鋼鐵熱處理的“四把火”
鋼的熱處理工藝就是通過(guò)加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。鋼在加熱和冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為制定正確的熱處理工藝提供了理論依據(jù)，其熱處理工藝參數(shù)的確定必須使具體工件滿足鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，以獲得所需性能。
根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）、表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）及形變熱處理等。按照熱處理在零件整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中位置和作用的不同，熱處理工藝又分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。本文主要對(duì)普通熱處理進(jìn)行知識(shí)整理。
一、鋼的加熱
1. 金屬加熱的物理過(guò)程
傳導(dǎo) | 加熱介質(zhì)與加熱工件表面接觸時(shí)，或受熱工件表面與心部之間、受熱部位與未受熱部分之間發(fā)生的熱量傳輸 |
對(duì)流 | 依靠液態(tài)或氣態(tài)加熱介質(zhì)的分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的熱量傳輸(600-700℃以下) |
輻射 | 通過(guò)加熱體在高溫下產(chǎn)生的電磁波來(lái)傳遞能量的現(xiàn)象(＞700℃，無(wú)需介質(zhì)) |
2.加熱方式與加熱介質(zhì)
3.加熱的目的與要求
熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，目的是為了得到奧氏體組織。
二、鋼的退火與正火
退火和正火是生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝。大部門機(jī)器零件及工、膜具的毛坯經(jīng)退火或正火后，不僅可以消除鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力及成分和組織的不均勻性，而且也能改善和調(diào)整鋼的力學(xué)性能和工藝性能，為下道工序作好組織性能準(zhǔn)備。對(duì)于一些受力不大、性能要求不高的機(jī)器零件，退火和正火亦可作為最終熱處理。對(duì)于鑄件，退火和正火通常就是最終熱處理。
2.1 鋼的退火
退火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其主要目的是均勻鋼的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。
退火的工藝種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（AC1或AC3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均勻化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。各種退火方法的加熱溫度范圍如圖1所示。按照冷卻方式，退火可分為等溫退火和連續(xù)冷卻退火。
完全退火
完全退火是將鋼件或鋼材加熱至AC3以上20～30℃，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼（WC=0.3％～0.6％），其目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善鋼的切削加工性。低碳鋼和過(guò)共析鋼不宜采用完全退火、低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過(guò)共析鋼加熱至Accm以上奧氏體狀態(tài)緩冷退火時(shí)，有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度顯著降低。
不完全退火
不完全退火是將鋼加熱至AC1～AC3（亞共析鋼）或AC1～Accm（過(guò)共析鋼）之間，經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。由于加熱至兩相區(qū)溫度，基本上不改變先共析鐵素體或滲碳體的形態(tài)及分布。如果亞共析鋼原始組織中的鐵素體已均勻細(xì)小，只是珠光體片間距小，硬度偏高，內(nèi)應(yīng)力較大，那么只要進(jìn)行不完全退火即可達(dá)到降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。由于不完全退火的加熱溫度低，過(guò)程時(shí)間短，因此對(duì)于亞共析鋼的鍛件來(lái)說(shuō)，若其鍛造工藝正常，鋼的原始組織分布合適，則可采用不完全退火代替完全退火。
不完全退火用于過(guò)共析鋼主要為了獲得球狀珠光體組織，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低強(qiáng)度，改善切削加工性能，故又稱球化退火。實(shí)際上球化退火是不完全退火的一種。
球化退火
球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。主要用于共析鋼、過(guò)共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度，均勻組織，改善切削加工性，并為淬火作組織準(zhǔn)備。
