钢的淬火工艺

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第1043页（6588字）

钢的淬火工艺包括淬火加热工艺及冷却工艺．

15．1．5．1 淬火加热工艺

淬火加热工艺包括：加热温度及加热时间的确定、加热方式的确定及加热介质的选用．

1．淬火加热温度

计算淬火加热温度的经验公式为：

共析、过共板钢：t=A_c1+(30～70)℃

亚共析钢： t=A_c3+(30～70)℃

共析、过共析钢必须在A_cl～A_cm之间加热，进行不完全淬火，并使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒，以提高其耐磨性．在实际生产中，不允许过共析钢加热到A_cm以上进行完全淬火，其原因在于：若碳化物完全溶入奥氏体中，马氏体中将出现过多的残余奥氏体，从而会造成多方面的害处．例如：碳含量过高，淬火后全部形成片状马氏体，脆性增加，且奥氏体增加，硬度下降；组织中会失去硬而耐磨的碳化物颗粒，令耐磨性降低等等；而且淬火后会得到粗针状马氏体，显微裂纹增多，令钢的脆性增大；同时会令淬火应力增大，加大工件变形开裂倾向．

对于亚共析钢必须加热到A_c3以上进行完全淬火的原因是：亚共析钢在A_cl～A_c3之间加热淬火时，由于铁素体分布在强硬的马氏体中间，会严重降低钢的强度和韧性，这是不允许的．

需要指出的是：上述经验公式仅供参考，不可死套．几种钢的实际淬火加热温度见表15-3及表15-4．

表15-3 常用结构钢的淬火加热温度t ℃

表15-4 常用工具钢的淬火加热温度t ℃

2．淬火加热时间

计算加热时间的方法很多，最常用的是根据工件有效厚度来计算加热时间，其公式为：

τ=k×D

式中 D——工件有效厚度，mm，D的确定见图15-2；

k——加热系数，若是在800～900℃的箱式炉中加热，k=1min／mm；

若是在盐浴中加热，可按表15-5所列的经验数据选龋

图15-2 工件有效厚度的确定

表15-5 盐溶炉中的加热系数k

需要注意的是：加热温度越高，加热时间越短；工件尺寸越校k值要越大；工件若有尖角、细刃，k值要取小些；对大型工件，特别是大型碳素钢工件，难以淬透，要计算加热时间，只要能使淬透的外层加热好就行了．

15．1．5．2 淬火冷却工艺

需淬火的工件加热后要放到冷却介质中激冷淬火．冷却是淬火的关键工序，它关系到淬火质量的好坏．同时，冷却也是淬火中最易出现问题的工序．淬火技术的高低，主要以冷却操作的优劣来体现．一般的钢淬火都需要快速冷却，例如碳素钢要水冷，合金钢要油冷．快速冷却的目的，是为了防止过冷奥氏体在M_s点以上发生任何分解．根据连续冷却C曲线可知，过冷奥氏体在大约650～400℃(“鼻子”附近)分解最快，因此，只需要在这一温度区间内快冷，而在这以上和以下的温度区内，并不要求快冷，甚至在M_s点以下反而希望冷却慢些，以防止淬火变形和开裂．钢在淬火时，最理想的冷却曲线如图15-3所示．这也是淬火工艺对冷却介质的要求．

1．冷却介质

淬火介质的分类见表15-6．两类淬火介质的冷却曲线见图15-4．

图15-3 钢的理想淬火冷却速度

图15-4 两类淬火介质的冷却曲线

表15-6 两类淬火介质

工厂中常用淬火冷却介质是：水、盐水、碱水、油、热盐浴及热碱浴．

水：优点是在650～550℃范围内有很大的冷却能力，且安全、价廉，对环境污染较小且易控制，易实现自动化，在工厂中常用．其缺点是在300～200℃范围内冷速仍很快，常易引起钢的淬裂．

食盐水溶液：常用5%～15%的NaCl溶液，优点是可增加650～550℃范围内的冷速，且基本上不改变300～200℃时的冷却能力，还可避免淬火软点，使硬度均匀，是工厂中最常应用之淬火介质．

碱水溶液：常用5%～15%的NaOH水溶液，优点是可增加650～550℃范围内的冷速，增加程度比盐水强，基本不改变300～200℃的冷却能力．有时也用30%～60%高浓度碱水，目的是避免复杂零件开裂．碱水淬火后工件表面呈银灰色．缺点是腐蚀性大，化学稳定性差，易变质，故碱水不如盐水用途大．

