辽宁昌达科技有限公司：专业生产别墅高端铝艺大门及各类钢制品，采用调质处理工艺

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1.钢的淬火、回火

是指对钢或钢件进行淬火和高温回火的复合热处理工艺。采用淬火和回火处理的钢称为调质钢，一般指中碳结构钢和中碳合金结构钢。为了获得一定的强度和韧性，将淬火和高温回火相结合的工艺称为淬火回火。

淬火回火广泛应用于各种重要结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮和轴等。淬火回火后可获得均匀细小的回火马氏体组织，其力学性能优于相同硬度的正火马氏体组织。其硬度取决于高温回火温度，与钢的回火稳定性和工件的截面尺寸有关，一般在200～350HBW之间。

需要注意的是，淬火回火可以为随后的表面淬火、氮化处理做准备，以减少变形，因此淬火回火也可作为预备热处理。由于淬火回火后零件的综合力学性能较好，所以对一些硬度、耐磨性要求不高的零件，也可作为最终热处理工艺。

对于需氮化或氮碳共渗的工件，所选用的材料多为中、高合金超高强度钢、氮化钢等，为保证所要求的性能和尺寸稳定性，在加工前均需进行回火处理，以获得良好的组织和性能。同时应注意高温回火的温度不能低于氮化、氮碳共渗的温度，否则会引起工件基体硬度下降，影响其使用要求和工作条件。

2.钢的淬火

钢的淬火是指将钢加热到临界点Ac3或Ac1以上温度，保温后快速冷却，获得马氏体组织的工艺过程。淬火后的组织主要为马氏体，有少量的残余奥氏体。此时钢的硬度很高，塑性很低，必须回火后才能使用。加热温度根据钢的化学成分确定。一般亚共析钢的加热温度为Ac3+（30~70）℃，共析钢和过共析钢的加热温度为Ac1+（30~70）℃。

（1）淬火的目的

①提高零件的韧性、耐磨性和弹性等力学性能。例如提高工具、轴承的硬度和耐磨性，弹簧钢板获得优良的弹性，提高轴类零件的综合力学性能。

②改变钢的物理、化学性能，增加磁钢的永久磁性，提高不锈钢的耐腐蚀性能等。

（2）钢的淬火温度的选择在确定具体钢件的淬火温度时，除考虑钢的化学成分外，还必须分析以下因素：

①零件的尺寸和形状；

②对硬度、变形有具体的要求；

③奥氏体晶粒长大的趋势；

④所采用的加热介质及淬火方法；

⑤冷却介质的选择等。

（2）常用加热设备及加热介质零件的热处理离不开提供热源的热处理炉，一般分为井式电阻炉、箱式电阻炉、燃气炉、盐浴炉、流动颗粒炉、可控气氛炉、真空炉等。加热传递方式有传导、对流和辐射等。各种加热设备的介质有空气、燃料气、熔融盐、流动颗粒、保护气氛、真空等。任何零件经热处理后，都应满足零件变形小、表面基本无氧化、脱碳的要求。其中熔盐是BaCl2、KCl、NaCl等中性盐，单独或按一定比例混合熔融，利用熔盐的温度将零件加热到淬火温度，其特点是零件在盐浴中加热，不与空气接触，因此减少了氧化、脱碳的概率。 由于氯化物盐中含有结晶水及一定的杂质，在高温下会产生氧化物，因此应定期在盐浴中添加盐浴校正剂。常见盐浴加热的介质及应用范围见表1-5。

表1-5 常见盐浴加热介质及应用范围

一般电阻炉的加热介质为空气，为防止氧化脱碳，采用木炭保护或涂层保护；燃气炉的加热介质为煤气、天然气等，其主要成分为CO和CH4，燃烧产物为CO2和O2。因此，应控制燃料气与空气的比例，以减少氧化脱碳的发生。保护气氛是在加热时通入特定成分的气体，在炉内形成还原性气氛，保护零件表面不发生氧化脱碳。生产中，通过调整CO2/CO或H2O/H2的比例，实现无氧化脱碳加热。目前的网带炉大多采用甲醇、丙酮、煤油、苯等碳氢化合物滴入炉内，保护零件表面。有的也采用向炉内通入高纯氮气的方法，取得了满意的效果。真空炉的出现，从根本上解决了零件表面氧化的问题。 密封真空室内的气体通过机械泵和增压泵抽出，炉内压力低于大气压（称为负压），此时内部残留的水分和氧气不足以引起零件氧化、脱碳，因此对于要求表面光亮、无氧化的重要关键零件，建议采用真空炉进行处理。