過(guò)共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當(dāng)，還存在網(wǎng)狀滲碳體。不僅硬度高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時(shí)容易產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。因此，鍛后必須進(jìn)行球化退火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關(guān)鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質(zhì)點(diǎn)，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火加熱溫度一般在AC1以上20～30℃不高的溫度下，保溫時(shí)間亦不能太長(zhǎng)，一般以2～4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間等溫。
均勻化退火
均勻化退火又稱擴(kuò)散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。為使各元素在奧氏體中充分?jǐn)U散，均勻化退火加熱溫度很高，通常可按最大有效截面或裝爐量大小而定。一般均勻化退火時(shí)間為10～15h。
由于均勻化退火需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，需要再進(jìn)行一次完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過(guò)熱缺陷。
去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火
為了消除鑄件、鍛件、焊接件及機(jī)械加工工件中的殘留內(nèi)應(yīng)力，以提高尺寸穩(wěn)定性，防止工件變形和開(kāi)裂，在精加工或淬火前將工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為去應(yīng)力退火。
鋼的去應(yīng)力退火加熱溫度較寬，但不超過(guò)Ac1點(diǎn)，一般在500～650℃之間。鑄鐵件去應(yīng)力退火溫度一般為500～550℃，超過(guò)550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接鋼件的退火溫度一般為500～600℃。一些大的焊件構(gòu)件，難以在加熱爐內(nèi)進(jìn)行去應(yīng)力退火，常常采用火焰或工頻感應(yīng)加熱局部退火，其退火加熱溫度一般高于爐內(nèi)加熱。去應(yīng)力退火保溫時(shí)間也要根據(jù)工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時(shí)間為3min/mm，鑄鐵的保溫時(shí)間為6min/mm。去應(yīng)力退火后的冷卻應(yīng)盡量緩慢，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。
再結(jié)晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒，同時(shí)消除加工硬化和殘留內(nèi)應(yīng)力的熱處理工藝。經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火，鋼的組織和性能恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。
再結(jié)晶退火既可作為鋼材或其他合金多道冷變形之間的中間退火，也可作為冷變形鋼材或其他合金成品的最終熱處理。再結(jié)晶退火溫度與金屬的化學(xué)成分和冷變形量有關(guān)。當(dāng)鋼處于臨界冷變形度（6%～10%）時(shí)，應(yīng)采用正火或完全退火來(lái)代替再結(jié)晶退火。一般鋼材再結(jié)晶退火溫度為650～700℃，保溫時(shí)間為1～3h，通常在空氣中冷卻。
名稱 | 目的 | 工藝制度 | 組織 | 應(yīng)用 |
完全退火 | 細(xì)化晶粒，消除鑄造偏析， 降低硬度，提高塑性 | 加熱到AC3以上20～30℃， 爐冷至600℃左右空冷 | F＋P | 亞共析鋼的鑄、鍛、軋件，焊接件 |
不完全退火 | 消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度， 改善切削加工性能 | 亞共析：AC1～AC3 過(guò)共析：AC1～ACcm | 改善球狀珠光體組織 | 過(guò)共析鋼 |
球化退火 | 降低硬度，改善切削性能， 提高塑性韌性，為淬火作組織準(zhǔn)備 | 加熱到AC1以上20～40℃， 然后緩冷 | 片狀珠光體和網(wǎng)狀 滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?/span> | 共析、過(guò)共析鋼及合金鋼 的鍛件、軋件等 |
均勻化退火 | 改善或消除枝晶偏析， 使成分均勻化 | Ac3或ACcm以上150～300℃ 碳鋼：1100～1200℃ 合金鋼：1200～1300℃ 均化退火時(shí)間10～15h | 粗大組織 （組織嚴(yán)重過(guò)燒） | 合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件 |