油：优点是无论在高温650～550℃，还是在低温300～200℃，冷却都很缓慢且油淬火工件一般不易开裂．缺点是易燃，使用性质会逐渐改变，价格高．油是一种常用的淬火介质，包括植物油和动物油两类．植物油如豆油、芝麻油等，冷却特性好，但价高，易老化，寿命短，目前已几乎全被矿物油取代．矿物油的优点是：冷速不大，冷却特性较好，闪点高，着火危险性校黏度适中，工件带油损失校无腐蚀，来源充足，价格低，易实现自动化、机械化．合金钢淬火多用矿物油．

一般而言，碳素钢淬火用水冷，合金钢淬火用油冷．目前开发的一些新淬火剂是：水玻璃-碱水溶液、氯化锌-碱水溶液、过饱和硝盐溶液等．

常用淬火介质的冷却速度见表15-7．常用淬火油的牌号和性能指标见表15-8．四种淬火油的冷却速度曲线见图15-5．

表15-7 常用淬火介质的冷却速度

表15-8 常用淬火油的牌号和性能指标

图15-5 四种淬火油的冷却速度曲线

应该指出下述几点：

首先是淬火油的选用原则．淬火油的牌号排列，是按运动黏度大小编制的．油的黏度越大，则闪点越高，使用温度也可越高．但显见，黏度大，流动性差，气泡逸出速度和对流散热速度变小．提高油温可使黏度减校令冷却能力提高．但油的使用温度必须低于闪点80～100℃，以防着火．所以，淬火油选用的原则是：主要考虑闪点和黏度，同时再考虑冷却特性．

其次是淬火油老化问题．淬火油长期使用后黏度增大，闪点升高，冷却能力下降，表明油老化了．油老化的原因是：赤热工件、空气、工件带入的盐类、氧化皮、水长期与淬火油接触，逐渐使油发生分解、氧化或聚合，油分子变大，故黏度变大，出现老化现象．防止油过早老化的措施是：油勿过热，工件在油中勿不断移动；不用压缩空气搅动淬火油；勿将水带入油中；经常去除油中氧化皮及油渣，最好采用循环过滤和冷却淬火油．这些措施均不十分理想．

由图15-5可知，10号机油的冷却特性不太理想，20号机油就比较好．50号机油更为理想．

低温盐浴或碱浴(第二类淬火介质)：这类介质主要用于分级淬火和等温淬火．最常用的是50%KNO₃+50%NaNO₃的硝盐裕其熔点为145℃，使用温度为180～240℃．若在其中加入2%～3%的水，熔点降到130℃左右，使用温度为150～200℃．若加入20%的水，则熔点更低，使用温度为80℃，特别适用于油淬不硬、水淬开裂的碳素钢的淬火．

低温盐浴过去最常用的是80%KOH+20%NaOH，外加6%的水．这种碱浴的冷却能力强，冷却特性好，但容易老化变质．新的配方是：85%KOH+15%NaOH，外加4%～5%的水．使用温度为150～180℃，其冷却能力和冷却特性与旧碱浴相同，但不易老化，且防锈发兰作用好．

“235盐浴”，即20%NaCl+30%KCl+50%BaCl₂，用于高速钢600℃分级淬火的低温盐裕其熔点为480℃，使用温度是500～850℃．碱浴淬火的缺点是淬硬层较薄．

2．冷却方法

冷却方法，即制定淬火冷却工艺，主要是选择冷却介质及确定冷却方式．

选择冷却介质的原则前文已述，总之一句话：在保证淬硬的前提下，尽量选择较缓和的淬火介质，以减少工件淬火变形及开裂．

淬硬的要求是：(1)达到要求的淬火硬度；(2)达到要求的淬火深度；(3)淬火变形不超过公差范围；(4)不出现淬火组织缺陷；(5)不开裂．

实际生产中，上述(1)及(2)一般可以达到，关键是变形与开裂．为此，必须注意：选择合适介质、正确的冷却方式及正确的冷却操作．

常用的冷却方式有(见图15-6)：

图15-6 淬火冷却方式示意图

1—单液淬火；2—双液淬火；3—预冷淬火；4—M_s点以下分级淬火；5—M_s点以上分级淬火；6—两次分级淬火；7—双液等温淬火；8—等温淬火

(1)预冷淬火．工件从加热炉中取出，先预冷到一定温度再进行淬火，如图15-6中3所示．这样可以减小激冷程度，减小工件内外温差，从而减小淬火内应力，防止变形和开裂．

