1、第3章 钢的淬火及回火,3.1 淬火的定义、目的和必要条件定义: 将钢加热到Ac3或Ac1，保温并以大于临界冷却速度冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。目的：提高硬度、强度和耐磨性； 经淬火、回火获得良好的综合机械性能； 改善钢的物理化学性能必要条件：冷速大于临界冷速（抑制所有非马氏体转变的最小冷速）。,3.2 淬火介质,冷却速度曲线,在马氏体转变区需慢冷才能减少组织应力, 降低淬火变形和开裂倾向。,应当具有在中温（500600）时冷却快、低温时冷却慢的特性。,500600,理想的冷却介质：,图 钢的合理淬火过程示意图,3.2.1 淬火介质的冷却作用,淬火介质的分类,淬火时发生物态变
2、化的淬火介质 , 包括水质淬火剂、油质淬火剂和水溶液等。（沸点大都低于工件的淬火加热温度）,根据物理特性(2类),淬火时不发生物态变化的淬火介质 , 包括各种熔盐、熔碱、融熔金属等。（沸点大都高于工件的淬火加热温度）。,散热方式,淬火介质一般的要求：,无毒、无味、经济、安全可靠;不易腐蚀工件,淬火后易清洗;成分稳定,使用过程中不易变质;在过冷奥氏体的不稳定区域应有足够的冷却速度,在低温马氏体区域应具有较缓慢的冷却速度,以保证淬火质量;在使用时,介质粘度应较小, 以增加对流传热能力和减少损耗。,有物态变化的淬火介质冷却过程大致可分为三个阶段,1)汽膜阶段,2)沸腾阶段,3)对流阶段,当工件进入介
3、质的一瞬间,周围介质立即被加热而汽化,在工件表面形成一层蒸汽膜, 将工件与液体介质隔绝。由于蒸汽膜的导热性较差,故使工件的冷却速度较慢,如图中AB段;冷却开始时,由于工件放出的热量大于介质从蒸气膜中带走的热量,故膜的厚度不断增加,随着冷却的进行,工件温度不断降低,膜的厚度及其稳定性也逐渐变小，直至破裂而消失。-冷却的第一阶段。,（1）汽膜阶段,有物态变化的淬火介质冷却机理：,（2）沸腾阶段,当蒸汽膜破裂后,工件即与介质直接接触,介质在工件表面激烈沸腾, 通过介质的汽化并不断逸出气泡而带走了大量热量,使冷却速度变快.如图中BC段,沸腾阶段前期冷速很大,随工件温度下降,其冷速逐渐减慢,此阶段一直要
4、持续到工件冷至介质的沸点时为止,这是冷却的第二阶段。,有物态变化的淬火介质冷却机理：,（3）对流阶段,当工件冷至低于介质的沸点时,则主要依靠对流传热方式进行冷却,这时工件的冷速甚至比蒸汽膜阶段还要缓慢,如图CD段,随着工件表面与介质的温差不断减小,冷却速度愈来愈小,这是冷却的第三阶段。,有物态变化的淬火介质冷却机理：,3.2.2 淬火介质冷却特性的测定,淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度H.规定18静止水的淬火烈度H1，其它淬火介质的淬火烈度由与静止水的冷却能力比较而得。,淬火烈度H测量-银球探头法,3.2.2 淬火介质冷却特性的测定,试样温度与冷却时间的关系,冷却速度与试样温度
5、的关系,图3-4 具有物态变化的淬火介质冷却特性曲线示意图,AB气膜阶段，BC沸腾阶段， CD对流阶段,淬火特性温度是指蒸汽膜破裂即沸腾阶段开始的温度,几种常用淬火介质的淬火烈度H,几种常用淬火介质的淬火烈度H,不同程度搅拌时几种常用淬火介质的淬火烈度H,3.2.3 常用淬火介质及其冷却特性,1.水,右图是水在静止与流动状态下的冷却特性,可见静止水的蒸汽膜阶段温度较高,在800380温度范围,此阶段的冷速缓慢,约180/s.温度低于380 以下才进入沸腾阶段,使冷却速度急剧上升,280 左右冷速达最大值,约770/s.,不同温度的水的冷却特性. (a) 静止水， (b)循环水,水作为淬火介质的
