Chapter 7 钢的淬火

1、第七章 钢的淬火Quenching of Steel王建刚Main content：重点与难点重点与难点1. 淬火的定义、目的、分类；工艺参数确定淬火的定义、目的、分类；工艺参数确定2. 淬火介质及钢的淬透性概念、测定方法；淬火介质及钢的淬透性概念、测定方法；1. Key Point：钢的淬火，为什么要淬火，淬火介质：钢的淬火，为什么要淬火，淬火介质(quenching medium)的分类及冷却特性，常用淬火介质有何特点，什么的分类及冷却特性，常用淬火介质有何特点，什么叫淬透性，对淬透性叫淬透性，对淬透性(quenching degree)的影响因素、测定的影响因素、测定方法？方法？ 2.

2、难点：工艺参数确定、淬火介质的冷却特性和淬透性的影难点：工艺参数确定、淬火介质的冷却特性和淬透性的影响因素。响因素。主要内容及重点和难点1. 淬火的定义：淬火的定义： 将钢件加热到一定温度（亚共析钢，将钢件加热到一定温度（亚共析钢，AC33050，过共析钢，过共析钢 AC13050），保温，然后以大），保温，然后以大于临界冷却速度冷却下来，使过冷奥氏体转变为马氏于临界冷却速度冷却下来，使过冷奥氏体转变为马氏体组织，这种热处理工艺称为体组织，这种热处理工艺称为淬火淬火。7.1 淬火方法及工艺参数的确定2. 淬火的目的淬火的目的： 1）加热温度必须高于临界点以上；）加热温度必须高于临界点以上； 2

3、）冷却速度必须大于临界冷却速度。）冷却速度必须大于临界冷却速度。 1）提高工件的机械性能）提高工件的机械性能(mechanical behavior)，如：强度，如：强度 ，硬度硬度 。 2）增加工件的耐磨性，如：轧辊、齿轮、轴承、工具、量）增加工件的耐磨性，如：轧辊、齿轮、轴承、工具、量具都要淬火，具都要淬火， 才能经久耐用。才能经久耐用。 3）提高工件的强韧性和弹性，如弹簧、汽车板簧等。）提高工件的强韧性和弹性，如弹簧、汽车板簧等。 4）使工件某些特殊的物理、化学性能，如磁钢和不锈钢，）使工件某些特殊的物理、化学性能，如磁钢和不锈钢，改善其磁性和而磨性等。改善其磁性和而磨性等。3. 淬火的

4、必要条件淬火的必要条件7.1 淬火方法及工艺参数的确定5.关于确定淬火工艺的依据关于确定淬火工艺的依据1) 据工件图纸标明的技术要求（如热处理的硬度、组织、强据工件图纸标明的技术要求（如热处理的硬度、组织、强度、渗层的浓度、深度等）度、渗层的浓度、深度等）材料牌号、热处理部位及零材料牌号、热处理部位及零件尺寸。件尺寸。2) 查明该材料的相变点，即临界点查明该材料的相变点，即临界点AC1、AC3、Accm的位置，的位置， CT曲线或曲线或IT曲线（热处理手册）曲线（热处理手册）3) 上道工序的冷热加工质量情况上道工序的冷热加工质量情况7.1 淬火方法及工艺参数的确定4.4. 淬火工艺原则淬火工艺

5、原则1)1)保证达到规定的组织和技术性能指标保证达到规定的组织和技术性能指标( (组织、硬度、强度等组织、硬度、强度等) )2)2)满足图纸或工艺满足图纸或工艺( (机加工机加工) )规定的尺寸范围规定的尺寸范围( (变形量变形量) )。7.1.1 各种淬火方法淬火工艺方法分类淬火工艺方法分类1）按淬火加热温度分按淬火加热温度分单液淬火、双液淬火、分级淬火、贝氏体等温淬火、预冷单液淬火、双液淬火、分级淬火、贝氏体等温淬火、预冷淬火等淬火等2）按淬火加热方法分按淬火加热方法分4）按淬火部位分按淬火部位分真空淬火、真空淬火、 脉冲淬火、感应加热淬火、脉冲淬火、感应加热淬火、激光淬火、电子束淬火、火

6、焰加热淬火。激光淬火、电子束淬火、火焰加热淬火。3）按冷却方式分按冷却方式分整体淬火、局部淬火、表面淬火整体淬火、局部淬火、表面淬火完全淬火、不完全淬火（亚温淬火）完全淬火、不完全淬火（亚温淬火）7.1.1 各种淬火方法（一）单液淬火法（一）单液淬火法即：把已奥氏体化的工件直接淬即：把已奥氏体化的工件直接淬入单一淬火介质中的方法。入单一淬火介质中的方法。特点：特点：（1 1）可利用热加工余热（锻造、）可利用热加工余热（锻造、铸造、铸造、 渗渗C C）直接淬火。）直接淬火。（2 2）操作简单、经济，适合大）操作简单、经济，适合大 批作业，应用最为广泛。批作业，应用最为广泛。（3 3）碳钢用水淬、

7、盐水淬；合）碳钢用水淬、盐水淬；合 金钢用油淬。金钢用油淬。优点：操作简便；优点：操作简便；缺点：易变形开裂。缺点：易变形开裂。7.1.1 各种淬火方法（1 1）双液种类：）双液种类：水油、盐水油、油空、硝盐空、碱水油、盐水油、油空、硝盐空、碱液空、水硝盐、油硝盐、硝盐油等等。液空、水硝盐、油硝盐、硝盐油等等。 （二）双液淬火法（二）双液淬火法-水淬水淬油冷油冷 将加热好的工件先淬入冷却能力较强的介质，待工件温度将加热好的工件先淬入冷却能力较强的介质，待工件温度降至降至C曲线鼻温以下时，再淬入冷却能力较弱的介质继续冷却，曲线鼻温以下时，再淬入冷却能力较弱的介质继续冷却，以获得以获得M组织，这种

