金屬學(xué)與熱處理

金屬學(xué)與熱處理---第3章鋼的熱處理熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過(guò)加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝，作用:它不改變工件的形狀和尺寸，只改變工件的性能，如提高材料的強(qiáng)度和硬度，增加耐磨性，或者改善材料的塑性、韌性和加工性等。第一節(jié)熱處理的基本原理一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（一） 鋼在加熱和冷卻時(shí)的相變溫度鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm線是反映不同含碳量的鋼在極為緩慢加熱或冷卻時(shí)的相變溫度。但鋼在實(shí)際加熱和冷卻時(shí)不可能非常緩慢，因此，鋼中的相轉(zhuǎn)變不能完全按鐵碳合金相圖中的A1、A3和Acm線，而有一定的滯后現(xiàn)象，即出現(xiàn)過(guò)熱加熱時(shí)）或過(guò)冷（冷卻時(shí)）現(xiàn)象。加熱或冷卻時(shí)的速度越大，組織轉(zhuǎn)變偏離平衡臨界點(diǎn)的程度也越大。為區(qū)別起見(jiàn)，把冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)記作Ar1、Ar3、Arcm；加熱時(shí)的臨界點(diǎn)記作Ac1、A1c3、Accm。例如，共析鋼在平衡狀態(tài)下珠光體和奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度為A1；冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度為Ar1；加熱時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度為Ac1。這些臨界點(diǎn)是正確選擇鋼在熱處理時(shí)的加熱溫度和冷卻時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度的主要依據(jù)。（二） 奧氏體的形成共析鋼在常溫時(shí)具有珠光體組織，加熱到Ac1以上溫度時(shí)，珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。只有使鋼呈奧氏體狀態(tài)，才能通過(guò)不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得所需要的性能。鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，主要包括奧氏體的形成和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。在鐵素體和滲碳體的相界面上首先出現(xiàn)許多奧氏體晶核。這是因?yàn)殍F素體與滲碳體是兩個(gè)具有不同晶體結(jié)構(gòu)的相，在二相界面上有晶格扭曲或原子排列紊亂等缺陷，原子處于高能量狀態(tài)，有利于奧氏體核形成。奧氏體晶核形成后，便開(kāi)始長(zhǎng)大。它是依靠鐵素體向奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入而進(jìn)行的。鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度比滲碳體溶解快，因此，鐵素體消失后，仍有部分殘余滲碳體，它將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，繼續(xù)不斷地向奧氏體溶解直至全部消失。在剛形成的奧氏體晶粒中，由于原是滲碳體層地方的碳濃度高于原是鐵素體層地方的碳濃度，必須繼續(xù)保溫通過(guò)碳原子擴(kuò)散才能獲得均勻的奧氏體組織。亞共析鋼與過(guò)共析鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程與共析鋼相似，其差別在于：當(dāng)亞共析鋼被加熱到Ac1~Ac3之間溫度時(shí)，尚有一部分未溶的鐵素體存在。過(guò)共析鋼被加熱到Ac1~Accm之間溫度時(shí)，尚有一部分未溶的二次滲碳體存在，即不完全奧氏體化。只有進(jìn)一步加熱到Ac3或Accm以上并保溫一定時(shí)間，才能獲得單一奧氏體組織。由此可見(jiàn)，保溫不僅是為了使工件熱透，即工件心部達(dá)到與表面同樣的溫度，還為了獲得均勻一致的奧氏體組織，以便在冷卻時(shí)得到良好的組織和性能。（三） 奧氏體晶粒的長(zhǎng)大由于珠光體層比較細(xì)密，在向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)形成的晶粒較多，因此，當(dāng)珠光體剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，奧氏體晶粒還是很細(xì)小的。這和加熱前珠光體晶粒的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)將奧氏體冷卻后得到的組織晶粒也細(xì)小。如果在形成奧氏體后繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，都會(huì)使奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大。晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。此時(shí)將奧氏體冷卻后得到的組織必然是粗大的。