淬火

　　將鋼從高溫奧氏體區快速冷卻，使過冷的奧氏體產生非擴散性轉變產物──馬氏體的金屬熱處理工藝（見馬氏體相變，過冷奧氏體轉變圖）。

　　淬火是使鋼強化的基本手段之一，將鋼淬火成馬氏體，隨後回火以提高韌性，是使鋼獲得高綜合機械性能的傳統方法。為瞭充分發掘鋼的強度，必須首先使鋼完全轉變成馬氏體，即必須以足夠快的速率冷卻，避免奧氏體在淬火過程中分解成鐵素體、珠光體或貝氏體一類組織，這一速率稱為臨界冷卻速率，一般也稱作臨界冷卻速度。有些高高合金鋼如沉淀硬化型不銹鋼（17-7PH鋼等），或有色金屬如硬鋁合金(Al-Cu-Mg系合金)等，也都進行類似淬火的快冷處理，但它們的目的是為瞭把高溫相（分別為奧氏體和α固溶體）保持到室溫，使其呈過飽和狀態，以後需另通過時效處理才能使材料硬化，這類淬火稱為固溶熱處理。

　　從工藝的角度出發，淬火溫度和淬火介質的選擇，是影響淬火效果的重要因素，而這些都取決於鋼和合金的性質。就鋼的性質而言，鋼在淬火中形成馬氏體的能力取決於鋼的臨界冷卻速度（鋼的淬透性）。鋼的淬透性則是由奧氏體的成分和其他一些因素，如奧氏體晶粒度、合金元素在奧氏體中分佈的均勻程度等決定的。確定鋼的淬透性至關重要，它是選擇淬火工藝參數的重要依據。

　　淬火加熱溫度　簡稱淬火溫度，選擇標準應以能得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便於冷卻後獲得細小的馬氏體。碳鋼的淬火加熱溫度范圍如圖1所示。一般亞共析鋼的淬火溫度為A_c3以上30～50℃，淬火後獲得馬氏體組織。如淬火溫度選在A_c1～A_c3之間，一部分先共析鐵素體依然存在；在淬火後的組織中，除馬氏體外，將混有低硬度的鐵素體，降低力學性能。如加熱至A_c3以上的過高溫度，奧氏體晶粒粗化，淬火後獲得的馬氏體組織也粗大，脆性增加；且淬火變形大，易造成淬火開裂。過共析鋼的淬火溫度為A_c1以上30～50℃；淬火後獲得馬氏體和未溶的粒狀滲碳體組織，殘留奧氏體也少。如加熱至A_cm以上，先共析滲碳體將全部溶入奧氏體，使奧氏體的碳量增加，奧氏體晶粒長大，馬氏體轉變起始點M_s和終瞭點M_s降低；淬火後不僅馬氏體粗大，而且有大量殘留奧氏體。對於低合金鋼的淬火溫度，可根據其臨界溫度A_c和A_c3及所含合金元素的性質，參照上述原則確定。

　　若鋼中含有強碳化物形成元素，淬火溫度一般應偏高些，以加速碳化物的溶解，增大奧氏體中碳和合金元素含量，從而提高過冷奧氏體的穩定性；對於含碳、錳較高的鋼，應采用較低的淬火溫度，以避免奧氏體晶粒粗化。淬火加熱過程中的氧化、脫碳直接影響淬火後工件的使用壽命，為此采用鹽浴加熱、可控氣氛加熱或真空加熱等方法。

　　淬火冷卻介質　淬火時鋼制件中需要得到100％馬氏體的部位，其冷卻速度(冷卻速率)必須大於臨界冷卻速度，否則不能充分淬硬和達到要求的淬硬深度。但是冷卻速度過大在奧氏體向馬氏體轉變過程中將產生巨大的組織應力和熱應力，使工件變形並有開裂的危險。為瞭解決上述矛盾，鋼的合理的淬火冷卻過程應如圖2所示。通常要求在珠光體轉變區或貝氏體轉變區等奧氏體最不穩定區域要快速冷卻，以防止其分解，通過馬氏體轉變區域要較緩慢冷卻，以減小奧氏體轉變馬氏體時出現的應力。常用淬火介質及其冷卻速度如表所示。實際生產中可根據鋼種的特性選擇冷卻介質，如碳鋼的臨界冷卻速度大，應選用水、鹽水等冷卻能力較強的介質；合金鋼的臨界冷卻速度小，可采用比較緩和的介質如油等。