8、淬火工艺称为双液淬火。组织，这种淬火工艺称为双液淬火。选择的依据是钢的淬透性、工件形状、选择的依据是钢的淬透性、工件形状、尺寸及对变形的要求决定的。尺寸及对变形的要求决定的。7.1.1 各种淬火方法（2）优点）优点（3）技术关键：）技术关键：计算法：计算法：1314秒秒水声法：水声法：强强弱（消失前，丝丝声）弱（消失前，丝丝声）手感法：手感法：手握勾具，震动感由强手握勾具，震动感由强弱弱可大大减小工件的热应力和组织可大大减小工件的热应力和组织应力，减小变形及开裂倾向。应力，减小变形及开裂倾向。 是水淬转油冷的温度把握，是水淬转油冷的温度把握， 400300转油慢冷转油慢冷介绍介绍三种三种方法方

9、法7.1.1 各种淬火方法将加热工件淬入温度稍高于或稍低于钢的将加热工件淬入温度稍高于或稍低于钢的Ms点温度的液体点温度的液体介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间（工件内外温度达到介介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间（工件内外温度达到介质温度）后取出空冷，以获得质温度）后取出空冷，以获得M组织的淬火工艺（见下图）。组织的淬火工艺（见下图）。（三）分级淬火（三）分级淬火7.1.1 各种淬火方法分级淬火分级淬火特点特点 缩小了工件与冷却介质间的温差，明显减小了缩小了工件与冷却介质间的温差，明显减小了热应力；热应力； 分级保温，使整个工件温度趋于均匀，在随后分级保温，使整个工件温度趋于均匀，在随后的冷

10、却过程中工件表面与心部马氏体转变的不的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小；同时性明显减小； 恒温停留所引起的奥氏体稳定化的作用，增加恒温停留所引起的奥氏体稳定化的作用，增加了残余奥氏体量，从而减小了马氏体转变时所了残余奥氏体量，从而减小了马氏体转变时所引起的体积膨胀。引起的体积膨胀。7.1.1 各种淬火方法分级时间分级时间分级结束后常为空冷分级结束后常为空冷取决于零件尺寸，使工件内外温度均接近盐浴温度即可取决于零件尺寸，使工件内外温度均接近盐浴温度即可305D （秒）（秒） D：工件的有效厚度：工件的有效厚度经验公式：经验公式：时间过短时间过短, ,起不到均温作用。起不到均温

11、作用。时间过长，易发生非马氏体组织转变，影响最终性能。时间过长，易发生非马氏体组织转变，影响最终性能。 注意：注意：7.1.1 各种淬火方法（四）等温淬火（四）等温淬火等温淬火法有两种，贝氏体等温淬火与马氏体等温淬火。等温淬火法有两种，贝氏体等温淬火与马氏体等温淬火。7.1.1 各种淬火方法（1）等温温度：在）等温温度：在400 Ms 保温保温(常用硝盐浴中等温常用硝盐浴中等温)。（2）时间要足够，使过冷）时间要足够，使过冷AB下下，随后空冷到室温即可。通过，随后空冷到室温即可。通过回火可调节硬度。回火可调节硬度。（3）优点：变形、开裂倾向小，韧性高。）优点：变形、开裂倾向小，韧性高。（4）适

12、用于小件，形状复杂件（）适用于小件，形状复杂件（HRC55左右）左右） a. 弹簧、冷冲模、轴承、精密齿轮等小型零件。弹簧、冷冲模、轴承、精密齿轮等小型零件。 b. 形状复杂、淬火过程变形开裂倾向大，尺寸精度又要求高的工件。形状复杂、淬火过程变形开裂倾向大，尺寸精度又要求高的工件。 c. 35CrNiMo、40CrMnTi、30CrMnTi等制作的汽轮机、发电机主轴，用等制作的汽轮机、发电机主轴，用等温淬火可避免开裂。等温淬火可避免开裂。 将加热奥氏体化后的工件，在贝氏体转变温度区间将加热奥氏体化后的工件，在贝氏体转变温度区间(400 Ms)保保温，使奥氏体转变为贝氏体为主的组织的淬火工艺，称

13、贝氏体等温温，使奥氏体转变为贝氏体为主的组织的淬火工艺，称贝氏体等温淬火。淬火。7.1.1 各种淬火方法（1）预冷介质：）预冷介质：空气，油、热浴等。空气，油、热浴等。（2）优点：）优点：可减少热应力，使工件变形、开裂倾向减，对可减少热应力，使工件变形、开裂倾向减，对形状复杂，厚薄悬殊的零件尤其有效。形状复杂，厚薄悬殊的零件尤其有效。（3）操作关键是把握预冷时间。）操作关键是把握预冷时间。 (五五) 预冷淬火（降温淬火、延迟淬火）预冷淬火（降温淬火、延迟淬火）它是将奥氏体工件先在空气中预冷到稍高于它是将奥氏体工件先在空气中预冷到稍高于Ar3或或Ar1温度，温度，然后再急速淬入冷却介质中的淬火。

14、然后再急速淬入冷却介质中的淬火。7.1.1 各种淬火方法主要参数：主要参数：加热温度、加热速度、保温时间、冷却介质加热温度、加热速度、保温时间、冷却介质 （一）淬火加热温度（一）淬火加热温度依据临界点依据临界点AC1、AC3、Acm 亚共析钢：亚共析钢：AC33050 过共析钢：过共析钢：AC13050（不完全淬火）（不完全淬火） 低低合金钢可适当高一些：合金钢可适当高一些： 亚共析钢：亚共析钢：AC350100 过共析钢：过共析钢：AC1501007.1.2 淬火工艺参数的确定弊：弊：TT，表面氧化、脱碳程度，表面氧化、脱碳程度。 TT，r r晶粒尺寸晶粒尺寸，淬火组织粗大。，淬火组织粗大。