（3）钢的淬火方法与冷却介质根据零件的化学成分、形状、尺寸及所要求的力学性能，可采用不同的淬火方法。每种钢都有自己固定的C曲线。冷却介质决定淬火后的金相组织和力学性能。因此，在获得马氏体的条件下，冷却速度应尽可能低。理想的冷却曲线如图1-9所示。

图1-9 钢在理想淬火介质中的冷却速度示意图

选择合适的淬火介质尤为重要，它决定着零件淬火后的组织和性能。冷却能力指淬火介质与零件表面之间的热交换能力，其大小与介质的成分、物理化学性质有关。每种钢都有各自的C曲线，为控制非马氏体转变的发生，冷却介质需在C曲线“鼻尖”附近（550～650℃）快速冷却，即在此区域过冷奥氏体分解最快，冷却能力最强的地方应在这里。Ms点附近的冷却性能应尽可能缓慢，以避免产生过大的组织应力，防止工件淬火变形和开裂。淬火的临界区和危险区如图1-10所示。

图1-10 淬火关键区域及危险区域

如图1-10所示，需要控制的温度区域有两个，一个是快速冷却后获得马氏体的临界区域，一个是淬火裂纹危险的低温区域。在Ms点以下，A转变为M，比容增大，体积膨胀。在此过程中，组织应力和宏观热应力共同作用，使工件变形，有的甚至开裂成为废品。

①常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等，常见淬火介质的冷却能力如表1-6所示。

表1-6 常用淬火介质的冷却能力

②水及其溶液、油等冷却介质的性质、特性。

a.水。在零件热处理过程中，水作为常用的淬火介质，具有安全、环保、无污染、成本低、易更换、易取、物理化学性能稳定等优点。水有以下缺点：在马氏体转变区（低温区，即300℃左右）冷却速度太快，易引起零件变形、开裂；水温升高后，冷却能力逐渐下降；水中的杂质、油等明显影响冷却性能。由于碳钢淬透性差，所以常用水作为碳钢的淬火介质。对于要求硬度高，又保证零件不开裂的碳钢或低合金结构钢，应采用水淬、油冷。b.盐水。将一定量的氯化钠溶于水中，配制成盐水溶液。 热处理生产过程中盐水浓度为5%～15%，在650～550℃时有最大冷却速度，相当于低温区自来水的冷却速度。但200～300℃之间盐水的冷却速度仍然过高，会产生较大的相变应力，引起零件变形。根据零件要求的硬度，盐水的温度通常控制在20～40℃范围内。当超过60℃时，冷却能力急剧下降，零件无法冷却。

c.碱性水溶液。5%～15%烧碱用于淬硬性不高的碳钢及易变形、开裂的工件。其特点是：在低温区，冷却速度与盐水相当，氧化皮易脱落，工件表面清洁。其缺点是若使用温度升高，其冷却能力会下降。通常推荐工作温度为20～60℃，多用于淬硬性较差的碳钢。一般处理后工件变形小，开裂倾向小。d.油。油是十分重要的热处理冷却介质。为满足零件热处理工艺的要求，常采用矿物油作为淬火介质，但必须具备以下特点：闪点和燃点高，安全可靠；粘度小，可减少热损失；性能稳定，不易老化；在珠光体或贝氏体转变区有足够的冷却速度。

在实际过程中，为了提高油的冷却性能，通常采用操作时搅拌淬火介质或加入一些添加剂的方法。添加剂粘附在工件表面成为汽泡的微粒，改变了油膜破裂的温度，提高了冷却能力，使油在较高的温度区仍有较高的冷却性能。下面介绍热处理过程中零件常用的冷却油。

