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通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。

淬火能使鋼強化的根本原因是相變,即奧氏體組織通過相變而成為馬氏體組織(或貝氏體組織)。

淬火工藝最早的史料記載見于《漢書.王褒傳》中的"清水焠其峰"。

"淬火"在專業文獻上,人們寫的是"淬火",而讀起來又稱"蘸火"。"蘸火"已成為專業口頭交流的習用詞,但文獻中又看不到它的存在。也就是說,淬火是標準詞,人們不讀它,"蘸火"是常用詞,人們卻不寫它,這是我國文字中不多見的現象。

淬火是"蘸火"的正詞,淬火的古詞為蔯火,本義是滅火,引申義是"將高溫的物體急速冷卻的工藝"。"蘸火"是冷僻詞,屬于現代詞,是文字改革后出現的產物,"蘸"字本義與淬火無關。"蘸火"本詞為"湛火","湛"字讀音同"蘸",而其字形又與水、火有關,符合"水與火合為蔯"之意,字義與"淬火"相通。"湛火"為本詞,"蘸火"則為假借詞。

淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性,因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齒輪、軋輥、滲碳零件等)。通過淬火與不同溫度的回火配合,可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度,并可獲得這些性能之間的配合(綜合機械性能)以滿足不同的使用要求。

另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學性能,如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。

淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時,原有在室溫下的組織將全部或大部轉變為奧氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻,奧氏體即轉變為馬氏體。與鋼中其他組織相比,馬氏體硬度最高。鋼淬火的目的就是為了使它的組織全部或大部轉變為馬氏體,獲得高硬度,然后在適當溫度下回火,使工件具有預期的性能。

淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力,當其大到一定程度時工件便會發生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法,淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火4類。

淬火效果的重要因素,淬火工件硬度要求和檢測方法:

淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度計,測試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表 面淬火工件可測試HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒,可改用表面洛氏硬度計,測試HRN硬度。在焊接中碳鋼和某些合金鋼時,熱影響區中可能發生淬火現象而變硬,易形成冷裂紋,這是在焊接過程中要設法防止的。

由于淬火后金屬硬而脆,產生的表面殘余應力會造成冷裂紋,回火可作為在不影響硬度的基礎上,消除冷裂紋的手段之一。淬火對厚度、直徑較小的零件使用比較合適,對于過大的零件,淬火深度不夠,滲碳也存在同樣問題,此時應考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強度。

淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相(表1),故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強度。但是,馬氏體的脆性很大,加之淬火后鋼件內部有較大的淬火內應力,因而不宜直接應用,必須進行回火。鋼中鐵基固溶體的顯微硬度值。

淬火工藝在現代機械制造工業得到廣泛的應用。機械中重要零件,尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經過淬火處理。為滿足各種零件千差萬別的技術要求,發展了各種淬火工藝。如,按接受處理的部位,有整體、局部淬火和表面淬火;按加熱時相變是否完全,有完全淬火和不完全淬火(對于亞共析鋼,該法又稱亞臨界淬火);按冷卻時相變的內容,有分級淬火,等溫淬火和欠速淬火等。

工藝過程 包括加熱、保溫、冷卻3個階段。下面以鋼的淬火為例,介紹上述三個階段工藝參數選擇的原則。

加熱溫度

以鋼的相變臨界點為依據,加熱時要形成細小、均勻奧氏體晶粒,淬火后獲得細小馬氏體組織。碳素鋼的淬火加熱溫度范圍由本圖示出的淬火溫度選擇原則也適用于大多數合金鋼,尤其低合金鋼。

亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30~50℃。從圖上看,高溫下鋼的狀態處在單相奧氏體(A)區內,故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高于Ac1、低于Ac3溫度,則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉變成奧氏體,即為不完全(或亞臨界)淬火。

過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30~50℃,這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火,淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這-組織狀態具有高硬度和高耐磨性。對于過共析鋼,若加熱溫度過高,先共析滲碳體溶解過多,甚至完全溶解,則奧氏體晶粒將發生長大,奧氏體碳含量也增加。淬火后,粗大馬氏體組織使鋼件淬火態微區內應力增加,微裂紋增多,零件的變形和開裂傾向增加;由于奧氏體碳濃度高,馬氏體點下降,殘留奧氏體量增加,使工件的硬度和耐磨性降低。

常用鋼種實際生產中,加熱溫度的選擇要根據具體情況加以調整。如亞共析鋼中碳含量為下限,當裝爐量較多,欲增加零件淬硬層深度等時可選用溫度上限;若工件形狀復雜,變形要求嚴格等要采用溫度下限。