15、 TT，高碳钢的，高碳钢的r r中中C CAA，片，片M M， 变形和开裂倾向变形和开裂倾向。 过共析钢淬火过共析钢淬火温度高（温度高（Accm以上）的利弊：以上）的利弊：利：利：T ，A的成分均匀性的成分均匀性 ，A稳定性稳定性 ， 低碳钢易淬透。低碳钢易淬透。7.1.2 淬火工艺参数的确定 除了选择淬火温度外，还须把握几个原则：除了选择淬火温度外，还须把握几个原则：a. 可提高淬火温度来增大淬硬层；可提高淬火温度来增大淬硬层；b. 适当降低淬火温度可减小淬火变形；适当降低淬火温度可减小淬火变形；c. 如有较严重的带状组织可适当提高淬火温度；如有较严重的带状组织可适当提高淬火温度；d. 原始

16、组织为片状珠光体时，应适当降低淬火温度；原始组织为片状珠光体时，应适当降低淬火温度；e. 尺寸小的工件应适当降低淬火温度；尺寸小的工件应适当降低淬火温度； f. 形状复杂，容易变形或开裂的工件，在保证性能的情况下形状复杂，容易变形或开裂的工件，在保证性能的情况下尽可能采用较低的淬火温度。尽可能采用较低的淬火温度。7.1.2 淬火工艺参数的确定淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度时淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度时起算，直到出炉为止所需的时间。保温时间包括工件透热时起算，直到出炉为止所需的时间。保温时间包括工件透热时间和组织转变所需的时间。间和组织转变所需的时间。保温

17、时间按零件最大厚度或条件厚度来确定。保温时间按零件最大厚度或条件厚度来确定。影响保温时间的因素主要有：影响保温时间的因素主要有：1.1.钢的成分钢的成分 碳及合金元素含量增多，应增加保温时间；碳及合金元素含量增多，应增加保温时间；2.2.工件的形状与尺寸工件的形状与尺寸 相同材料与形状的工件，加热条件相相同材料与形状的工件，加热条件相同时，保温时间将随其有效厚度的增大而延长，有效厚度是同时，保温时间将随其有效厚度的增大而延长，有效厚度是工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度。工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度。（二）淬火保温时间（二）淬火保温时间7.1.2 淬火工艺参数的确定a.圆

18、柱形工件圆柱形工件，取，取D（直径）（直径） b.扁平工件扁平工件，D板厚度板厚度hc.套筒类，套筒类，以壁厚为准。以壁厚为准。D=（-d）/2。d.正方截面工件，正方截面工件，以边长作为有效厚度。以边长作为有效厚度。e.矩形截面，矩形截面，以短边作为有效厚度。以短边作为有效厚度。f.圆锥体，圆锥体，以离大头以离大头13长度处的直径作为有效厚度。长度处的直径作为有效厚度。g.球体，球体，以球直径的以球直径的0.6倍作为有效厚度。倍作为有效厚度。h.复杂形状，复杂形状，要按工作部分厚度计算，也可以几处主要要按工作部分厚度计算，也可以几处主要 截面部位的平均厚度计算。截面部位的平均厚度计算。各种零

19、件有效厚度各种零件有效厚度D的计算方法的计算方法7.1.2 淬火工艺参数的确定3. 加热介质加热介质 加热介质不同，则加热速度不同，保温时间也加热介质不同，则加热速度不同，保温时间也随之不同。一般生产中，以铅浴炉加热速度为最快，盐浴炉随之不同。一般生产中，以铅浴炉加热速度为最快，盐浴炉次之，空气电阻炉为最慢。次之，空气电阻炉为最慢。7.1.2 淬火工艺参数的确定加热设备类型加热设备类型钢材品种钢材品种经验公式经验公式t（min） 盐浴炉盐浴炉碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢、合金结构钢碳素工具钢、合金结构钢合金工具钢合金工具钢T=(0.2T=(0.20.4)D0.4)DT=(0.3T=(0.30

20、.5)D0.5)DT=(0.5T=(0.50.7)D0.7)D空气电阻炉空气电阻炉碳素钢碳素钢合金钢合金钢T=(1.0T=(1.01.2)D1.2)DT=(1.2T=(1.21.5)D1.5)D工件工件材料材料工件工件直径直径（）600600箱式炉箱式炉中加热中加热750750850850盐浴炉中加盐浴炉中加热、预热热、预热800800900900箱式炉或井式箱式炉或井式炉中加热炉中加热1100110013001300高温盐高温盐炉加热炉加热碳钢碳钢505050500.30.30.40.40.40.40.50.51.01.01.21.21.21.21.51.5合金合金钢钢505050500.4

21、50.450.50.50.50.50.550.551.21.21.51.51.51.51.81.8高合高合金钢金钢0.350.350.40.40.30.30.350.351.81.82.02.00.170.170.20.2高速高速钢钢505050500.30.30.350.350.650.650.850.851.81.82.02.00.160.160.180.18常用钢的加热系数常用钢的加热系数a（minminmmmm）4. 装炉情况装炉情况 工件在炉中的放置及排列情况对其受热条件有工件在炉中的放置及排列情况对其受热条件有明显影响，装炉情况不同其保温时间也不同。明显影响，装炉情况不同其保温时间

22、也不同。5. 炉温炉温 提高炉温，可缩短加热保温时间。快速加热已在生提高炉温，可缩短加热保温时间。快速加热已在生产上得到应用。该法是将工件放入比正常加热温度高出约产上得到应用。该法是将工件放入比正常加热温度高出约100左右的炉中进行加热；为防止过热，须严格控制加热左右的炉中进行加热；为防止过热，须严格控制加热保温时间。保温时间。7.1.2 淬火工艺参数的确定（三）冷却方式（三）冷却方式7.1.2 淬火工艺参数的确定淬火的冷却方式除应选择正确的淬火方法外，还要注意选淬火的冷却方式除应选择正确的淬火方法外，还要注意选择合适的淬入方式，基本原则是淬入时应保证工件得到最均择合适的淬入方式，基本原则是淬