·机械油。机械油流动快，传热效果好。随着温度的升高，冷却能力增强。但当油温超过80℃时，冷却能力会明显下降。因此，热处理过程中应严格控制淬火后的油温。

·普通淬火油。为了克服机械油冷却能力低、易氧化老化等缺点，采用石蜡基润滑油馏分精制后加入催化制冷剂、抗氧化剂和表面活性剂等配制而成的淬火油。用于轴承钢、工具钢、大型调质件、要求冷却速度快的渗碳件等作为淬火介质。

质量。

·光亮淬火油。工件在油中淬火后表面发黑。为保证工件在控制气氛加热后不氧化、不脱碳，真正达到光亮淬火，采用净化方法，加入除灰物质、抗氧化剂、光亮剂等。多用作中小截面轴承钢、模具钢、工具钢的淬火介质。

·真空淬火油。为使工件在真空处理后保持光亮，所用的淬火油应在1×10 4 ～5×10 4 Pa的真空度下正常工作而不蒸发。因此，它必须具备以下特点：饱和蒸汽压低；无污染；冷却能力强；工件光亮，热稳定性好；使用寿命长。使用这种介质可使淬火后的零件表面光亮，变形小，硬度均匀，耐磨性好。因此，用于轴承、模具、结构钢等要求变形小的零件的淬火。缺点是成本较高。目前，国产真空油有ZZ-1、ZZ-2等几种类型：

数字。

·等温分级淬火油。该类淬火油使用温度较高，其工作温度在100～250℃之间，具有闪点高、挥发性小、安全可靠等特点，在高温下冷却性能强，在低温下冷却效果慢，在60℃以上流动性好。等温分级淬火通常采用硝酸盐浴和碱浴，存在清洗困难、污染环境的缺陷。③盐浴、碱浴、硝酸盐浴等冷却介质的特点及应用。为保证钢中奥氏体淬火后转变成马氏体，碳钢淬硬性差，常采用水或水溶液作为冷却介质，合金钢则采用油。为减少变形和开裂倾向，碳钢、低合金钢的分级淬火、等温淬火多采用碱浴、硝酸盐浴； 氯化盐适用于高速钢等材料的分级淬火。

a.盐浴、等温分级淬火硝酸盐浴。氯化盐低温盐浴用于高速工具钢的分级冷却，其成分多为氯化钡、氯化钠、氯化钾的混合物。硝酸盐（NaNO 3 和KNO 3）与亚硝酸盐（NaNO 2 和KNO 2）按不同比例混合，可得到不同熔点和冷却能力的硝酸盐浴，用于合金工具钢、模具钢的淬火，具有工件变形小、硬度高、不易开裂的特点。表1-7为低温氯化盐浴淬火介质成分及使用温度，表1-8为硝酸盐浴成分及工作温度。

表1-7 低温氯化盐淬火介质组成及使用温度

表1-8 硝酸盐镀液成分及工作温度

b.碱浴。它的冷却能力大，淬火后的工件表面呈银灰色，且干净。若加水，可显著降低其熔点，并可提高冷却速度。这种碱浴的缺点是腐蚀性强，对皮肤有害，现场必须加通风设备。红热的工件浸入后，碱液会剧烈沸腾，并发生飞溅。主要用于碳钢的淬火。表1-9为几种常见的碱浴配方及特点。

表1-9 常见碱性镀液配方及特点

c.盐、碱、硝酸盐的混合物。用于工件淬火发蓝，处理后变形小，光洁度好，具有一定的耐蚀性，多用于形状复杂、变形要求小的碳素工具钢、渗碳钢、工具钢、合金钢的淬火。对于这类介质，如果采用溶液循环，有提高冷却能力、保证产品质量的作用。同时，流动性好，温度范围宽，高温时冷却速度快，用作分级、等温淬火、低温缓慢冷却，要求变形小、形状复杂的模具钢的淬火介质。盐浴中盐、碱的比例可适当调整。硝酸钠对氧化膜的形成和外观质量影响较大，含量高，氧化膜薄，耐蚀性减弱；含量降低，氧化膜增厚，氧化层疏松，易剥落。 表1-10为实际生产中常见的几种碱槽和硝盐槽的比例及特点。