去應(yīng)力退火 | 消除加工硬化， 提高塑性 | 加熱到500～650 ℃緩冷至200 ℃空冷 | 無(wú)變化 | 鑄、鍛、焊、冷壓件及機(jī)加工件 |
再結(jié)晶退火 | 消除殘余應(yīng)力， 提高尺寸穩(wěn)定性 | 加熱到再結(jié)晶溫度，再空冷 | 變形晶粒變成細(xì)小的等軸晶 | 冷變形加工的制品 |
2.2 鋼的正火
正火是將鋼加熱或到Ac3（或ACcm）以上適當(dāng)溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。對(duì)于亞共析鋼來(lái)說(shuō)，正火與完全退火的加熱溫度相近，但正火的冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，正火組織中鐵素體數(shù)量較少，珠光體組織較細(xì)，鋼的強(qiáng)度、硬度較高。
正火過(guò)程的實(shí)質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變。當(dāng)鋼中碳含量Wc為0.6%～1.4%時(shí)，正火組織中不出現(xiàn)先共析相，只有偽共析體系或索氏體。碳含量Wc小于0.6%的鋼，正火后除了偽共析體外，還有少量鐵素體。
正火處理的加熱溫度通常在Ac3或ACcm以上30～50℃，高于一般退火的溫度。對(duì)于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，可采用更高的加熱溫度，讓碳化物充分溶解。正火保溫時(shí)間和完全退火相同，應(yīng)以工件燒透，即心部達(dá)到要求的加熱溫度為準(zhǔn)，還應(yīng)考慮鋼材成分、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。通常根據(jù)具體工件尺寸和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以確定。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對(duì)于大件也可采用吹風(fēng)、噴霧和調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達(dá)到要求的組織和性能。
正火工藝是較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的熱處理方法，主要應(yīng)用于以下幾方面：
改善低碳鋼的切削加工性能
碳含量Wc＜0.25%的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時(shí)易于“粘刀”，通過(guò)正火處理，可以減少自由碳素體，獲得細(xì)片狀珠光體，使硬度提高至140～190HBW，可以改善鋼的切削加工性能。
消除中碳鋼的熱加工缺陷
中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄件、鍛、軋件以及焊接在熱加工后易出現(xiàn)魏氏組織、粗大晶粒等過(guò)熱缺陷和帶狀組織。通過(guò)正火處理可以消除這些缺陷組織，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。
消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火
過(guò)共析鋼在淬火之前要進(jìn)行球化退火，以便于機(jī)械加工，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過(guò)共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時(shí)，將達(dá)不到良好的球化效果。通過(guò)正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。為此，正火加熱時(shí)要保證碳化物全部溶入奧氏體中，要采用較快的冷卻速度抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析組織。
提高普通結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能
一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼結(jié)構(gòu)件采用正火處理，可獲得一定的綜合力學(xué)性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。
2.3退火與正火的選擇
① 含碳量＜0.25％的低碳鋼，常采用正火代替退火
正火的冷卻速度比退火稍快，較快的冷卻速度可以防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，從而提高沖壓件的冷變形性能；用正火可以提高鋼的硬度，改善低碳鋼的切削加工性能；在沒(méi)有其它熱處理工序時(shí)，用正火可以細(xì)化晶粒，提高低碳鋼強(qiáng)度。
② 含碳量在 0.25～0.5％之間的中碳鋼也可用正火代替退火
雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進(jìn)行切削加工，而且正火成本低、生產(chǎn)率高
③ 含碳量在 0.5～0.75％之間的鋼一般采用完全退火
因含碳量較高，正火后的硬度顯著高于退火的情況，難以進(jìn)行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。
