淬火

淬火是将钢加热到临界点Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的一种热处理工艺。

公元前9至8世纪，希腊诗人荷马 (Homer)在其诗篇奥德赛(odysssey)中就有记录用水作为介质进行斧头淬火的论述。

中国在战国时代(公元前4至3世纪)就已经掌握淬火技术，在公元6世纪就有关于用动物油作为介质进行兵器淬火的记载。

20世纪50年代以来，随着金属材料和热处理工艺技术的发展，以及石油化学工业的发展，各国相继研究和发展了各种类型的淬火介质，以适应金属材料和机械制造工业发展的需要，并且对各种火介质的冷却性能及其物理、化学性能，以及评价冷却能力的装置和方法等方面，进行了比较系统的研究。

淬火是一种金属热处理工艺，通过将金属工件加热到适当的温度并保持一段时间，然后迅速浸入淬冷介质中进行快速冷却。常用的淬冷介质包括盐水、水、矿物油和空气等。淬火可以提高金属工件的硬度和耐磨性，通过与不同温度的回火配合，淬火可以显著提高金属的强度，降低其韧性和疲劳强度，并获得综合的机械性能以满足不同的使用要求。此外，淬火还可以赋予一些特殊性能的钢一定的物理化学性能，比如淬火可以增强永磁钢的铁磁性，提高不锈钢的耐蚀性等。在常用的钢加热到临界温度以上时，其室温组织将全部或大部分转变为奥氏体。随后，将钢迅速浸入水或油中进行快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。相比于钢中的其他组织，马氏体具有最高的硬度。然而，在淬火过程中的快速冷却会在工件内部产生内应力，当应力达到一定程度时，工件可能会发生扭曲变形甚至开裂。

淬火的步骤通常包括预热材料至适当温度，保持一段时间以确保温度均匀分布，然后迅速将材料浸入冷却介质中进行冷却。

理想的淬火冷却步骤分3段。第1段是钢铁铸件从炉内出来到进人淬火介质之前，第2阶段是钢铁铸件进入淬火介质快速通过C曲线的临界冷却速度；第3阶段是钢铁铸件以缓慢冷却时通过ms点。

在实际的淬火冷却曲线，第1阶段是铸件从炉内出来到淬火介质中，此时是在空气中进行，因此允许冷却速度慢一些。例如高锰钢由出炉到入水不超过50s，中合金钢出炉到入油不超过45s等等即指此段。第2阶段冷却要快速，要全部得到马氏体。在实际淬火介质中第3阶段冷却速度是第2阶段冷却速度的延续是不会慢下来的，要想在第3阶段实现缓慢冷却就要有干预措施，这是关键所在。

理想淬火冷却曲线

单介质淬火是最常用的淬火方法，工件只浸入一种冷却剂中，冷却到底。在加热到适当温度后，将金属工件迅速浸入单一的淬火介质中，如水、盐水、矿物油、聚合物液体等。不同的淬火介质能够产生不同的冷却速率，从而达到不同的硬化效果。

双介质淬火方法采用两种不同冷却介质的组合。通常先将工件在一种淬火介质中冷却到一定温度，然后再迅速转移到另一种介质中进行继续冷却。这样可以调节冷却速率，得到更加理想的淬火效果。

马氏体分级淬火是一种特殊的淬火方法，旨在在金属工件中形成分级马氏体组织。它通常由多次淬火和回火工艺组成。先将金属加热到适当温度进行X次淬火，然后再回火至适当温度保持一段时间，然后再进行第二次淬火。重复以上步骤多次，形成细小的马氏体颗粒和回火组织，从而获得更均匀的硬度和韧性分布。

贝氏体等温淬火是一种针对某些特殊钢材的淬火方法。在加热到适当温度后，将金属快速冷却到一定温度，然后在该温度保持一段时间，以使贝氏体相变完成。然后再进行相应的冷却过程，形成所需的组织结构。

工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却的目的，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀以X入马氏体区。现在改进为在略低于Ms点的温度分级。实践表明，在Ms点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。

工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于Ms)，工件等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。低碳钢一般不采用等温淬火。

淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证，对热处理后工件的质量有着很大的影响。淬火冷却时首先要保证奥氏体的冷却速度大于钢的临界冷却速度VK，要实现这样的快速冷却就需要借助于淬火介质。介质的冷却能力越强，钢的冷却速度越快，则工件越容易淬硬。以介质的物形来分有液体、气体和固体三种，每一种由于组成物质不同又可分为不同的类别，一般可作如下分类。

水及水溶液是最常用的冷却介质。因水价廉安全，性能稳定，故水常用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。淬火时随着水温升高，水在高温区的冷却能力会显著下降，因此淬火时的水温要控制在 30°C 以下。加强水循环和工件在水中搅动有利于加快水在高温区的冷却速度。

水中加入某些物质如NaCI、NaOH、Na₂CO₃和聚乙烯醇等，能改变其冷却能力以适应某些淬火的要求。如三氯水溶液淬火介质是由 CaC₂、MgC₂、ZnC₂三种盐配制成的溶液，其冷却特性介于水与油之间，特别是其沸点可达300℃以上，有效地控制了工件的淬火畸变与开裂，是一般碳素钢和合金结构钢的理想淬火介质。

有机物水溶液淬火介质都为高分子有机物的聚合物，它的溶解特性，即在水中的溶解能力，对淬火来讲至关重要。一般高分子有机物是不溶于水或难溶于水。即使是能溶于水的高聚物，其溶解过程比小分子物质缓慢得多。此外，有机物水溶液还具有逆溶性。即在工件淬火过程中，因工件表面液温高，当高于该淬火液浊点时，原来溶解在其中的聚合物脱溶出来，粘附在工件表面。在液温降低时，工件表面的粘附的聚合物重新溶解在水中。

植物油具有典型的生物降解特性并且无毒，相对于矿物油基淬火油降解性差，不属于绿色淬火介质，植物油的生物降解性远优于矿物油，但要以植物油为基开发淬火介质产品，要克服其氧化稳定性差的缺点。从环保、性能和资源耗费等方面的因素综合考虑，植物油基淬火油很有希望在不远的将来取代矿物油基淬火油。

淬火油的基础油是矿物油载体，它具有一定的理化性能和基础的冷却性能、光亮性和抗氧化性能。早期热处理采用的淬火油均为矿物油，它具有闪点高、燃点高、粘度低、不易氧化、热稳定性好、使用寿命长等优点，适用于淬透性好、壁薄、形状复杂、要求淬火变形小的工件。但淬火油成本高、油污多，淬火时易引起火灾，因此使用时要考虑经济及安全因素，普通机油的使用温度一般控制在60～80℃，最高不超过120℃。

添加剂如催冷剂的使用是淬火油发展中的重大进步。催冷剂大致分为两类：低温催冷剂和高温催冷剂。低温催冷剂主要是一些表面活性剂，高温催冷剂主要是具有增粘效果的高分子化合物。在人们使用催冷剂提高淬火油冷却性能之前，曾经广泛使用掺合油来提高淬火油冷却性能，催冷剂作为高分子化合物，有着较强的极性，能够在较高的温度下，透过蒸汽膜而吸附在工件的表面，提前进入沸腾阶段，提高特性温度，缩短了特温秒，加快其冷却速度。

熔盐、熔碱类淬火介质的淬火性能优良、淬透力强、淬火变形小，基本无裂纹产生，但污染严重、劳动条件差、耗能多、成本高。溶盐易老化，熔碱蒸气有一定的腐蚀性，主要适用于形状复杂、截面尺寸变化悬殊的工件和工模具的淬火。

溶融金属是指在高温下将金属加热至其熔点以上，使其变为液态状态。溶融金属在淬火过程中可以作为一种特殊的淬火介质，用于淬火高温合金、不锈钢、钢铁等金属材料。溶融金属具有较高的热容量和热导率，可以快速吸收金属材料的热量，使其迅速冷却。溶融金属还可以避免金属表面的氧化和变形，从而提高淬火效果和产品质量。常用的溶融金属淬火介质有铅、锡、铝等。其中，铅和锡可以用于淬火高温合金和不锈钢等材料金属浴具有良好的高温冷却能力。