表1-10 常见碱浴和硝酸盐浴配比及特点

③常用的淬火方法。为使零件获得所要求的硬度和性能，满足实际需要，工件加热时应选择适当的淬火方法，即使零件达到淬硬而不开裂，在临界区以大于其临界冷却速度的速度快速冷却，在危险区（低温区）则慢速冷却。这种先快后慢的冷却方法，既能保证工件的技术要求，又能保证零件变形小、不开裂。在淬火过程中，为减少零件的变形，避免开裂，应正确选择加热温度、保温时间、淬火方法和淬火介质，并充分考虑零件的化学成分、结构尺寸和形状、具体的技术要求等。此外，零件浸入淬火介质中的方法也尤为重要。 常见工件的淬火方法如图1-11所示，常用淬火方法的冷却曲线如图1-12所示。

图1-11 常见工件淬火方式示意图

图1-12 各种淬火方式的冷却曲线a—单液淬火；b—双液淬火；c—分段淬火；d—等温淬火

a.单液淬火法。又称普通淬火法，是指在单一的淬火介质中将钢加热到淬火温度，保温，然后冷却到室温的热处理方法，如图1-12中曲线a所示。淬火介质一般为水或水溶液、油、空气等。它的优点是操作简单，适用于形状不复杂、无尖锐棱角、截面无突变的简单工件。该工艺适用于低碳钢、中碳钢等淬硬性较差的零件的淬火，也可用于合金钢、高合金钢等淬硬性较好的零件的热处理。

b.双液淬火法。又称间断淬火法，是指将钢加热到奥氏体状态后，先送入冷却能力强的介质中淬火，然后快速冷却到Ms以上温度（约300℃）使之不发生组织转变，然后再转入冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢的冷却速度下转变为马氏体，如图1-12中曲线b所示。加热后的零件在两种介质中冷却，以获得所需的组织和性能。通常双液介质有水-油、水-空气、油-空气、油-盐浴、盐浴-空气等。此种淬火工艺可明显减少零件的变形和开裂。 例如在水淬和油冷过程中，必须控制零件在水中的冷却时间，这对零件的淬火质量至关重要，特别适用于高碳工具钢、大型低合金钢等零件的淬火。

c.逐步淬火法。又称分段淬火法，是指将加热至奥氏体状态的零件淬入略高于或略低于Ms点的熔融盐浴中，使工件快速冷却到Ms点左右，再停留一段时间，使零件表面和心部均达到介质温度，但不发生相变。然后取出在空气或油中缓慢冷却，使过冷奥氏体逐步转变为马氏体，如图1-12中曲线c所示。一般在150～260℃的硝酸盐浴、碱浴或盐浴中进行。此时马氏体的转变完全在空气中进行。零件在200℃左右产生的热应力比双液淬火小。保温几分钟，可使一部分奥氏体空冷形成马氏体。 产生的组织应力小，防止了工件开裂。需要注意的是，略高于Ms点的分级淬火适用于尺寸较小的合金钢、碳素钢、工具钢等零件；略低于Ms点的分级淬火用于尺寸较大、淬透性较差的钢种。

d.等温淬火法。将零件加热到奥氏体状态，然后以大于临界冷却速度的速度淬入贝氏体转变区温度的介质中，保温一段时间，使贝氏体转变完成；也可淬入温度稍高于Ms点的热浴（盐浴或金属浴）中，保温一段时间，使过冷奥氏体保温转变为马氏体组织。相变后在空气中冷却的淬火方法见图1-12中的曲线d。前者称贝氏体等温淬火，后者称马氏体等温淬火。这种工艺通常用于形状复杂、变形要求不大、硬度和冲击韧性要求较高的工模具，以及含碳量大于0.6%的碳钢制成的零件。