　　由表內可以看到，水在200～300℃區域的冷卻速度過大，易於使鋼淬裂；油在550～650℃區間的冷速過小，不易使淬透性小的鋼淬硬。近年來廣泛研究采用冷卻能力介於水和油之間的冷卻介質，使高溫區的冷卻能力接近於水，低溫區的冷卻能力接近於油，如水玻璃、過飽和硝酸水溶液、聚乙烯醇溶液等。

常用淬火介質的冷卻速度

　　鋼的淬透性　淬透性是鋼的基本性質之一。它不同於淬硬性，後者指馬氏體的硬度值，主要決定於鋼中含碳量。淬透性的大小是用理想臨界直徑D_I作為指標來衡量的，它是鋼棒在冷卻烈度（見後文）為∞的介質中冷卻時，心部形成50％馬氏體時的直徑。在其他淬火介質(如水、油等)中冷卻時，所得到的臨界直徑D_c均較D_I為小。其中50％馬氏體轉變量是為瞭便於測量而人為選定的，可通過金相檢驗和硬度測量確定。圖3中的曲線表示硬化層中含有不同百分數的馬氏體時的硬度值和含碳量的關系。一定尺寸的圓棒淬火時，表面和心部的冷卻速度顯然不同，工件中不同部位的冷卻速度與鋼的連續冷卻轉變圖的關系見圖4a；冷卻速度超過臨界冷卻速度的部分轉變成馬氏體（影線部分），見圖4b；小於臨界冷卻速度的心部則出現非馬氏體組織（套色部分）。很明顯，淬透層的深度取決於臨界冷卻速度的大小，因而可通過加入合金元素來降低鋼的臨界冷卻速度，使鋼的淬透層深度增加。最常用的確定鋼的淬透性方法是頂端淬火試驗。

　　頂端淬火試驗　或稱Jominy試驗，是一種測定淬透性的簡便方法，在許多國傢已標準化。圖5a是用標準試樣經適當奧氏體化後進行頂端淬火的示意圖。頂端淬火時冷卻速度由淬火端沿試棒逐漸減小，組織和硬度隨之相應地變化，由此得到的硬度變化曲線（圖5b）稱為淬透性曲線或Jominy曲線。嚴格地說，這種曲線隻對某一爐次的鋼有效；對於某一定鋼種來說，由於化學成分的差異（成分波動及偏析）、預先熱處理工藝的差異（顯微組織上的差異），其淬透性曲線可在相當大的范圍內波動，形成一個淬透性帶(Jominy帶)，如圖6所示。工業用鋼的淬透性曲線幾乎都已測定，並匯集成冊供查閱參考。根據Jominy試驗結果，鋼的淬透性大小可通過以下途徑確定：

　　①直接用試棒頂端至半馬氏體區的距離J₅₀。

　　②用臨界直徑D_c表示 臨界直徑指鋼在一定冷卻介質（如油或水）中淬火時能淬透(中心形成50％馬氏體)的最大直徑，生產中常用以表示淬透性的大小，圖7為其示意圖。D_c可以從不同直徑的鋼棒由試驗得到，稱格羅斯曼(Grossmann)法，也可在用頂端淬火試驗得出J₅₀後，利用圖8查出的某種介質中淬火時的臨界直徑D_c。

　　③用理想臨界直徑D_I表示 臨界直徑D_c雖然可以在規定介質條件下對鋼的淬透性進行定量比較，但仍缺乏普遍意義，因為當淬火介質改變時，雖然鋼的淬透性並不改變，但工件的淬透直徑卻發生變化。為瞭定量地表示冷卻介質的冷卻能力而引入瞭冷卻烈度H，靜止水的烈度規定為1，以作為和其他淬火介質比較的標準；理想淬火介質（淬火時使熱的試棒表面立即冷到介質溫度）的H值為無窮大；一些常用實際淬火介質的H值分別為0.02～5不等。這樣，鋼的淬透性可以簡便地用理想臨界直徑D_I加以表示和進行比較。對於某一定成分的鋼，D_I表示一個圓柱形棒在理想淬火條件下，中心形成50％馬氏體時的直徑。在用頂端淬火試驗確定出J₅₀後，利用圖9即可確定出這個鋼的D_I。圖9也可用於查出在不同烈度H下（各種淬火介質下）的D_c。