6、主要缺点,冷却能力对水温的变化很敏感,水温升高,冷却能力便急剧下降,并使对应于最大冷速的温度移向低温,放使用温度一般为2040,最高不许超过60； 在马氏体转变区的冷速太大, 易使工件严重变形甚至开裂； 不溶或微溶杂质(如油、肥皂等)会显著降低其冷却能力,因为这些外来质点作为形成蒸汽的核心,将加速蒸汽膜的形成并增加膜的稳定性 , 所以当水中混入这些杂质时,工件猝火后易于产生软点.,3.2.3 常用淬火介质及其冷却特性,2.盐水与碱水,为了提高水的冷却能力, 往往在水中添加-定量(一般为510%)的盐或碱,目前比较普遍采用的是食盐水溶液 , 其优点是蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高，从而加快冷却速度
7、.食盐水溶液的冷却能力在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提高，随温度提高，冷却能力降低。盐水的缺点是在低温（200 300）区间冷速仍很大。,食盐水溶液,图3-6 不同成分食盐水溶液的冷却特性,3.2.3 常用淬火介质及其冷却特性,碱水作为淬火介质,常用的是5%l5%NaOH水溶液.它在高温区间的冷却能力比盐水还大,而在低温区间的冷却能力则与之相近.此外它能与已氧化的工件表面作用而析出氢气,使氧化皮易于脱落,淬火后工件呈银灰色,表面较洁净,一般不需清理,故又称其为光亮淬火. 但碱水的应用不如盐水广泛,其原因是 NaOH 对工件及设备的腐蚀较严重,淬火时有剌激性气体产生,对皮肤有腐蚀性,以及工件
8、易于老化变质等.因此未能广泛应用 。,碱水,图3-7 不同温度的50%NaOH水溶液的冷却特性,3.2.3 常用淬火介质及其冷却特性,3.油,植物油,矿物油,淬火油,主要优点是: 油的沸点一般比水高150300,其对流阶段的开始温度比水高得多,由于一般在钢的Ms点附近已进入对流阶段 , 故低温区间的冷速远小于水,将有利于减少工件的变形与开裂倾向.,主要缺点是 : 高温区间的冷却能力很小 , 仅为水的 l/51/6. 只能用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火 .此外 ,油经长期使用还会发生老化 , 故需定期过滤或更换新油等。,提高油温可降低粘度, 增加流动性 , 因而可提高其冷却能力 .油温一般应控
9、制在 60 80 , 最高不超过 100120 即油的工作温度应保持在闪点由以下 100 左右 , 以免着火 .,闪点( flash point of fuel oil): 全称燃油闪火点，在燃油加热过程中，当点火源接近燃油蒸汽和周围空气所形成的混合气时，可产生瞬间即来的闪火现象的最低温度。是有关安全防火的一个重要指标。,3.2.3 常用淬火介质及其冷却特性,淬火油的发展,2)光亮淬火油,4 有机物质的水溶液及乳化液,a 有机物水溶液作为淬火介质目前各国都在发展有机物水溶液作为淬火介质。一些国家均有以水基添加有机物和矿物盐的淬火介质专利。例如美国应用15聚乙烯醇，04抗粘附剂，04防泡剂的淬火
10、介质。其他国家也应用类似的淬火介质。优点：目前最常用的有机物质的水溶液为聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蚀剂，以防在淬火后清理前停放的有限时间内发生腐蚀。这种水溶液与多数乳化液相比，有容易控制，可用普通水(不必软化处理)调节到一定浓度，可不经处理直接从下水道排走等优点。,(4) 有机物质的水溶液及乳化液,b 乳化液作为淬火介质 最常用的乳化液是矿物油与水经强烈搅拌及振动而成。即一种液体以细小的小滴形式分布在另一种液体中呈牛奶状溶液，故称乳化液。如果水形成外相，油滴在水中则称油水乳化液。要使这种分布状态稳定，除了上述机械振动外，还应加入乳化剂。这种乳化剂作为表面活性物质富集在界面上，通过降低界面张力，使乳化稳定。 乳化液一般用于火焰淬火和感应淬火时的喷水淬火，一般要求有高的稳定性，在使用和放置时间内不分解；喷射到工件表面上的乳化液急剧升温以及水部分汽化应不导致乳化液的破坏及产生多层离析；在工序间储存时能防止工件锈蚀等。 优点：乳化液的冷却能力介于水油之间，可通过调配浓度来进行调节。在喷射淬火时，由于抑制了蒸汽膜的形成，可使冷却能力提高。,