二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種冷卻方式：一是等溫冷卻一一將加熱到奧氏體的鋼迅速冷卻到臨界溫度以下的某一溫度保溫，進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷到室溫，如等溫退火、等溫淬火等。二是連續(xù)冷卻一一將加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如水冷、空冷、爐冷等，如圖19-6所示。等溫冷卻方式對(duì)研究冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變較為方便。現(xiàn)以共析鋼為例分析奧氏體在等溫冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變。過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖19-7為共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，又稱C曲線曲線。在等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始線的左邊為過(guò)冷奧氏體區(qū)，處于尚未轉(zhuǎn)變而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)變階段，這段時(shí)間稱為“孕育期”。在不同等溫溫度下，孕育期的長(zhǎng)短不同。對(duì)共析鋼來(lái)講，過(guò)冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變的“鼻尖”(約550r)附近等溫時(shí)，孕育期最短，即說(shuō)明過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定，易分解，轉(zhuǎn)變速度最快。在高于或低于550°C時(shí)，孕育期由短變長(zhǎng)，即過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性增加，轉(zhuǎn)變速度較慢。轉(zhuǎn)變終了線右邊為轉(zhuǎn)變結(jié)束區(qū)，兩條C曲線之間為轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)。在C曲線下面還有兩條水平線：一條是馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變線Ms，一條是馬氏體轉(zhuǎn)變終了線Mf，在兩條水平線之間為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能根據(jù)共析鋼過(guò)冷奧氏體在不同溫度區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的不同，可分為高溫、中溫及低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，即珠光體型、貝氏體型和馬氏體型的轉(zhuǎn)變。1、高溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)——珠光體型轉(zhuǎn)變共析鋼的過(guò)冷奧氏體在Ar1?550C(鼻溫)溫度范圍內(nèi)，將發(fā)生奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。由于轉(zhuǎn)變溫度較高，原子有足夠的擴(kuò)散能力，能全部等溫分解，最終形成鐵素體■滲碳體組成的機(jī)械混合物，即珠光體型組織。在此溫度范圍內(nèi)，由于過(guò)冷度不同，所得到珠光體的層片厚薄、性能也有不同。為區(qū)別起見(jiàn)分為以下三類：在Ar1?650C之間，由于過(guò)冷度較高，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀鐵素體+粗片狀滲碳體，即珠光體組織。在650?600C之間，由于過(guò)冷度較大，生核較多，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為層片較薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，只有在高倍(1000倍左右)光學(xué)顯微鏡下才能分辨出片層。這種組織為細(xì)珠光體，也稱為索氏體，用符號(hào)S表示在600?550C之間，過(guò)冷度更大。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為層片極薄的鐵素體和滲碳體交替而成的珠光體，即使在高倍光學(xué)顯微鏡下也無(wú)法分辨出珠光體，也稱為屈氏體，珠光體、索氏體和屈氏體實(shí)際上都是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，僅片層粗細(xì)不同，并無(wú)本質(zhì)差異。其力學(xué)性能主要取決于片層間距離。片層間距越小，則強(qiáng)度、硬度越高，塑性和韌性也有所改善。中溫等溫轉(zhuǎn)變區(qū)一一貝氏體型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度在C曲線鼻尖至Ms點(diǎn)之間，即550?230C的溫度范圍。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是過(guò)冷度大，雖有。