④ 含碳量＞0.75％的高碳鋼或工具鋼，一般均采用球化退火作為預(yù)備熱處理，如有網(wǎng)狀二次滲碳體存在，則應(yīng)先進(jìn)行正火消除。
⑤ 正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適應(yīng)于高合金鋼
⑥ 對(duì)于某些不太重要的工件，可在正火狀態(tài)使用，因?yàn)檎鸬玫降乃魇象w組織具有較好的機(jī)械性能。
⑦ 在滿足性能的前提下，盡可能用正火代替退火（經(jīng)濟(jì)性角度考慮）。
三、鋼的淬火與回火
鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要、也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。為了消除淬火鋼的殘留內(nèi)應(yīng)力，得到不同強(qiáng)度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。淬、回火作為各種機(jī)器零件及工、模具的最終熱處理是賦于鋼件最終性能的關(guān)鍵性工序，也是鋼件熱處理強(qiáng)化的重要手段之一。
3.1 鋼的淬火
是指將鋼加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。
對(duì)淬火工藝而言，首先必須將鋼加熱到臨界點(diǎn)（Ac3或Ac1）以上獲得奧氏體組織，其后的冷卻速度必須大于臨界淬火速度（Vc）,以得到全部馬氏體（含殘留奧氏體）組織。為此，必須注意選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟群屠鋮s速度。由于不同鋼件過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性不同，鋼淬火獲得馬氏體的能力各異。實(shí)際淬火時(shí)，工件截面各部分冷卻速度不同，只有冷卻速度大于臨界淬火速度的部位才能得到馬氏體，而工件心部則可能得到珠光體、貝氏體等非馬氏體組織。
（一） 淬火的方法
① 單介質(zhì)淬火
其特點(diǎn)是工件經(jīng)加熱后，置于一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬，也就是直接淬火。
② 雙介質(zhì)淬火
加熱好的工件先在較強(qiáng)冷卻能力的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。
③ 分級(jí)淬火
加熱好的工件先在較強(qiáng)冷卻能力的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。
④ 等溫淬火
工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在稍高于Ms溫度的貝氏體區(qū)下部，工件等溫停留較長(zhǎng)時(shí)間，直到B轉(zhuǎn)變結(jié)束，取出空冷。
⑤ 預(yù)冷淬火法
將加熱好的工件，自爐中取出后在空氣中預(yù)冷一定時(shí)間，使工件溫度降低一些，再置于淬火介質(zhì)中進(jìn)行冷卻的一種淬火方法。
（二） 淬火工藝參數(shù)的確定
① 淬火加熱溫度
亞共析碳鋼在Ac3以上30℃～50℃加熱，是為了獲得晶粒細(xì)小的奧氏體，淬火后可獲得細(xì)小的M組織。
共析和過(guò)共析鋼在淬火加熱前已經(jīng)球化退火，在Ac1 以上30℃～50℃不完全奧氏體化后，組織為（奧氏體和部分未溶的細(xì)粒狀滲碳體），淬火后組織為(馬氏體、部分未溶的細(xì)粒狀滲碳體、殘留的奧氏體)。由于滲碳體硬度高，因此它不但不會(huì)降低淬火鋼的硬度，而且還可以提高它的耐磨性；
② 淬火加熱保溫時(shí)間
淬火加熱保溫時(shí)間指的是工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度算起，直到出爐為止所需要的時(shí)間。它包括工件透熱時(shí)間和組織轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間。
保溫時(shí)間：按照工件的最大厚度或者條件厚度（二者統(tǒng)稱為計(jì)算厚度）來(lái)確定。
③ 淬火冷卻方式
冷卻是淬火的關(guān)鍵，冷卻的好壞直接決定了鋼淬火后的組織和性能。
冷卻介質(zhì)應(yīng)保證：工件得到馬氏體，同時(shí)變形小，不開(kāi)裂。
工件進(jìn)入淬火介質(zhì)應(yīng)采用的操作方法：
厚薄不均的工件，厚的部分應(yīng)該先淬入；
細(xì)長(zhǎng)工件一般應(yīng)垂直淬入；
薄而平的工件應(yīng)該側(cè)放立著淬入；
薄壁環(huán)狀零件應(yīng)沿其軸線方向淬入；
有閉腔或盲孔的工件應(yīng)該使腔口或孔向上淬入；
截面不對(duì)稱工件應(yīng)以一定角度斜著淬入，以使其冷卻均勻。
（三） 鋼的冷處理
鋼的冷處理可以看成是淬火的繼續(xù)，亦即將淬火后已經(jīng)冷到室溫的工件繼續(xù)深冷至0℃以下，使淬火保留下來(lái)的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，以達(dá)到減少或消除殘余奧氏體的目的。冷處理主要是針對(duì)一些高碳合金工具鋼和經(jīng)滲碳或碳氮共滲的結(jié)構(gòu)零件，為提高其硬度和耐磨性，或?yàn)楸ＷC尺寸穩(wěn)定性才采用這一道工序。冷處理應(yīng)在淬火后及時(shí)進(jìn)行，否則會(huì)降低冷處理的效果。
