钢的淬火、回火是最重要的热处理基本工序。淬火与不同温度的回火相结合，不仅可以显著提高钢的强度和硬度，而且还可以获得不同强度、硬度、塑性、韧性的良好配合，满足服役条件不同的零件对力学性能的要求。它们通常作为获得钢件最终性能的热处理，故称为最终热处理。

将钢加热到 Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一段时间，然后以适当的速度冷却，获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。

5.2.3.1　钢的淬火工艺

1．淬火温度的确定

①亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30～50 °C，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果温度过高，会因奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，使钢的力学性能恶化，特别是塑性、韧性降低；如果淬火温度低于 Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度、硬度下降。

②过共析钢、共析钢的淬火温度一般为Ac1以上30～50 °C，这个加热温度限制了奥氏体的含碳量，减少了淬火组织中的残余奥氏体数量。淬火后获得均匀细小的马氏体和未溶粒状渗碳体（共析钢为均匀细小的马氏体）组织，未溶渗碳体的存在有利于淬火钢的硬度及耐磨性。

2．加热时间的确定

加热时间由升温时间和保温时间组成。由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始；保温时间是指零件透烧及完成奥氏体化过程所需要的时间。加热时间受加热炉类型、功率、炉温、装炉量以及工件的尺寸、形状和材质成分等因素的影响，可根据经验公式来估算，或由试验来确定。生产中往往要通过试验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。

3．淬火冷却介质

冷却是淬火工艺中最重要的工序，它必须保证工件得到马氏体组织。因此，淬火的冷却速度就必须大于材质的临界冷却速度　k（）v，而快冷又总是不可避免地要造成很大的内应力，以致引起工件的变形和开裂。如何解决这一矛盾呢？根据碳钢的奥氏体等温转变动力学图知道，淬火要得到马氏体组织，只要工件冷却曲线不与C曲线相交即可。也就是说，在650 °C以上时，在保证不形成珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷。而在650～400 °C内必须快冷，以躲开C曲线的鼻尖，保证不产生非马氏体相变。在400 °C以下，又可以缓冷，特别是在300～200 °C以下发生马氏体转变时，尤其不应快冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。这样一条淬火冷却曲线如图5.23所示。虽然到目前为止，我们还没能找到一种能符合理想淬火冷却曲线要求的冷却介质，但该图为我们提供了解决问题的思路。

图5.23　理想淬火冷却曲线示意图

常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。此外，还有熔融状态的碱浴、硝盐浴等。冷水及盐水在650～550 °C的冷却能力最大，冷却速度分别为600 °C/s和＞1 000 °C/s，这对保证淬火能力较差的碳钢的淬硬有利。但在需要缓冷的 300～200 °C内，冷却能力相当大，达到270～300 °C/s，因此易造成零件的变形和开裂。所以水及水溶液一般用于尺寸不大、形状简单、变形要求不严格的碳钢零件淬火，如螺钉、销子、垫圈等。

油也是一种常用的淬火介质，目前工业上用得较多的是各种矿物油。它的主要优点是在300～200 °C内的冷却能力比水小得多，只有30 °C/s，从而大大降低了淬火工件变形和开裂的倾向；缺点是在 600～550 °C 内，冷却能力较低（150 °C/s），对碳钢件及截面尺寸较大的低合金钢件不易淬透，主要用于形状复杂的中小型合金钢零件的淬火，也可用加热到一定温度的熔融状态的碱、硝盐、盐作淬火介质。在高温区，熔融碱液的冷却能力比油强而比水弱，而熔融硝盐的冷却能力则比油略弱；在低温区，它们的冷却能力都比油弱，这样的冷却性质，既能保证过冷奥氏体向马氏体转变，而不发生中途分解，又能大大减少工件的变形和开裂倾向。因此，这类介质主要用于分级淬火和等温淬火，主要用来处理截面不大、形状复杂、对变形要求严格的合金工具钢工件。

4．淬火方法

①单介质淬火法。它是将钢件奥氏体化后，放入一种淬火介质中连续冷却至室温的淬火方法，如图5.24曲线1所示。这种方法操作简单、经济，容易实现机械化、自动化，在各种淬火介质中，它应用得最为广泛。淬火介质可用水、油、水溶性淬火介质等。为保证淬火硬度并防止变形、开裂，应根据钢件的截面尺寸和钢件的淬透性合理地选择淬火介质。

②双介质淬火，又称双液淬火或控时淬火。它是将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未到达该淬火介质的温度之前即取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却。例如，先水后油、先水后空气等的淬火方法，如图5.24曲线2所示，它近似于理想冷却。这种方法多用于碳素工具钢及大截面合金工具钢要求淬硬层较深零件的淬火。采用双液淬火必须严格控制钢件在水中的停留时间，要求操作者必须有丰富的经验和熟练的技术。