-Fe晶格結(jié)構(gòu)，但由于轉(zhuǎn)變溫度較低，碳擴(kuò)散能力減弱，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由含碳量過(guò)飽和鐵素體和微小的滲碳體混合而成。這種組織稱為貝氏體，用符號(hào)B表示。在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度不同，可分為上和下貝氏體兩種。⑴在550?350C之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學(xué)顯微鏡下呈羽毛狀，如圖19-9(a)所示。鐵素體形成許多密集而互相平行的扁片，其間斷斷續(xù)續(xù)分布著滲碳體顆粒，但強(qiáng)度低，塑性差，脆性大，生產(chǎn)上很少采用。⑵在350C?Ms之間，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在光學(xué)顯微鏡下呈黑色竹葉狀，如圖19-9(b)所示。鐵素體形成竹葉狀，其內(nèi)分布著極細(xì)小的滲碳體顆粒，這種組織為下貝氏體歸下,) 總之，貝氏體的碳化物不是連續(xù)分布，而是由許多細(xì)顆粒或薄片呈斷續(xù)分布。其次，貝氏體中的鐵素體碳濃度高于珠光體，呈過(guò)飽和固溶狀態(tài)。 與上貝氏體比較，下貝氏體有較高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)塑性、韌性也較好，并有高的耐磨性。因此，生產(chǎn)中常采用等溫淬火的方法來(lái)獲得下貝氏體組織。低溫轉(zhuǎn)變區(qū)——馬氏體型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度在Ms及Mf之間。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是:過(guò)冷度極大，轉(zhuǎn)變溫度很低，碳原子和鐵原子的動(dòng)能很小，都不能擴(kuò)散。所以，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，只發(fā)生Y-Fe—a-Fe的晶格改組，即鐵原子作短距離的移動(dòng)，而無(wú)碳原子的擴(kuò)散，全部被迫過(guò)量地固溶在a-Fe晶格中。碳在a-Fe中的溶解度很小，常溫只有0.008?，從而形成一種過(guò)飽和的固溶組織。這種碳在a-Fe中的過(guò)飽和固溶體稱為馬氏體，用符號(hào)M表示。，熱處理中的淬火就是為了得到這種組織。共析鋼奧氏體過(guò)冷到230°C（Ms）時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨著溫度下降，馬氏體逐漸增多，過(guò)冷奧氏體不斷減少，直至-50C（Mf）時(shí)，過(guò)冷奧氏體才全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。所以Ms與Mf之間的組織為馬氏體和殘余奧氏體。三、等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用在熱處理生產(chǎn)中，通常采用連續(xù)冷卻的方式，如爐冷、空冷、水冷等。因?yàn)檫B續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測(cè)定較難，生產(chǎn)中常用等溫轉(zhuǎn)變曲線定性地估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，即將連續(xù)冷卻時(shí)的冷卻速度線畫在等溫曲線圖上。根據(jù)冷卻速度線和等溫曲線相交位置，大致可估計(jì)出產(chǎn)物可能得到的組織和性能，對(duì)制定熱處理工藝有重要意義。圖19-11為共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖上，估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的情況。圖中V1<V2<V3<V4它們分別表示不同冷卻速度的冷卻曲線。V1——相當(dāng)于爐冷（退火）情況。它與C曲線相交于700?650C，估計(jì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粗片狀珠光體。V2——相當(dāng)于空冷（正火）情況。它與C曲線相交于650?600C，估計(jì)轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物為細(xì)片狀珠光體，即索氏體。V3——相當(dāng)于油冷（淬火）情況，它只與C曲線開(kāi)始轉(zhuǎn)變線相交于鼻尖附近，隨后又與Ms線相交，估計(jì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體和馬氏體。V4——相當(dāng)于水冷（淬火）情況，它不與C曲線相交，而直接與Ms相交并繼續(xù)冷卻，估計(jì)它的組織為馬氏體和殘余奧氏體。Vk（V臨）一一冷卻速度曲線恰恰與C曲線相切，這是由奧氏體直接得到馬氏體的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。凡是大于Vk的冷卻速度都可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變由于是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，往往得到混合組織，如珠光體+索氏體，屈氏體+馬氏體等。而過(guò)冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時(shí)只轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏慕M織。