23、入时应保证工件得到最均匀的冷却，其次是应该以最小阻力方向淬入；此外，还应考匀的冷却，其次是应该以最小阻力方向淬入；此外，还应考虑工件的重心稳定虑工件的重心稳定。操作方法：操作方法： 厚薄不均的工件，厚的部分先淬入；厚薄不均的工件，厚的部分先淬入； 细细长工件一般应垂直淬入；长工件一般应垂直淬入； 薄而平的工件应侧放立着淬入；薄而平的工件应侧放立着淬入； 薄壁环状零件应沿其轴线方向淬入；薄壁环状零件应沿其轴线方向淬入； 具有闭腔或盲孔具有闭腔或盲孔的工件应使腔口或孔向上淬入；的工件应使腔口或孔向上淬入； 截面不对称的工件应以一截面不对称的工件应以一定角度斜着淬入，以使其冷却比较均匀。定角度斜着淬

24、入，以使其冷却比较均匀。工件正确淬火浸入方式工件正确淬火浸入方式7.1.3 等温淬火工艺航空工厂尤其是飞机工厂中等温淬火工艺的应用甚广。航空工厂尤其是飞机工厂中等温淬火工艺的应用甚广。（一）（一） 淬火加热温度与保温时间淬火加热温度与保温时间 等温淬火时由于等温热介质的温度较高，冷却能力较小，等等温淬火时由于等温热介质的温度较高，冷却能力较小，等温淬火时加热温度一般比普通淬火时要高温淬火时加热温度一般比普通淬火时要高3080。（二）（二） 等温温度与等温时间等温温度与等温时间 等温温度按钢的机械性能要求来确定。如要求硬度、强度等温温度按钢的机械性能要求来确定。如要求硬度、强度愈高，则等温温度应

25、愈低。等温时间可根据钢的愈高，则等温温度应愈低。等温时间可根据钢的IT图来进行估图来进行估算。算。（三）等温介质（三）等温介质 常用等温介质为融溶硝盐或碱，后者冷却能力比前者稍大。常用等温介质为融溶硝盐或碱，后者冷却能力比前者稍大。7.1.4 冷处理冷处理可看作淬火的继续，将淬火后已冷到室温的工件冷处理可看作淬火的继续，将淬火后已冷到室温的工件继续深冷至零下温度，使淬火后保留下来的残余奥氏体继续继续深冷至零下温度，使淬火后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。向马氏体转变，以达到减少或消除残余奥氏体的目的。一般需进行冷处理的钢种或工件为一些高碳合金工具钢一般需

26、进行冷处理的钢种或工件为一些高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件，为提高其硬度和耐磨性，和经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件，为提高其硬度和耐磨性，或保证其尺寸的稳定性。或保证其尺寸的稳定性。淬火工艺中冷却是关键的工序，为了获得马氏体组淬火工艺中冷却是关键的工序，为了获得马氏体组织，钢淬火时一般都需采取快冷，使其冷速大于临界织，钢淬火时一般都需采取快冷，使其冷速大于临界冷却速度冷却速度Vc，以避免过冷奥氏体发生分解。，以避免过冷奥氏体发生分解。淬火介质淬火介质-是保证将奥氏体工件以足够冷却速度冷是保证将奥氏体工件以足够冷却速度冷却到却到Ms点以点以 下的冷却剂。下的冷却剂。1. 选择淬火介质

27、的宗旨选择淬火介质的宗旨 获得马氏体，抑制珠光体类型转变；获得马氏体，抑制珠光体类型转变； 防止变形与开裂。防止变形与开裂。7.2 淬火介质冷却介质适用钢种范围要宽，使用过程中不变质，不腐蚀冷却介质适用钢种范围要宽，使用过程中不变质，不腐蚀工件，不粘结工件，不易燃，无工害，便宜，来源充足等。工件，不粘结工件，不易燃，无工害，便宜，来源充足等。2.关于理想淬火介质的设想关于理想淬火介质的设想ABCD高温阶段：高温阶段：应慢冷，以减应慢冷，以减小热应力；小热应力；中温阶段：中温阶段：应快冷，抑制应快冷，抑制P转变；转变；低温阶段：低温阶段：应慢冷，以减应慢冷，以减小组织应力。小组织应力。7.2 淬

28、火介质根据冷却过程中的特点分两大类：根据冷却过程中的特点分两大类：1.第一类介质第一类介质-有物态变化的介质有物态变化的介质1）特点：沸点较低，主要靠介质汽化（物态变化）来带走工）特点：沸点较低，主要靠介质汽化（物态变化）来带走工件表面的热量。件表面的热量。2）属于这类的常用介质：水，水溶液（盐水、碱）属于这类的常用介质：水，水溶液（盐水、碱 水、肥皂水、水、肥皂水、水玻璃水、过饱和硝盐水溶液、聚乙烯醇水溶液等）和油水玻璃水、过饱和硝盐水溶液、聚乙烯醇水溶液等）和油（植物油、矿物（植物油、矿物 油）。油）。7.2.1 淬火介质的分类2.第二类介质第二类介质-没有物态变化的介质没有物态变化的介质

29、1）特点：它是依靠辐射、热传导和对流方式冷却工件，不发）特点：它是依靠辐射、热传导和对流方式冷却工件，不发生物态变化。生物态变化。2）属于这类的介质有：熔盐、熔碱、融熔金属和空气等）属于这类的介质有：熔盐、熔碱、融熔金属和空气等。7.2.2 有物态变化的淬火介质（一）冷却特性（一）冷却特性 指试样温度与冷却时间或试样温度与冷却速度之间指试样温度与冷却时间或试样温度与冷却速度之间的关系。测定冷却特性通常采用导热率很高的银球试的关系。测定冷却特性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，利用银球中心样，将其加热后迅速置入淬火介质中，利用银球中心的热电偶测出其心部温度随冷却时间的变

30、化，然后再的热电偶测出其心部温度随冷却时间的变化，然后再根据这种温度根据这种温度-时间曲线换算求得冷却速度时间曲线换算求得冷却速度-温度关系温度关系曲线。曲线。7.2.2 有物态变化的淬火介质2）沸腾阶段）沸腾阶段-BC段段3）对流阶段）对流阶段-CD段段冷却机理示意图冷却机理示意图 1）蒸汽膜阶段）蒸汽膜阶段-AB段段（二）冷却机理（二）冷却机理 赤热工件进入淬火介质中后，其赤热工件进入淬火介质中后，其冷却过程大致可分三个阶段冷却过程大致可分三个阶段7.2.2 有物态变化的淬火介质产生蒸汽膜示意图产生蒸汽膜示意图 1. 蒸汽膜阶段蒸汽膜阶段-AB段段冷却剂冷却剂 蒸蒸汽汽 被加热的工件投入淬