　　奧氏體晶粒度和化學成分對淬透性的影響　奧氏體晶粒度和化學成分是影響淬透性最重要的兩個因素。鋼的淬透性隨奧氏體晶粒度增大和晶粒界面積減小而提高，這是因為可供鐵素體和珠光體形核的位置減少，延緩瞭這些轉變的速度。鋼中合金元素一般延緩奧氏體分解，使轉變曲線(TTT曲線或CCT曲線)右移，從而提高淬透性。為瞭定量估算它們的影響曾經提出一些計算方法，如格羅斯曼(M.A.Grossmann)和霍洛曼(J.H.Holloman)所提出的公式，經莫澤爾(A.Moser)和萊格特(A.Legat)改進後得到的計算理想臨界直徑D_I的經驗公式為：

D_I=D₀×2.21％Mn×1.40％Si×2.13％Cr×3.275％Mo×1.47％Ni

其中 D ₀為基本臨界直徑，主要決定於奧氏體的含碳量和晶粒度，可由圖10查出；列於各元素前面的數字是該元素含量（重量）為1％時的淬透性系數，數值越大，表示對淬透性的貢獻越大。這樣的計算隻能用作對淬透性的粗略估算。

　　近年來，利用工業上大量積累的Jominy曲線實驗數據，運用數理統計方法建立瞭鋼中所含元素與J曲線和硬度(HRC)分佈的關系，歸納出如下公式：

式中 J _8～80是指距頂端8～80mm范圍內各點的硬度(HRC)值； s是距頂端距離(mm)； K是奧氏體晶粒度級別數。這個公式隻適用於下列成分范圍的鋼：C＜0.6％；Cr＜2％；Mn＜2％；Ni＜4％；Mo＜0.5％；V＜0.2％。除瞭主要合金元素以外，算式也考慮瞭鋼中微量殘留元素的作用。目前，這種由合金元素含量計算鋼材淬透性曲線的較精確公式已逐步建立起來，並利用電子計算機對鋼水實行 J曲線的爐前調整。

　　淬透性和淬火工藝　為瞭保證工件淬火時得到完全馬氏體組織，一般來說要求選用的鋼有足夠的淬透性。如圖11所示，完全淬透的鋼高溫回火後，其力學性能沿截面是均勻的；如因鋼的淬透性低而使心部未能淬透，則心部的力學性能特別是沖擊韌性較低。對於給定成分的鋼，選用烈度(H)高的淬火介質可以更快地降低鋼件表面溫度，增大臨界直徑D_c。但這將增大溫度梯度，引起工件翹曲變形，甚至開裂。因此在實際淬火操作中往往需要采用較緩和的冷卻介質，如油或空氣流等。這就要求鋼有高的淬透性。能在空氣中冷卻形成馬氏體的鋼稱為空硬鋼，如一些高合金模具鋼。對中等淬透性的鋼已發展出各種間斷淬火方法。某些情況下並不要求工件完全淬透，如工具和有些機器部件往往希望高疲勞強度或耐磨的硬表面。表面層淬成馬氏體而心部不淬透使表面層中產生壓應力，有利於防止疲勞裂紋的形成和阻止在表面所形成的疲勞源的擴展。

　　

參考書目

　W.Crafts &J.L.Lamont，Hardenability and SteelSelection，Isaac Pitman &Sons，London，1949.

　A.Moser & A. legat，Die Berechnung der Härtbarkeit aus.der Chemischen Zusammensetzung，Härterei-Techn.Mitt.241969，H.2.

　《金屬熱処理技術便覧》編集委員會編：《金屬熱処理技術便覧》，日刊工業新聞社，東京，1961。

　E.Just，Formeln der Härtbar Keit，Härterei-Techn.Mitt.231968，H.2.