保溫時間

由設備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設備功率等多種因素確定。對整體淬火而言,保溫的目的是使工件內部溫度均勻趨于一致。對各類淬火,其保溫時間最終取決于在要求淬火的區域獲得良好的淬火加熱組織。

加熱與保溫是影響淬火質量的重要環節,奧氏體化獲得的組織狀態直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶粒控制在5~8級。

冷卻方法

要使鋼中高溫相——奧氏體在冷卻過程中轉變成低溫亞穩相——馬氏體,冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中,

表面與心部的冷卻速度有-定差異,如果這種差異足夠大,則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉變成馬氏體,而小于臨界冷卻速度的心部不能轉變成馬氏體的情況。為保證整個截面上都轉變為馬氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質,以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大,工件內部由于熱脹冷縮不均勻造成內應力,可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素,合理選擇淬火介質和冷卻方式。

冷卻階段不僅零件獲得合理的組織,達到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形狀精度,是淬火工藝過程的關鍵環節。

分類 可按冷卻方式分為單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等。冷卻方式的選擇要根據鋼種、零件形狀和技術要求諸因素。

單液淬火

將工件加熱后使用單一介質冷卻,最常使用的有水和油兩種,其變、溫曲線如圖2中的曲線1。為防止工件過大的變形和開裂,工件不宜在介質中冷至室溫,可在200~300℃出水或油,在空氣中冷卻。單液淬火操作簡單易行,廣泛用于形狀簡單的工件。有時將工件加熱后,先在空氣中停留-段時間,再淬入淬火介質中,以減少淬冷過程中工件內部的溫差,降低工件變形與開裂的傾向,稱為預冷淬火。

各種淬火冷卻的變溫曲線示意圖 曲線1-單液淬火;曲線2-雙液淬火; 曲線3-分級淬火;曲線4-等溫淬火

雙液淬火

工件加熱后,先淬入水或其他冷卻能力強的介質中冷卻至400℃左右,迅速轉入油或其他冷卻能力較弱的介質中冷卻。變溫曲線如圖2中曲線2。所謂"水淬油冷"法使用得相當普遍。先淬入冷卻能力強的介質,工件快速冷卻可避免鋼中奧氏體分解。低溫段轉入冷卻能力較弱的介質可有效減少工件的內應力,降低工件變形和開裂傾向。本工藝的關鍵是如何控制在水中停留的時間。根據經驗,按工件厚度計算在水中停留的時間,系數為O.2~O.3s/mm,碳素鋼取上限,合金鋼取下限。這種工藝適用于碳素鋼制造的中型零件(直徑10~40mm)和低合金鋼制造的較大型零件。

分級淬火

工件加熱后,淬入溫度處于馬氏體點(ms)附近的介質(可用熔融硝鹽、堿或熱油)中,停留一段時間,然后取出空冷。變溫曲線如圖2中曲線3。分級溫度應選擇在該鋼種過冷奧氏體的穩定區域,以保證分級停留過程中不發生相變。對于具有中間穩定區("兩個鼻子")型TTT曲線的某些高合金鋼,分級溫度也可選在中溫(400~600℃)區。分級的目的是使工件內部溫度趨于一致,減少在后續冷卻過程中的內應力及變形和開裂傾向。此工藝適用于形狀復雜,變形要求嚴格的合金鋼件。高速鋼制造的工具淬火多用此工藝。

等溫淬火

工件加熱后,淬入溫度處于該鋼種下貝氏體(B下)轉變范圍的介質中,保溫使之完成下貝氏體轉變,然后取出空冷,變溫曲線如圖2中的曲線4。等溫溫度對下貝氏體性能影響較大,溫度控制要求嚴格。常用鋼種的等溫溫度和時間列于表3。等溫淬火工藝特別適用于要求變形小、形狀復雜,尤其同時還要求較高強韌性的零件。

中國常用鋼種的等溫溫度和等溫時間

淬火設備主要由淬火機床、中高頻電源、冷卻裝置三大部分組成;其中淬火機床由床身、上下料機構、夾緊、旋轉機構、淬火變壓器及諧振槽路、冷卻系統、淬火液循環系統、電氣控制系統等組成,淬火機床一般都是單工位;淬火機床從結構上有立式和臥式兩大類,用戶可根據淬火工藝選擇淬火機床,對于特殊零件或特殊工藝,可根據加熱工藝要求設計制造專用淬火機床。