31、火介质被加热的工件投入淬火介质后，一瞬间就在工件表面产后，一瞬间就在工件表面产生大量的过热蒸汽，形成一生大量的过热蒸汽，形成一层紧紧包围着工件的蒸汽膜，层紧紧包围着工件的蒸汽膜，这是不良导体。这是不良导体。7.2.2 有物态变化的淬火介质此时工件冷却主要靠辐射传热，所此时工件冷却主要靠辐射传热，所以冷较缓慢。开始冷却时，工件所放以冷较缓慢。开始冷却时，工件所放出的热量比介质从蒸汽膜吸收的热量出的热量比介质从蒸汽膜吸收的热量多，多，蒸汽膜形成速度蒸汽冷凝速蒸汽膜形成速度蒸汽冷凝速度，使蒸汽膜厚度度，使蒸汽膜厚度 ，随着冷却进行，随着冷却进行，工件表面工件表面T ，放出热量，放出热量 ，蒸汽的，蒸

32、汽的冷凝速度逐渐蒸汽形成速度，使蒸冷凝速度逐渐蒸汽形成速度，使蒸汽膜厚度汽膜厚度 ，最后不稳定而破裂，进，最后不稳定而破裂，进入第二阶段入第二阶段（蒸汽膜开始破裂的温度蒸汽膜开始破裂的温度称该介质的特性温度称该介质的特性温度B点点）。）。 冷却剂冷却剂 蒸蒸汽汽 产生蒸汽膜示意图产生蒸汽膜示意图 7.2.2 有物态变化的淬火介质蒸汽膜破裂后，淬火介质直蒸汽膜破裂后，淬火介质直接与工件接触，不断汽化，形成接与工件接触，不断汽化，形成大量汽泡逸出，原汽泡占据位置大量汽泡逸出，原汽泡占据位置不断为冷的介质所补充，而使得不断为冷的介质所补充，而使得介质产生强烈沸腾，由于介质的介质产生强烈沸腾，由于介质

33、的不断汽化和更新，带走了大量热不断汽化和更新，带走了大量热量，所以该阶段的冷速较快。量，所以该阶段的冷速较快。冷却剂冷却剂 汽汽 泡泡 2.沸腾阶段沸腾阶段-BC段段产生气泡示意图产生气泡示意图 7.2.2 有物态变化的淬火介质冷却剂冷却剂 汽汽 泡泡 这段的冷速取决于介质的汽这段的冷速取决于介质的汽化热，汽化热化热，汽化热 ，则从工件带，则从工件带走的热量走的热量 ，冷速也就，冷速也就 。当工。当工件温度降到介质的沸点时，沸件温度降到介质的沸点时，沸腾即告停止，进入第三阶段。腾即告停止，进入第三阶段。沸腾阶段产生气泡示意图沸腾阶段产生气泡示意图 7.2.2 有物态变化的淬火介质冷却剂冷却剂

34、3. 对流阶段对流阶段-CD段段当工件温度低于介质的沸当工件温度低于介质的沸点时，冷却主要靠介质的点时，冷却主要靠介质的对流来进行。随着工件和对流来进行。随着工件和介质的温差介质的温差 ，冷速也就，冷速也就逐渐逐渐 ，此时，介质的比，此时，介质的比热，导热率和粘度对逐段热，导热率和粘度对逐段的冷速起作用。的冷速起作用。对流阶段示意图对流阶段示意图7.2.2 有物态变化的淬火介质（三）常用淬火介质（三）常用淬火介质（1）特性：）特性：水具有经济、化学稳定性高、热容量大的特水具有经济、化学稳定性高、热容量大的特点（室温时水的热容量点（室温时水的热容量C=1千卡千卡/公斤公斤，是钢的，是钢的8倍），

35、倍），汽化热很大（在汽化热很大（在0为为597千卡千卡/公斤，在公斤，在100时为时为539千卡千卡/公斤），水的导热率（公斤），水的导热率（）比较大，在）比较大，在20时为时为=0.52千千卡卡/米米小时小时。水是淬火工艺中应用最广泛的一种水是淬火工艺中应用最广泛的一种介质，但水不是理想的淬火介质。介质，但水不是理想的淬火介质。1. 水（水（H2O）7.2.2 有物态变化的淬火介质（2）水的冷却性能）水的冷却性能（20水温时）水温时）特性温度：特性温度：380最大冷却速度：最大冷却速度：Vmax770/S最大冷却速度的温度：最大冷却速度的温度：T280静止水的冷却能力静止水的冷却能力7.2.

36、2 有物态变化的淬火介质静止水的冷却能力静止水的冷却能力20 80时，最大冷速从时，最大冷速从780/S 约约210/S，约，约 4倍，倍，同时最大冷却出现的温度从同时最大冷却出现的温度从300 150。可见：水在高可见：水在高温、中温的冷却能力不强，但温、中温的冷却能力不强，但300时却很大。时却很大。（3）水温对冷却速度影响很大）水温对冷却速度影响很大7.2.2 有物态变化的淬火介质静止水的冷却能力静止水的冷却能力由由C曲线可知：淬火钢件需曲线可知：淬火钢件需要在高、中温区冷速大，要在高、中温区冷速大，特别是在中温特别是在中温550650的的鼻尖处，需要快冷，而水鼻尖处，需要快冷，而水却冷