第二節(jié)退火與正火在工廠里各種機(jī)器零件和工具一般都要經(jīng)過(guò)如下的過(guò)程：選原料一一鍛造一一預(yù)先熱處理一一機(jī)械加工一一最后熱處理退火和正火經(jīng)常作為鋼的預(yù)先熱處理工序，安排在鑄造、鍛造和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，為隨后的切削加工及熱處理作好組織準(zhǔn)備。對(duì)于某些不太重要的工件，退火和正火也可作為最終熱處理工序。一、退火退火是將鋼加熱到高于或低于臨界溫度，保溫一段時(shí)間后，然后緩慢冷卻（如隨爐或埋入導(dǎo)熱性能較差的介質(zhì)中），從而獲得接近于平衡組織的一種熱處理工藝。由于退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織，故與其它熱處理工藝比較，退火鋼的硬度最低，內(nèi)應(yīng)力可全部消除，可提高鋼材冷變形后的塑性，又由于退火過(guò)程中發(fā)生重結(jié)晶，故可細(xì)化晶粒，改善組織，所以退火可以達(dá)到各個(gè)不同的目的。根據(jù)鋼的成分和退火目的不同，主要的退火工藝有：完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。完全退火將亞共析鋼工件加熱到Ac3以上（30?50）C，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻下來(lái)的熱處理工藝稱為完全退火，又稱為重結(jié)晶退火。由于奧氏體進(jìn)行全部的重結(jié)晶，故稱為完全退火。它是應(yīng)用最廣泛的退火方法，主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋件有時(shí)也用于焊件。其目的是通過(guò)重結(jié)晶使晶粒細(xì)化，均勻組織，消除應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。完全退火不能用于過(guò)共析鋼，因?yàn)榧訜岬紸ccm以上再緩慢冷卻時(shí)會(huì)析出網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的機(jī)械性能變壞。球化退火是將過(guò)共析鋼工件加熱到Ac1以上（20?30）°C，保溫后，以極慢的冷速通過(guò)A1，使P中的滲碳體和二次滲碳體成為球狀或粒狀，球化退火加熱時(shí)，未完全奧氏體化，因此屬于不完全退火。由于硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體存在，在切削加工時(shí)，對(duì)刀具磨損很大，同時(shí)還增加了淬火時(shí)變形及開(kāi)裂的傾向。因此球化退火可使鋼中碳化物呈球狀化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做好組織準(zhǔn)備。為了便于球化過(guò)程的進(jìn)行，對(duì)于網(wǎng)狀嚴(yán)重的過(guò)共析鋼，應(yīng)在球化退火之前進(jìn)行一次正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。去應(yīng)力退火如果只是單純?yōu)榱讼齼?nèi)應(yīng)力，則用去應(yīng)力退火，又稱低溫退火，消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件等的殘余內(nèi)應(yīng)力，以避免在使用或隨后的加工過(guò)程中產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。 去應(yīng)力退火的加熱溫度為（500?650）C，經(jīng)適當(dāng)保溫后，隨爐緩冷到（200-300）C以下，最后出爐在空氣中冷卻。由此可見(jiàn)，去應(yīng)力退火是在A1以下進(jìn)行的，組織并未發(fā)生變化，主要的作用是在緩慢冷卻的過(guò)程中，使工件各部分均勻冷卻和收縮，這樣就不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力了。二、正火正火是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過(guò)共析鋼）以上（30?50）C的溫度，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的一種操作方法。正火的冷卻速度較退火快些，所得到的組織較細(xì)，即珠光體組織的片層間距較小，強(qiáng)度和硬度較高。因此正火對(duì)于亞共析鋼主要是細(xì)化晶粒，均勻組織，提高機(jī)械性能，對(duì)于力學(xué)性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件，正火可作為最終熱處理；對(duì)于低中碳結(jié)構(gòu)鋼，由于硬度偏低，在切削加工時(shí)易產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，增大表面粗糙度，正火的主要目的是提高硬度，改善切削加工性能，高碳鋼則應(yīng)采用退火；對(duì)于過(guò)共析鋼，由于正火冷卻速度較快，使鋼中滲碳體沿晶界析出不能形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而是呈斷續(xù)的鏈條狀分布，有利于球化退火，為淬火作組織準(zhǔn)備。