却，避免发生定，快速冷却，避免发生珠光体或贝氏体转变，保珠光体或贝氏体转变，保证获得马氏体组织。证获得马氏体组织。 650oC以上或以上或400oC以下，以下，点点Ms附近，过冷奥氏体附近，过冷奥氏体比较稳定，缓冷，减小热比较稳定，缓冷，减小热应力和组织应力，减小工应力和组织应力，减小工件淬火变形和防止开裂。件淬火变形和防止开裂。2022-5-323淬火介质淬火介质 水是经济且冷却能力较强的淬火介质水是经济且冷却能力较强的淬火介质 矿物油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬

11、火矿物油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火 熔融状态的盐（熔融状态的盐（NaCl、NaOH）也常用作淬火介）也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。 聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液淬火介质。水溶液淬火介质。2022-5-324淬火介质的冷却能力淬火介质的冷却能力2022-5-325常用淬火介质的冷却特性常用淬火介质的冷却特性2022-5-326淬火介质水的冷却特性曲线淬火介质水的冷却特性曲线 800-

12、380oC 380oC左右左右 100 oC以下以下 650-400oC 650-500oC 300-200oC2022-5-3275%-10%NaCl、10% 50%NaOH水溶液水溶液 使高温区的冷却能力显著提高使高温区的冷却能力显著提高 破坏蒸汽膜和气泡，提高冷却速度破坏蒸汽膜和气泡，提高冷却速度 低温区的冷却速度大低温区的冷却速度大2022-5-328盐浴盐浴2022-5-329矿物油矿物油 优点：低温区的冷却速度比水小优点：低温区的冷却速度比水小 缺点：高温区的冷却速度较小缺点：高温区的冷却速度较小 油淬火，在马氏体转变温度范围内冷却油淬火，在马氏体转变温度范围内冷却速度很慢，降低组

13、织应力，减小变形和速度很慢，降低组织应力，减小变形和开裂。开裂。 油温高（油温高（40-100oC）可降低油的粘度，）可降低油的粘度，使高温区的冷却能力增加。使高温区的冷却能力增加。2022-5-330淬火过程淬火过程2022-5-331赤热工件进入淬火介质后的三个冷却阶段赤热工件进入淬火介质后的三个冷却阶段2022-5-332理想淬火冷却曲线理想淬火冷却曲线2022-5-333四、淬火方法四、淬火方法 淬火方法的选择依据：淬火方法的选择依据： 钢的化学成分钢的化学成分 工件的形状和尺寸工件的形状和尺寸 技术要求技术要求 选择淬火方法的好处：选择淬火方法的好处： 获得所需的组织和性能获得所需的

14、组织和性能 减小淬火应力减小淬火应力 减小工件变形和开裂的倾向减小工件变形和开裂的倾向2022-5-334四类淬火方法四类淬火方法 单液淬火单液淬火 双液淬火双液淬火 分级淬火分级淬火 等温淬火等温淬火2022-5-3351、单液淬火法、单液淬火法将加热至奥氏体状态的工件放将加热至奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中连续冷却至入一种淬火介质中连续冷却至介质温度的淬火方法，如水淬、介质温度的淬火方法，如水淬、油淬等。油淬等。适用于形状简单适用于形状简单的工件；的工件；操作简单，容易操作简单，容易实现自动化。实现自动化。2022-5-3362、双液淬火法、双液淬火法将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能

15、力较强的淬火介质将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能力较强的淬火介质中快速冷却至接近点中快速冷却至接近点Ms的温度，避免过冷奥氏体发生珠的温度，避免过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体转变，然后再转入另一种冷却能力较弱的光体和贝氏体转变，然后再转入另一种冷却能力较弱的介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变成马氏体的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。成马氏体的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。技术要求高，合金钢工件。技术要求高，可防止变形与开裂。可防止变形与

16、开裂。2022-5-337 3、分级淬火法、分级淬火法 将加热至奥氏体状态的工件先淬将加热至奥氏体状态的工件先淬入高于该钢点入高于该钢点Ms附近的热浴中附近的热浴中停留一定时间，待工件各部分与停留一定时间，待工件各部分与热浴的温度一致后，取出空冷至热浴的温度一致后，取出空冷至室温，在缓慢冷却条件下完成马室温，在缓慢冷却条件下完成马氏体转变的淬火方法。氏体转变的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂其特点是显著减少淬火变形与开裂用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件2022-5-3384、等温淬火法、等温淬火法将加热至奥氏体状态的工件将加热至奥氏体状态的工件淬入温度稍高于点淬入温度稍高于点Ms的盐的盐浴中等温，保持足够长时浴中等温，保持足够长时间，使之转变为下贝氏体间，使之转变为下贝氏体组织，然后取出在空气中组织，然后取出在空气中冷却的淬火方法。冷