實(shí)踐表明，一般情況下，冷處理穩(wěn)定達(dá)到－60℃～－80℃即可滿足要求。生產(chǎn)中常用的冷處理介質(zhì)及達(dá)到的溫度見(jiàn)下表：
（四） 淬火介質(zhì)
鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點(diǎn)以下所用的冷卻介質(zhì)叫做淬火介質(zhì)。介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越容易超過(guò)鋼的臨界淬火速度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。但是冷卻速度過(guò)大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易于使工件產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。因此，理想的淬火曲線為：
650℃以上緩冷，以降低熱應(yīng)力；
650～400℃快速冷卻，保證全部A不分解；
400℃以下緩冷，減少M(fèi)轉(zhuǎn)變時(shí)的相變應(yīng)力。
對(duì)淬火介質(zhì)的要求：在500～600℃的中溫區(qū)具有冷卻快，而在低溫時(shí)具有冷卻慢。
常用淬火介質(zhì)有水、鹽水或堿水溶液及各種礦物油等。各種介質(zhì)的冷卻特性如表所示：
名稱 | 最大冷卻速度時(shí) | 平均冷卻速度/℃·s-1 | 備注 | ||
所在溫度/℃ | 冷卻速度/℃·s-1 | 650～550℃ | 300～200℃ | ||
靜止自來(lái)水，20℃ | 340 | 775 | 135 | 450 | 冷卻速度系由 Φ20mm銀球所測(cè) |
靜止自來(lái)水，40℃ | 285 | 545 | 110 | 410 | |
靜止自來(lái)水，60℃ | 220 | 275 | 80 | 185 | |
10%NaCl濃度的水溶液，20℃ | 580 | 2000 | 1900 | 1000 | |
15%NaOH濃度的水溶液，20℃ | 560 | 2830 | 2750 | 775 | |
5%Na2CO3濃度的水溶液，20℃ | 430 | 1640 | 1140 | 820 | |
L-AN15全損耗系統(tǒng)用油，20℃ | 430 | 230 | 60 | 65 | |
L-AN15全損耗系統(tǒng)用油，80℃ | 430 | 230 | 70 | 55 | |
3號(hào)錠子油，20℃ | 500 | 120 | 100 | 50 | |
上述幾種淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，均不屬于理想的冷卻介質(zhì)。水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好；油冷卻性能較好，但其冷卻能力又低。因此，尋找冷卻能力介于油水之間，冷卻特性近于理想淬火介質(zhì)的新型淬火介質(zhì)是人們努力的目標(biāo)。由于水是價(jià)廉、性能穩(wěn)定的淬火介質(zhì)，因此目前世界各國(guó)都在發(fā)展有機(jī)水溶液作為淬火介質(zhì)。
（五） 鋼的淬透性
① 淬透性的基本概念
淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來(lái)表示。
淬透層的深度：規(guī)定為由工件表面至半馬氏體區(qū)的深度.同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。
半馬氏體區(qū)的組織是由50%馬氏體和50%分解產(chǎn)物組成的。這樣規(guī)定是因?yàn)榘腭R氏體區(qū)的硬度變化顯著，同時(shí)組織變化明顯，并且在酸蝕的斷面上有明顯的分界線，很容易測(cè)試。
淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，鋼的臨界冷卻速度又取決于過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。
淬透性：鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，主要取決于過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性
淬硬性：鋼淬火后形成的馬氏體組織所能達(dá)到的硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量
② 淬透性的實(shí)際意義
鋼的淬透性是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。工件在整體淬火條件下，從表面至中心是否淬透，對(duì)其機(jī)械性能有重要影響。對(duì)于不同用途的工件，由于其受力情況不同，對(duì)工件表面和心部的機(jī)械性能要求不同，因而要求選用不同淬透性的鋼種制造。
③ 影響淬透性的因素
a. 含碳量
在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好；非共析鋼中，碳含量偏離共析成分越遠(yuǎn)，淬透性越低。
b. 合金元素
除Co和大于2.5％Al以外，其余合金元素溶于奧氏體后，都使過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼的淬透性往往比碳鋼要好。
c. 奧氏體成分均勻性及晶粒度