此外，正火是在爐外冷卻，不占用加熱設(shè)備，生產(chǎn)周期比退火短，生產(chǎn)效率高，能量消耗少，工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，所以，低碳鋼多采用正火來(lái)代替退火。 各種退火和正火的加熱溫度范圍如圖19-12所示。第三節(jié)淬火將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上（30?50）C，保溫后在水或油中快速冷卻的操作工藝稱為淬火一、 淬火目的淬火的目的一般都是為了獲得馬氏體組織，隨后再配合適當(dāng)?shù)幕鼗?，以獲得多種多樣的使用性能。如刃具和量具要求有高的硬度和耐磨性，各種軸和齒輪等要求有較好的強(qiáng)韌性等，都是通過(guò)淬火和回火來(lái)達(dá)到的，淬火回火通常作為最終熱處理。二、 淬火的工藝（一）淬火溫度碳鋼的加熱溫度主要是由鋼中的含C量根據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)確定的，如圖19-13所示為碳鋼的淬火加熱溫度范圍。對(duì)于亞共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac3+（30?50）C，淬火后獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。如將亞共析鋼加熱溫度過(guò)低（于Ac1?Ac3之間），在淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，這樣將造成淬火硬度不足。若將亞共析鋼加熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Ac3以上，將使A晶粒長(zhǎng)大，淬火后得到粗大M，使鋼性能下降，但對(duì)于某些合金鋼為了使其中合金元素完全溶于A中，溫度可適當(dāng)提高。對(duì)于過(guò)共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac1+（30?50）°C,淬火后的組織為馬氏體和粒狀二次滲碳體。滲碳體比馬氏體硬，有利于提高鋼的耐磨性。如果加熱溫度過(guò)高（在Accm以下），不僅會(huì)得到粗片狀馬氏體組織，脆性極大，而且由于奧氏體含碳量過(guò)高，使淬火鋼中殘余奧氏體量增多，使鋼的硬度和耐磨性降低。若淬火溫度過(guò)低，則可能得到非馬氏體組織，鋼的硬度達(dá)不到要求。（二） 淬火冷卻介質(zhì)淬火操作的難度比較大，主要是因?yàn)橐玫今R氏體，淬火的冷卻速度就必須大于該鋼種的臨界冷卻速度，而快冷總是不可避免地要造成很大的內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起鋼件的變形和開(kāi)裂。根據(jù)C曲線可知，要獲得馬氏體組織，并不需要在整個(gè)冷卻過(guò)程中都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在（650?400）C的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻，而在650C以上以及400C以下，過(guò)冷奧氏體較穩(wěn)定，并不需要快速冷卻，特別是在（300?200）C以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，尤其不能快冷，否則因相變應(yīng)力作用容易引起變形和開(kāi)裂。根據(jù)上述要求，冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)是“慢--快--慢”。 實(shí)際上，還沒(méi)有找到一種淬火劑能符合這一理想淬火冷卻速度。生產(chǎn)中常用的冷卻介質(zhì)有水、水溶液、油等。水在（650-400）C范圍內(nèi)冷速很大，保證工件獲得馬氏體組織，但在300C以下冷卻能力仍然很強(qiáng)，工件易發(fā)生變形和開(kāi)裂，這是水的最大弱點(diǎn)。故水一般用于形狀簡(jiǎn)單碳鋼件的淬火。鹽水冷卻能力比一般清水還強(qiáng)，因?yàn)楣ぜ砻娴慕Y(jié)晶鹽發(fā)生爆炸，破壞了包圍工件的蒸汽膜，有利于散熱。油類淬火劑多為礦物油，油在（650?550）C之間冷卻能力較弱，僅為水的1/4，不利于碳鋼的淬硬，但它在（300-200）C范圍內(nèi)冷卻速度比水小得多，相變應(yīng)力小，故油一般用于合金鋼或小尺寸碳鋼件的淬火。常用淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能如表19-2所示。（三） 常用的淬火方法由于淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足要求，除不斷探索新淬火劑外，還必須從淬火方法上加以解決，即利用現(xiàn)有各種淬火劑的不同特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以保證淬火質(zhì)量。單液淬火法將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法。碳鋼放在水中淬火，合金鋼在油中淬火，如圖19-15a所示。這種淬火法操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，適用于形狀簡(jiǎn)單的工件，但此法水冷變形大，油冷難淬硬，可將油、水雙冷結(jié)合起來(lái)進(jìn)行如下的雙液淬火。雙液淬火法將加熱的碳鋼先在水或鹽水中冷卻，冷到（300-400）C時(shí)迅速移入油中冷卻，這種水淬油冷的方法稱為雙液淬火法，如圖19-15b所示。