图5.24　不同淬火方法示意图

③马氏体分级淬火。将钢件奥氏体化后，随之浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质（熔融盐或熔融碱）中，保持适当时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，称之为马氏体分级淬火，有时也称分级淬火，如图5.24曲线3 所示。分级淬火能有效减少热应力和相变应力，降低钢件的变形和开裂倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀工件的淬火。由于受熔盐冷却能力的限制，它只适应处理小尺寸零件（碳钢件直径小于10～12 mm；合金钢直径小于20～30 mm），常用于刀具的淬火。

④贝氏体等温淬火。将钢材或钢件加热奥氏体化后，随之快冷到下贝氏体转变区间（260～400 °C）等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺，称之为贝氏体等温淬火，有时也称等温淬火。淬火后出炉空冷，如图5.24曲线4所示。等温淬火的显著特点是，在保证有较高强度和硬度的同时，还保持有很高的韧性，同时，淬火后变形显著减少。表 5.3 为共析碳钢等温淬火和普通淬火、回火后力学性能及组织的比较。

表5.3　含碳0.74%的碳钢等温淬火与淬火、回火力学性能及组织的比较

⑤深冷处理。钢件淬火冷却到室温后，继续在 0 °C 以下的介质中冷却的热处理工艺称为深冷处理，也称为冷处理。许多淬火钢的马氏体转变终止温度（Mf）低于室温，故室温下的淬火组织中保留有一定数量的残余奥氏体。为使残余奥氏体继续转变为淬火马氏体，则要将淬冷至室温的零件继续冷却到0 °C 以下进行深冷处理，所以，深冷处理实际上是淬火过程的继续，如图 5.25 所示。深冷处理主要用于含碳量大于 0.6%的碳钢、渗碳钢零件以及工具钢、轴承钢、高合金钢制造的要求尺寸稳定性很高的精密工件，如量具、精密轴承、油泵油嘴件、精密丝杠等，以提高硬度、耐磨性和尺寸稳定性。深冷处理后必须进行回火（保温4～10 h）处理，以获得更稳定的回火马氏体组织，并使残余奥氏体进一步稳定化，同时使淬火应力及磨削应力充分消除。深冷处理常用的冷却介质列于表5.4中。

图5.25　深冷处理工艺示意图

表5.4　深冷处理常用的冷却介质

5.2.3.2　钢的淬透性

1．淬透性的基本概念

由于在绝大多数情况下，对钢件进行淬火处理的目的是获得马氏体，所以，钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力，是在规定条件下决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。它是钢材本身固有的属性，由钢的过冷奥氏体稳定性决定，表现为临界冷却速度的大小。淬透性的高低用标准试样在规定条件下淬火能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。在实践中，如何确定淬透层深度呢？按理，淬透层深度应是全部淬成马氏体区域的宽度，但实际上，工件淬火后，从表面一定深度开始到心部，马氏体数量是逐渐减少的。从金相组织上看，全马氏体层和含有部分非马氏体的区域之间并无明显的界限，淬火组织中混有少量非马氏体组织（5%～10%的屈氏体），其硬度值也无明显变化。因此，用金相检验和硬度测量法来确定淬透层深度都比较困难。当淬火组织中马氏体和非马氏体组织各占一半时，即在所谓的半马氏体区，显微组织观察极为方便，硬度变化最为剧烈（见图 5.26）。为测试方便，通常规定从工件表面至半马氏体区的距离为淬透层深度，半马氏体区的硬度称为测定淬透层深度的临界硬度。研究表明，钢中半马氏体区的硬度主要取决于钢的含碳量，而与合金元素关系不大。这样，根据不同碳含量钢的半马氏体区硬度（见图 5.27），利用测定的淬火工件截面上硬度分布曲线（见图5.28），即可方便地测定淬透层深度。

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图5.26　淬火工件截面上马氏体量与硬度的关系（wC0.8%=）

图5.27　钢中半马氏体含量不同时硬度和含碳量的关系

近年来有人认为，在淬火钢中存在50%不同的非马氏体组织时，钢的力学性能会有很大差异，因而建议用从淬火工件表面至50%马氏体区的距离作为淬透性的判据。

应当注意，钢的淬透性与实际工件的淬透层深度是不同的概念。淬透性是钢在标准条件下测得的一种工艺性能，是钢的固有属性，是确定的，可比较的。而实际工件的淬透层深度是指在具体条件下测定的半马氏体区至工件表面的深度，是变化的，它与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关。例如，在其他条件相同的条件下，淬透性高的钢，其淬透层深度也大；同一种钢在相同介质中淬火，小件比大件的淬透层深；一定尺寸的同一种工件，水淬比油淬的淬透层深；工件的体积越小，表面积越大，则淬火时的冷却速度越快，淬透层越深。绝不能说，同一种钢水淬时比油淬时淬透性好，小件比大件的淬透性好。