奧氏體成分越均勻、晶粒度越大，過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性越好，因而降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。
d. 鋼中未溶第二相
鋼中未溶第二相會(huì)成為奧氏體分解的非自發(fā)形核核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。
e. 奧氏體化溫度
提高鋼材的奧氏體化溫度，將使奧氏體成分均勻、晶粒長(zhǎng)大，因而可增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。但奧氏體晶粒長(zhǎng)大，生成的馬氏體也會(huì)比較粗大，會(huì)降低鋼材常溫下的力學(xué)性能。
④ 淬火缺陷及其防止
淬火時(shí)最容易產(chǎn)生的缺陷是變形和開(kāi)裂，其次是氧化與脫碳、硬度不足和軟點(diǎn)等缺陷。
a． 淬火變形與開(kāi)裂
在淬火過(guò)程所發(fā)生的鋼件體積、形狀、尺寸的變化通稱為淬火變形。當(dāng)鋼件內(nèi)的淬火應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)便會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。引起這種現(xiàn)象的根本原因是淬火時(shí)在工件中引起的內(nèi)應(yīng)力。
當(dāng)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的合力超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就發(fā)生變形；當(dāng)兩力的合力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就發(fā)生開(kāi)裂。
b． 氧化與脫碳
工件在空氣等氧化性氣氛中加熱時(shí)，表面會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象；鋼表面氧化的同時(shí)一般都伴隨表面脫碳。
防止工件氧化脫碳的有效措施
在保證組織轉(zhuǎn)變的前提下，加熱溫度應(yīng)盡可能低，保溫時(shí)間應(yīng)盡可能短；
采用脫氧良好的鹽浴爐、保護(hù)氣氛爐或真空爐加熱；
若采用空氣電爐或燃燒爐加熱時(shí)，必須采用適當(dāng)保護(hù)措施，如包套、裝箱、控制爐氣等。
c． 過(guò)熱和過(guò)燒
工件在淬火加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成A晶粒粗大的缺陷稱為過(guò)熱；若加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或發(fā)生晶界氧化稱為過(guò)燒。 過(guò)熱工件在淬火后得到粗大的馬氏體組織，易于引起淬火裂紋。因此，淬火過(guò)熱的工件強(qiáng)度降低，尤其是沖擊韌性、塑性顯著下降，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過(guò)熱可用延長(zhǎng)回火時(shí)間來(lái)補(bǔ)救，嚴(yán)重的過(guò)熱可采用完全退火或正火使晶粒細(xì)化。
過(guò)燒使工件性能嚴(yán)重惡化，極易產(chǎn)生熱處理裂紋，所以過(guò)燒是不允許的熱處理缺陷，一旦出現(xiàn)過(guò)燒則無(wú)法補(bǔ)救，只好報(bào)廢。由于過(guò)熱和過(guò)燒都是加熱溫度過(guò)高引起的，因此預(yù)防的辦法是要制定正確的加熱溫度，并經(jīng)常檢查儀表以保證儀表正常工作。
d． 硬度不足與不均勻
淬火鋼件硬度不均勻主要表現(xiàn)在鋼件表面硬度有明顯忽高忽低現(xiàn)象。這種缺陷可能是由了原始組織粗大且不均勻、冷卻不均勻等原因造成的。可以通過(guò)正火后重新淬火來(lái)消除。
3.2鋼的回火
回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過(guò)程。回火的主要目的是減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工件的性能要求。決定工件回火后的組織和性能的最重要因素是回火溫度。根據(jù)工件的組織和性能要求，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火等幾種。
（一） 回火的種類
（二） 常用回火方式
（三） 回火時(shí)鋼的強(qiáng)度和塑性
·在回火溫度較低時(shí)，由于淬火應(yīng)力的逐漸消除，鋼的強(qiáng)度有所升高，但當(dāng)回火溫度高于250℃后，由于滲碳體的析出，鋼的強(qiáng)度逐漸降低。在整個(gè)回火過(guò)程中，鋼的塑性都是隨著回火溫度的升高而逐漸升高的。
·由于低溫回火時(shí)高碳鋼的脆性很大，拉伸試驗(yàn)時(shí)發(fā)生早期脆斷，因此測(cè)不出強(qiáng)度值。總的規(guī)律一樣：鋼的強(qiáng)度隨著回火溫度升高而逐漸降低，鋼的塑性隨著回火溫度的升高而逐漸升高。
·彈性極限值在300～400℃之間出現(xiàn)峰值。高溫回火后的彈性極限值低是因?yàn)楦邷鼗鼗鸷箐摰膹?qiáng)度太低；而低溫回火后的彈性極限值低是由于內(nèi)應(yīng)力未得到充分消除。
因此，彈簧鋼一般在300～400℃回火。
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