37、速最大，这样一来，却冷速最大，这样一来，即使淬硬，也会使组织应即使淬硬，也会使组织应力、热应力很高。力、热应力很高。所以水所以水不是理想的淬火介质。不是理想的淬火介质。7.2.2 有物态变化的淬火介质（a）静止水）静止水 （b）循环水）循环水（1）冷却性能（）冷却性能（20水温）水温） 特性温度：约特性温度：约800 最大冷却速度：最大冷却速度： Vmax2000/S， 最大冷却速度的温度：最大冷却速度的温度： T5802. 盐水盐水盐水具有减小盐水具有减小蒸汽膜的稳定蒸汽膜的稳定性，缩短蒸汽性，缩短蒸汽膜阶段的特点膜阶段的特点7.2.2 有物态变化的淬火介质（2）盐水的浓度对冷却能力）盐水的

38、浓度对冷却能力影响很大影响很大 10% 25%时，时，Vmax由由2000/ S 800/S（2.5倍）。倍）。 NaCl含量在含量在1015时为佳。时为佳。 淬火时使盐水温度保持在淬火时使盐水温度保持在2040为好。为好。 7.2.2 有物态变化的淬火介质3. 油油淬火用油有植物油与矿物油两大类，常用的为矿物油。淬火用油有植物油与矿物油两大类，常用的为矿物油。（1 1）特点：）特点：油的沸点约在油的沸点约在250250400400，蒸汽膜在较高温度就开，蒸汽膜在较高温度就开始破裂（特性温度较高），最大冷却速度移向较高始破裂（特性温度较高），最大冷却速度移向较高温度，低温区（温度，低温区（30

39、0300200200）冷却速度较慢，在）冷却速度较慢，在200200时，约为水的时，约为水的1/281/28左右。但高温区的冷速仅为左右。但高温区的冷速仅为水的水的1/51/51/61/6。只能适用于合金钢或小尺寸碳钢工。只能适用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。件的淬火。7.2.2 有物态变化的淬火介质（2）国内快速淬火油的冷却性能）国内快速淬火油的冷却性能 特性温度：约特性温度：约620特性温度的时间：特性温度的时间：3.5S 800冷到冷到400时间：时间：4.0S 最大冷却速度：最大冷却速度：Vmax400S，最大冷却速度的温度：最大冷却速度的温度：T5007.2.2 有物态变化的淬火介

40、质（3）影响油冷却能力的主要因素：）影响油冷却能力的主要因素：粘度、油温粘度、油温 油的粘度大，则流动性差，降低汽泡逸出速度和油的粘度大，则流动性差，降低汽泡逸出速度和对流使热速度，使冷却能力对流使热速度，使冷却能力 ，反然亦知。，反然亦知。 油温对冷速影响不大，如油温对冷速影响不大，如10机油，机油，2080的的Vmax相同，位置基本不变。相同，位置基本不变。一般使用一般使用1020机油作淬火介质，使用温度机油作淬火介质，使用温度6080（共闪点（共闪点165170）以免着火。）以免着火。7.2.2 有物态变化的淬火介质7.2.2 有物态变化的淬火介质（四）冷却强度（四）冷却强度 为了反映不

41、同介质对工件的冷却能力，便于相对比较，规为了反映不同介质对工件的冷却能力，便于相对比较，规定以定以18静止水的冷却能力作为标准，定义其冷却强度静止水的冷却能力作为标准，定义其冷却强度H=1。 搅动及搅动程度对淬火介质的冷却强度搅动及搅动程度对淬火介质的冷却强度H有很大影响。有很大影响。剧烈搅动时油的冷却能力为静止油的剧烈搅动时油的冷却能力为静止油的4倍。倍。7.2.3 无物态变化的淬火介质主要指溶盐、溶碱及溶融金属，多用于分级淬火及等温淬主要指溶盐、溶碱及溶融金属，多用于分级淬火及等温淬火。火。传热方式靠周围介质的传导和对流。传热方式靠周围介质的传导和对流。冷却能力取决于介质本身的物理性质（如

42、比热、导热性、冷却能力取决于介质本身的物理性质（如比热、导热性、流动性等）和与工件之间的温差。当工件处于高温时，介质流动性等）和与工件之间的温差。当工件处于高温时，介质的冷速很高，当工件接近介质温度时，冷速将迅速降低。的冷速很高，当工件接近介质温度时，冷速将迅速降低。还有些新型淬火介质：还有些新型淬火介质：1)过饱和硝盐水溶液过饱和硝盐水溶液(冷却能理介于水和油之间）：冷却能理介于水和油之间）： 配方：配方：25%NaNO3+49%NaOH+26%KNO3+35%H2O2）水玻璃淬火剂：）水玻璃淬火剂：水稀释成不同浓度的水玻璃溶液水稀释成不同浓度的水玻璃溶液3）氯化锌）氯化锌-碱水溶液：碱水溶

43、液： 配比：配比：49%ZnCl2+49%NaOH+2%肥皂粉，加肥皂粉，加300倍水稀释倍水稀释4）合成淬火剂：）合成淬火剂：0.1%0.4%聚乙烯醇水溶液，少量防腐剂、聚乙烯醇水溶液，少量防腐剂、除锈剂及消泡剂除锈剂及消泡剂5）聚醚淬火剂：）聚醚淬火剂：环氧乙烷与环氧丙烷。环氧乙烷与环氧丙烷。7.2.4 其它新型淬火介质简介7.3 钢的淬透性7.3.1 淬透性的意义淬透性的意义（一）淬硬层与淬透性（一）淬硬层与淬透性 “淬透淬透” 工件表面和心部都获得工件表面和心部都获得M； “未淬透未淬透” 表面表面M，心，心部非部非M。“淬硬层淬硬层” 未淬透工件上具有高硬度马氏体组织的这未淬透工件上

44、具有高硬度马氏体组织的这一层。一层。钢的淬透性属性：钢的淬透性属性：1 1）表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。）表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。2 2）它是钢材本身固有的一个属性，与过冷奥氏体的稳定性）它是钢材本身固有的一个属性，与过冷奥氏体的稳定性（或钢的临界淬火冷却速度）有关。（或钢的临界淬火冷却速度）有关。3 3）在同一淬火条件下：获得淬硬层愈深的钢的淬透性愈好。）在同一淬火条件下：获得淬硬层愈深的钢的淬透性愈好。1.钢的淬透性：钢的淬透性：是指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向。是指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向。7.3.1 淬透性的意义（二）淬硬性与淬透性（二）淬硬性与