此法既可使工件淬硬，又能減少淬火的內(nèi)應(yīng)力，有效地防止產(chǎn)生淬火裂紋，主要用于形狀復(fù)雜的高碳工具鋼，如絲錐、板牙等。缺點(diǎn)是操作困難，技術(shù)要熟練。分級(jí)淬火法分級(jí)淬火法是把加熱好的工件先投入溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿中快速冷卻停留一段時(shí)間，待其表面與心部達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，它比雙液淬火進(jìn)一步減少了應(yīng)力和變形，而且操作較易。但由于鹽浴、堿浴的冷卻能力較小，故只適用于形狀較復(fù)雜、尺寸較小的工作。等溫淬火法此法與分級(jí)淬火法相類似，只是在鹽浴或堿浴中的保溫時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈邚?qiáng)韌性的下貝氏體組織，然后取出空冷。等溫淬火由于淬火內(nèi)應(yīng)力小，能有效地防止變形和開(kāi)裂，但此法缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期較長(zhǎng)又要一定設(shè)備，常用于薄、細(xì)而形狀復(fù)雜的尺寸要求精確，并且要求強(qiáng)韌性高的工件，如成型刀具、模具和彈簧等。三、鋼的淬透性概念鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。如果工件整個(gè)截面都能得到馬氏體，說(shuō)明工件已淬透。但有時(shí)工件表面冷卻速度大就得到馬氏體組織，而越往心部冷卻速度越小就得到非馬氏體組織。凡是冷卻速度大于臨界冷卻速度的才能得到馬氏體組織，小于臨界冷卻速度的就是非馬氏體組織了，如圖19-16所示。淬透性是指鋼獲得淬硬層深度的能力。按理，淬硬層的深度應(yīng)該是全淬成馬氏體的深度，但實(shí)際上，當(dāng)鋼的淬火組織中有少量非馬氏體(如托氏體)時(shí)，硬度值并不明顯變化，金相檢驗(yàn)也較困難。因此一般規(guī)定從工件表層深入到半馬氏體區(qū)(馬氏體與非馬氏體組織各占一半的地方易測(cè)定硬度)的深度為淬硬層深度。淬硬層越深，就表明鋼的淬透性越好，如果淬硬層深度達(dá)到心部，則表明該鋼全部淬透。鋼的淬透性好壞對(duì)機(jī)械性能影響很大，當(dāng)工件整個(gè)截面都淬透時(shí)，回火后表面和心部得到完全一致的機(jī)械性能。若不能全部淬透，表面和心部的組織不同，經(jīng)回火后的性能就不一致，未淬透部分的屈服強(qiáng)度、沖擊韌性會(huì)顯著下降。生產(chǎn)實(shí)踐表明，并非所有的機(jī)械零件都必須完全淬透。例如，承受彎、扭應(yīng)力的軸類零件，表面熱處理的零件等，只需要一定深度的淬硬層就已滿足使用要求，就可選用低淬透性的鋼，不必強(qiáng)調(diào)全部淬透。 鋼的淬透性主要決定于臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越小，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性就越好，反之，則降低鋼的淬透性。因此，除Co以外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。應(yīng)當(dāng)指出，鋼的淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。淬硬性指淬火后獲得的最高硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量。淬透性好的鋼，它的淬硬性不一定高。如高碳工具鋼與低碳合金鋼相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。第四節(jié)回火經(jīng)過(guò)淬火后的鋼應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，以保證達(dá)到所需要的性能要求。工件淬火后，其性能是硬而脆，并存在著由于冷卻過(guò)快而造成的內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起工件變形甚至開(kāi)裂的危險(xiǎn)?；鼗鹁褪菍⒋慊鸬匿撝匦录訜岬紸c1以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后置于空氣或水中冷卻。一、回火的目的降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開(kāi)裂。調(diào)整和穩(wěn)定淬火鋼的結(jié)晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。獲得不同需要的機(jī)械性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕鼗饋?lái)獲得所要求的強(qiáng)度、硬度和韌性，以滿足各種工件的不同使用要求，淬火鋼經(jīng)回火后，其硬度隨回火溫度的升高而降低，回火，一般也是熱處理的最后一道工序。二、回火時(shí)組織與性能的變化淬火鋼中的馬氏體及殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。隨回火溫度的升高，鋼的組織也相應(yīng)發(fā)生以下四個(gè)階段的轉(zhuǎn)變：第一階段：馬氏體的分解(100?250)°C在(100?200)°C時(shí)，馬氏體開(kāi)始分解，固溶在馬氏體中的過(guò)飽和碳原子部分以極細(xì)的￡碳化物(即￡-Fe2.4C)的形式析出，使過(guò)飽和