钢的淬透性和淬硬性也是不同的概念。淬硬性是指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度冷却形成的马氏体组织所能达到的最高硬度。这个硬度值越高，钢的淬硬性也就越好。淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，马氏体含碳量越高，钢的淬硬性越好。

2．影响淬透性的因素

钢的淬透性实质上取决于其过冷奥氏体稳定性的高低，表现为临界冷却速度的大小。因而凡是影响临界冷却速度大小，也就是影响C曲线位置的因素均影响其淬透性。其中主要是化学成分，特别是溶于奥氏体中的合金元素的种类及含量，其次取决于奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等。

3．淬透性的测定及表示方法

淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的淬透性试验方法是“淬透性的末端淬火试验方法”，简称端淬试验。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留 30～40 min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。图5.28（a）为末端淬火试验方法示意图。待试样全部冷透后，测出试样长度方向上的硬度变化数据，由此绘成硬度随水冷端距离的变化曲线，如图 5.28（b）所示，这条曲线称为淬透性曲线。由于钢材成分的波动和晶粒度的差异，淬透性曲线实际上为一波动范围的淬透性带，如图5.29所示。

图5.28　用末端淬火法测定钢的淬透性

图5.29　40Cr钢的淬透性带

根据GB/T 225—2006规定，钢的淬透性值用J××-d表示。J表示末端淬火的淬透性，××表示硬度值，或为 HRC 或为 HV30，d 表示从测量点至淬火端面的距离。例如，淬透性值J35-15表示距淬火端面15 mm处试样的硬度值为35 HRC；淬透性值JHV450-10表示距淬火端面10 mm处试样的硬度值为450 HV30。

4．淬透性曲线的应用

利用淬透性曲线时，必须知道末端淬火试样上距水冷端距离不同处的冷却速度和在不同介质中冷却时，不同直径的圆棒形工件横截面上冷却速度的分布，并将它们联系起来，得到对应于同一冷却速度，端淬试样上距水冷端距离和不同直径圆棒横截面中相应位置的关系曲线，如图5.30所示。

图5.30　末端淬火距离和淬火时圆棒直径与其横截面中相应位置的关系

①根据淬透性曲线比较不同钢种的淬透性。利用淬透性曲线［见图5.31（a）］和钢的半马氏体区硬度曲线［见图 5.31（b）］，找出不同钢的半马氏体区所对应的至水冷端距离，该距离越大，钢的淬透性越好。

图5.31　利用淬透性曲线比较钢的淬透性

②确定钢的临界淬火直径。热处理中常用临界淬火直径来具体衡量钢的淬透性。临界淬火直径是指钢在某种介质中淬火时，心部能得到半马氏体组织的最大直径，用 D0表示。D0可由试验来确定，也可用淬透性曲线来确定。以45钢为例，从图5.31中可找出半马氏体区对应的端淬距离为 3 mm，然后在图 5.30 中，横坐标 3 mm 处向上做一垂线，与图5.31（a）“中心”曲线相交，交点的纵坐标18 mm即为45钢水淬时的临界淬火直径。

用上述方法还可求出棒料横截面上距表面不同距离处和末端淬火试样上端淬火距离不同的各点具有相同淬火硬度的棒料直径，这样一些数据，在手册中常被列在淬透性曲线上部的表中，如图5.29所示。

③确定钢件截面上的硬度分布。例如，为绘制直径 50 mm的 40MnB钢轴在水淬后沿截面硬度分布曲线，可先在图 5.30中，纵坐标上 50 mm 处向右引一水平线，与图中各曲线相交，求出各交点的横坐标，即找出了和该轴横截面上各点处冷却速度相当的距水冷端距离，然后由 40MnB钢的淬透性曲线（见图 5.32）查出对应的硬度值，即可做出该轴水淬后沿截面的硬度分布曲线，如图5.33所示。

图5.32　40MnB钢的淬透性曲线（奥氏体化温度：880 °C；晶粒度：7级）

图5.33　φ 500 mm40MnB钢水淬后沿截面的硬度分布曲线

④合理选用钢材。例如，选用汽车直径φ 60 mm 某轴的钢材，按技术要求：表面硬度＞50 HRC，距表面1/4R处硬度＞45 HRC，经查几种钢材的淬透性曲线，发现40CrMn钢（见图5.34）能满足要求，因此选用它。具体做法是：先从图5.31中查出相当于φ 60 mm 水淬圆棒表面，距表面1/4R处所对应的端淬距离分别为 2 mm、7.5 mm，然后根据40CrMn钢的淬透性曲线求得淬透性值J52/60-2和J45/56-7.5，表明选用40CrMn钢制造φ 60 mm某轴经水淬后表面硬度为52～60 HRC，距表面1/4R处硬度为45～56 HRC，达到了技术要求。

图5.34　40CrMn钢的淬透性曲线（奥氏体化温度：840 °C）