45、淬透性 淬硬性淬硬性指钢在正常淬火条件下，所能够达到的最高硬度。指钢在正常淬火条件下，所能够达到的最高硬度。主要与钢中得碳含量有关，取决于淬火加热时固溶于奥氏体主要与钢中得碳含量有关，取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的碳含量。中的碳含量。 从理论上讲，淬硬层深度应是马氏体层的厚度，但在测从理论上讲，淬硬层深度应是马氏体层的厚度，但在测定上有困难。因为定上有困难。因为M中混入少量（中混入少量（51）屈氏体，显微观）屈氏体，显微观察与硬度测试都不易察觉，所以实际上采用从钢件表面到半察与硬度测试都不易察觉，所以实际上采用从钢件表面到半M区（即区（即M和屈氏体各占一半）的深度作为和屈氏体各占一半）的深度

46、作为淬硬层深度淬硬层深度。7.3.1 淬透性的意义淬硬性好的钢，淬透性不一定好，如高碳钢（碳素工具钢）能淬淬硬性好的钢，淬透性不一定好，如高碳钢（碳素工具钢）能淬成成HRC66的高硬度，但淬透性并不好。而低碳高合金钢，淬成的高硬度，但淬透性并不好。而低碳高合金钢，淬成M后，硬度不高，但却获得比高碳钢厚的后，硬度不高，但却获得比高碳钢厚的M层，即淬透性好。层，即淬透性好。（三）淬透性的实际意义（三）淬透性的实际意义 钢的淬透性是正确选用钢材和制定热处理工艺的重要依钢的淬透性是正确选用钢材和制定热处理工艺的重要依据之一。据之一。 钢的淬透性高低取决于其淬火临界冷速的大小，而淬火钢的淬透性高低取决于

47、其淬火临界冷速的大小，而淬火临界冷速的大小又取决于过冷奥氏体的稳定性，因此凡是临界冷速的大小又取决于过冷奥氏体的稳定性，因此凡是影响过冷奥氏体稳定性的因素，都将影响到钢的淬透性。影响过冷奥氏体稳定性的因素，都将影响到钢的淬透性。7.3.1 淬透性的意义1）碳的影响碳的影响-影响显著的因素影响显著的因素亚共析钢：亚共析钢：T加加AC3：C ， VK ，而淬透性，而淬透性 ；过共析钢：过共析钢：AccmT加加AC1： C ，Vc ，而淬透性，而淬透性 。钢的钢的A稳定性好，淬透性稳定性好，淬透性 。但继续。但继续C ，则由于，则由于A稳定性稳定性变差，所需变差，所需Vc ，则淬透性，则淬透性 。7

48、.3.1 淬透性的意义碳含量对临界冷却速度的影响碳含量对临界冷却速度的影响2）合金元素的影响）合金元素的影响 除除Ti、Zr、Co外，所有合金元外，所有合金元素都提高淬透性。素都提高淬透性。3）奥氏体晶粒度影响）奥氏体晶粒度影响实际上受加热制度的影响实际上受加热制度的影响T加加、t加加 晶粒晶粒dr 、A成分均匀性成分均匀性 、A稳定性稳定性 、Vc、则淬透性、则淬透性 。合金元素含量（合金元素含量（%）合）合金元素对金元素对VK影响影响7.3.1 淬透性的意义常用：断口检验法、常用：断口检验法、U曲线法、临界直径法、末端淬火法曲线法、临界直径法、末端淬火法1. 断口检验法：根据断口呈现的状态

49、来评定钢的淬透性。断口检验法：根据断口呈现的状态来评定钢的淬透性。2. U曲线法：利用从表层到心部的硬度分布曲线。曲线法：利用从表层到心部的硬度分布曲线。3. 临界直径法临界直径法 同一组同一组U曲线法试样（曲线法试样（D由小到大）测取到某个心部恰好淬由小到大）测取到某个心部恰好淬透（即达到半透（即达到半M硬度）的那个试样直径，即为临界直径硬度）的那个试样直径，即为临界直径D0。显然，显然，D0 ，则淬透性，则淬透性 。7.3.2 淬透性的确定方法4.末端淬火法末端淬火法Jominy end quench test（GB225-63）a. Specimen size：25100。b. Heat

50、ing temperature：Ac3303040minc. Be quick，Spray cooling（喷水冷却）喷水冷却）（5s）。）。d.磨去两边磨去两边0.20.5，自顶端，自顶端1.5处自下而上，沿轴线打处自下而上，沿轴线打HRC。e. 绘出曲线。绘出曲线。 f. 淬透性表示方法淬透性表示方法JHRCd，例，例J425， 距水冷端距水冷端5处的硬度值为处的硬度值为HRC42。Jominy end quench test7.3.2 淬透性的确定方法7.3.3 淬透性曲线的应用(1) 可求出不同直径棒材截面上得硬度分布可求出不同直径棒材截面上得硬度分布Hardness distribu

51、tion。(a) 水淬；(b) 油淬(2) 根据对工件的硬度要求，应用淬透性根据对工件的硬度要求，应用淬透性(Hardenability)曲线选择适当的钢种及其热处理工艺。曲线选择适当的钢种及其热处理工艺。(3) 根据淬透性曲线，确定钢的临界淬透直径。根据淬透性曲线，确定钢的临界淬透直径。 借助三个图：借助三个图：钢的淬透性曲线；钢的淬透性曲线；碳含量与碳含量与半马氏体区硬度的关系；半马氏体区硬度的关系；确定淬透性的线解图。确定淬透性的线解图。7.3.3 淬透性曲线的应用7.4.1 淬火内应力淬火内应力(Internal Stress) 热处理过程中的瞬时内应力变化极为复杂，难以测量，热处理过