预冷方法有两种，一种是在空气中预冷，另一种是在另一个预冷炉中等温预冷一段时间，然后淬火．前一种是通过观察火色来掌握温度，待达到预冷温度再淬火．一般碳素钢及低合金钢预冷到表面呈深红色即可淬火，高速钢预冷到颜色由白变黄出现麻点为止，这些均凭经验掌握．高碳工具钢采用后一种方式预冷．等温预冷温度可取A_r1+10℃，等温预冷速度为1min／2～3mm．

预冷温度不能过低，以防止析出游离铁素体和网状碳化物，更不能发生珠光体转变．可根据C曲线来选取预冷温度．

(2)单液淬火．工件在一种淬火介质中一直冷却到底，如图15-6中1所示．这种方式最简单．单独采用水冷或油冷，冷却特性均不理想，易变形或开裂，故发展了双液淬火．

(3)双液淬火．工件先在一种快速冷却介质中冷却，当冷却到300℃左右时，立即转入另一种缓和的介质中冷却，以降低马氏体区的冷速，从而减小淬火应力，防止变形开裂，如图15-6中2所示．例如断面较大的碳素钢工件采用先水淬后油冷的方法，把水和油的长处结合起来，克服了单液淬火的缺点．合金钢采用先油淬后空冷的方法．双液转换的温度一般选在250～350℃，以M_s点附近为宜．在前一淬火液中冷却的时间，一般应根据工件尺寸凭经验掌握．水淬油冷时，工件入水有鸣声，同时发生振动．在鸣声停止或振动停止的瞬间，应立即出水入油．也可按工件直径或厚度每3～6mm水冷1s来计算水淬时间．在油淬空冷时，可按每1mm油冷1s计算油淬时间．

双液淬火的缺点是：难以掌握双液转换的时刻．转换过早易淬不硬，转换过迟又易开裂．为克服此缺点，发展了分级淬火．

(4)分级淬火．工件先在低温盐浴槽或碱浴槽中淬火，淬火温度在M_s点附近．工件在这一温度停留2～5min，令其表面与心部温度均匀后取出空冷，可获得马氏体组织．这种淬火方式称为分级淬火．这种淬火的优点是：工件内外温度均匀，同时进行马氏体转变，可大大减小淬火应力，防止变形和开裂．但分级时间不应过长(一般2～5min)，工件内外温度达到一致即可．分级温度以前都定在略高于M_s点，现在改进后一般为略低于M_s点，效果更好些．分级淬火见图15-6中4、5、6．例如，高碳模具在160℃的碱浴中分级淬火，变形校又能淬硬，故应用广泛．形状复杂的高速工具钢刀具，往往采用600℃和400℃两次分级淬火，以防止变形．

(5)等温淬火．把工件放入温度稍高于M_s点的盐浴或碱浴中淬火，保温足够长的时间令其发生下贝氏体转变后出炉空冷，这种方法称为等温淬火，如图15-6中8所示．中碳以上的钢用等温淬火，目的是获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性．低碳钢不采用等温淬火，因为低碳贝氏体不如低碳马氏体的性能好．

等温淬火应注意下述几点：

(1)等温淬火的温度和保温时间应根据C曲线确定．等温温度要选在转变最快、转变量最大的温度．等温时间要适中，既要保证工件心部充分转变，又要保证不能破坏贝氏体组织形态(即时间不能过长)．

(2)工件断面问题．断面不大的工件便于等温淬火，断面较大工件则应采用双液等温淬火，即先在油中淬火到略高或略低于M_s点的温度，再转入到等温盐浴中进行贝氏体转变，达到等温时间后取出空冷．这样可保证工件心部不发生预先分解．油冷时间可大致按1s／mm来计算，再由工艺试验确定．油冷到略低于M_s点时有少量马氏体形成，从而大大加快了随后的贝氏体转变，这是较好的工艺，如图15-6中7所示．

(3)等温淬火与分级淬火二者有些相似，但本质不同．主要区别在于：分级时间很短，不发生任何转变；等温淬火的等温时间则很长，一般在0．5h以上甚至数十小时，在这么长的时间内会发生贝氏体转变．