气体作为一种淬火介质一直处于发展之中。例如，被用作为冷却介质的气体有空气、氩气、氢气等，特别是氮气和氦气。在15年至X前，氩气和氮气开始应用于热处理工艺。气冷真空炉已经几乎取代了用盐或水冷却的盐浴炉用于冷加工钢、热加工钢和高速钢的淬火。采用氮气和氦气的高压气体淬火正在取代油硬化。

流动固体介质是近年来淬火技术发展的新热点之一，目前已从实验室走向了工业应用。它实际上是将固体细粒(如石磨、氧化铝等)与压缩空气以一定的方式合成一种具有某些液相性能的假液态介质，在加热时，它并不象油、水液体介质那样有相变，但具有良好的热传导性能，因此可以用来作加热和冷却介质。在环保方面的优点是固一气流态作为淬火介质不老化，环境危害小，运行成本也可望降低，有望替代或部分矿物油基淬火剂。

产生硬度不足的原因有比功率低、加热时间短、感应器与工件间隙过大等都可使感应加热温度降低，淬火组织X现较多未溶铁素体。加热后至淬冷前的停留时间太长、喷液时间短、喷液供应量不足或压力低、淬火介质冷速慢，使组织X现托氏体等非马氏体组织。

淬火软点是指工件淬火硬化后某一点(或某几点)硬度偏低的现象，属热处理缺陷的一种，是热处理过程中应当竭力避免的。产生淬火软点的原因是喷水孔堵塞或喷水孔太稀，使局部冷速偏低所致，采用碳氮共渗工艺并合理设置工艺参数，能够消除该淬火软点。

产生淬火软带的原因是轴类零件连续淬火时，表面出现黑白相间的螺旋带或沿工件运动方向的某一区域出现直线黑带。黑X域存在未溶铁素体、托氏体等非马氏体组织。要防止感应加热表面淬火中喷水角度小，加热区返水，工件旋转角度与移动速度不协调，工件旋转一周感应器相对移动速度太大，以及喷水孔角度不一致，工件在感应器内偏心旋转等现象发生。

淬火裂纹问题归根结底是个应力问题，产生淬火裂纹的原因是加热时过热、冷却过于激烈、工件含碳量过高、工件表面沟槽、油孔、未及时回火等都易造成淬火裂纹。

淬火零件灼伤、畸变的主要原因是工件与感应器短路，以及淬火冷却时热应力与组织应力太大，应力分布不均匀所致。应该通过提高比功率、缩短加热时间、采用透入式加热，可尽量减少热量向心部传递，从而减少畸变；轴类工件采用旋转加热，可减少弯曲畸变。

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。

淬火是钢铁制造中常用的工艺之一。通过将钢材加热到临界温度以上，然后迅速冷却，可以使钢材的晶体结构发生变化，从而提高其硬度和强度。

淬火工艺广泛应用于汽车制造中的发动机、变速器、传动轴等关键零部件的制造过程中。淬火可以提高零部件的强度和耐磨性，增加其使用寿命。

淬火工艺可应用于造船的钢板加工中。在造船过程中，船体钢板需要经过冷弯、切割、焊接等一系列工艺过程，这些过程可能会导致钢板的结构性能下降。通过使用淬火工艺，可以加强钢板的强度和韧性。通过使用淬火工艺，可以改善船舶装配件的性能。例如，通过淬火可以改善船舶锚链的强度和硬度，提高其耐腐蚀性和耐磨性，从而使其更加耐用。

淬火工艺在X轮轴的制造中起到关键作用。轮轴需要具备较高的强度和耐疲劳性能，通过淬火可以提高轮轴的硬度和韧性，增加其承载能力和使用寿命，X的车体结构件需要具备较高的强度和刚度，通过淬火工艺可以改善结构件的性能。例如，通过淬火可以提高车体结构件的硬度和耐腐蚀性，增加其使用寿命。

发展新型的淬火介质和改进原有淬火介质的性能，是淬火介质的重要发展方向。特别是水溶性淬火介质有着广阔的发展前途，水溶性代油新介质的不断研制成功，将开辟淬火介质的新时代。优良的新型淬火介质，合理地推广使用，并辅之相配套的维护技术，将会极大地提高淬火介质在热处理生产中的工程地位。

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