52、程中的瞬时内应力变化极为复杂，难以测量，一般只测量残余内应力（一般只测量残余内应力（Residual stress）。根据内应力）。根据内应力产生的原因不同，可分为产生的原因不同，可分为热应力热应力Thermal stress（温度应力）（温度应力）和和组织应力组织应力Transformation stress（相变应力）（相变应力）1. Thermal Stress 工件在工件在heating（或（或cooling）时，由于不同部位的）时，由于不同部位的temperature difference，导致，导致thermal expansion（或冷却）（或冷却）的不一致所引起的应力称为的不一

53、致所引起的应力称为Thermal Stress 。7.4 淬火缺陷及其防止工件冷却时热应力变化工件冷却时热应力变化0.3%C44圆柱工件水淬后热应力圆柱工件水淬后热应力Change of Thermal Stress1）01: 工件表面散热快，体积收缩快；心部散热慢，体积工件表面散热快，体积收缩快；心部散热慢，体积收缩慢，导致表层呈收缩慢，导致表层呈tensile stress，心部呈，心部呈pressure stress；2）12: 工件表面散热的速度慢于心部的散热速度，表层体工件表面散热的速度慢于心部的散热速度，表层体积收缩速度慢于心部的体积收缩速度；导致表层拉应力逐渐减积收缩速度慢于心部

54、的体积收缩速度；导致表层拉应力逐渐减小，心部压应力逐渐减小，到小，心部压应力逐渐减小，到2时为零；时为零；3）23: 工件表面散热的速度仍慢于心部的散热速度，心部工件表面散热的速度仍慢于心部的散热速度，心部的温度高于表面温度，导致心部的收缩大于表层收缩，从而表的温度高于表面温度，导致心部的收缩大于表层收缩，从而表层压呈应力，心部呈拉应力。层压呈应力，心部呈拉应力。7.4.1 淬火内应力2. 组织应力组织应力(Transformation stress) 经奥氏体化经奥氏体化(Austenization)的钢件在淬火冷却时，由于表层的钢件在淬火冷却时，由于表层冷却较快，其温度先降到冷却较快，其温

55、度先降到Ms点，并发生马氏体转变点，并发生马氏体转变(Martensite transformation)，而马氏体的比容，而马氏体的比容(Specific volume)比奥氏体大，故表层将先产生膨胀；但温度较高的心部此时比奥氏体大，故表层将先产生膨胀；但温度较高的心部此时为发生转变，这样表层的膨胀就会受到心部的牵制，其结果为发生转变，这样表层的膨胀就会受到心部的牵制，其结果也会在工件中产生内应力。这种由于工件表层和心部发生马也会在工件中产生内应力。这种由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而引起的内应力称为氏体转变的不同时性而引起的内应力称为组织应力组织应力。7.4.1 淬火内应力图3

56、-14工件冷却时的温差 Change of transformation stress1）01:工件表面冷却快，先降至工件表面冷却快，先降至Ms点一下，表层的成点一下，表层的成 马氏体转变量马氏体转变量多，体积膨胀量多；心部后降至多，体积膨胀量多；心部后降至Ms点点一下，马氏体转变量少，体积膨胀量一下，马氏体转变量少，体积膨胀量少，导致表层呈压应力，心部呈拉应少，导致表层呈压应力，心部呈拉应力；力；2）12: 工件表面散热的速度慢工件表面散热的速度慢于心部的散热速度，表层体积膨胀速于心部的散热速度，表层体积膨胀速度慢于心部的体积膨胀速度；导致表度慢于心部的体积膨胀速度；导致表层压应力逐渐减小，

57、心部拉应力逐渐层压应力逐渐减小，心部拉应力逐渐减小，到减小，到2时为零；时为零；3）23: 工件表面散热的速度仍工件表面散热的速度仍慢于心部的散热速度，表层的马氏体慢于心部的散热速度，表层的马氏体转变基本停止，而心部的马氏体转变转变基本停止，而心部的马氏体转变量仍在进行，心部的体积膨胀受到表量仍在进行，心部的体积膨胀受到表层的限制，导致表层呈拉应力，心部层的限制，导致表层呈拉应力，心部呈压应力。呈压应力。图3-15工件冷却时组织应力变化Fe-Ni合金900缓冷至300，急冷至室温后的组织应力7.4.2 淬火变形(Quenching Deformation)两种主要形式：两种主要形式：Geome

58、trical shape change of workpiece； Volume change。一、热应力、组织应力和比容差效应造成的变形趋向一、热应力、组织应力和比容差效应造成的变形趋向1. Thermal stress造成的变形趋向造成的变形趋向7.4.2 淬火变形(Quenching Deformation)2. Transformation stress造成的变形趋向造成的变形趋向3. 比容差效应造成的变形趋向比容差效应造成的变形趋向工件的体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小。工件的体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小。二、影响淬火变形的因素二、影响淬火变形的因素1）Hardenabili

59、ty of steel：淬透性好的以组织应力造淬透性好的以组织应力造成的变形为主，淬透性差的以热应力造成的变形成的变形为主，淬透性差的以热应力造成的变形为主。为主。2）Chemical component of Austenitic：奥氏体中碳含奥氏体中碳含量越低，量越低，thermal stress作用越大；奥氏体中碳含作用越大；奥氏体中碳含量越高，量越高，Transformation stress作用越大。作用越大。7.4.2 淬火变形3）Quenching temperature ： 淬火加热温度提高，淬火加热温度提高，Thermal stress and Transformation

60、stress的作用都增大。的作用都增大。4）Quench cooling rate： 冷却速度越大，引起淬火变形就越大。高温段冷却速冷却速度越大，引起淬火变形就越大。高温段冷却速 度大，度大，则热应力大，低温段冷却速度小，则组织应力就小。则热应力大，低温段冷却速度小，则组织应力就小。5）Original structure：原始组织越细小，淬火变形就小。原始组织越细小，淬火变形就小。6）Shape of workpiece (工件形状工件形状)： 形状复杂、有效厚度变化大、不对称等变形大。形状复杂、有效厚度变化大、不对称等变形大。7）淬火前的残余应力大小及分布也会影响淬火变形的程度）淬火前的残