3.3 钢的淬火
将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上，保温一段时间，然后以大于v临的冷却速度快冷至室温，从而获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火的目的主要是为了获取马氏体组织，以提高钢的强度和硬度。淬火是强化钢材最主要的热处理方法。但由于M是亚稳定组织，并不是零件热处理所要求的最后组织，钢材在淬火后必须进行回火处理，才能充分满足各种工具与结构件的使用性能要求。
3.3.1 淬火工艺
（1）淬火加热温度的选择
钢淬火温度的确定主要是取决于钢的成分，并且是根据Fe-Fe3C相图来选择的。其中
亚共析钢的淬火加热温度应选择在Ac3以上完全奥氏体化后快冷，可获得细小的马氏体组织。如加热温度过高，则易引起奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体组织粗大，使钢脆化；如加热温度选择在Ac1～Ac3之间，组织中有一部分铁素体存在，淬火冷却中铁素体不发生变化而保留下来，其将降低淬火钢的硬度，影响钢的力学性能。
而过共析钢在淬火前已经做了球化退火处理，淬火加热温度选择在Ac1～Ac3之间的不完全奥氏体化后快冷，可获得细颗粒状的Fe3C弥散分布于M基体上，给组织起到良好的弥散强化作用，钢呈现硬而耐磨、脆性小的性能特点。如将过共析钢加热到Acm以上完全奥氏体化，高温条件使Fe3C完全溶入奥氏体，奥氏体含碳量增加，Ms点下降，淬火后残余奥氏体量增多，降低了钢的硬度与耐磨性。此外，因奥氏体晶粒粗大，淬火后所得M组织也粗大，显微裂纹增加，增大钢脆性及变形开裂倾向。
如图3-15所示为T12钢加热到Acm以上淬火后所获取的带有显微裂纹的粗化M组织。
除了上述钢的淬火加热温度选择原则之外，对同一化学成分的钢，由于工件的形状和尺寸、淬火冷却介质或淬火方法不同，因此淬火加热温度要考虑各种因素的影响，结合具体情况制定。
图3-15 带有显微裂纹的粗片状马氏体组织（×650）
（2）淬火冷却介质
1）理想淬火冷却速度
前面我们介绍过，加热到A状态的钢，冷却速度必须大于临界冷却速度才能获得要求的M组织。
由C曲线可知，要获取M组织，并不需要全程都快速冷却，关键在C曲线鼻尖处（奥氏体最不稳定），只要在650～400℃温度范围快冷，而在稍低于A1点和稍高于Ms点处（过奥氏体较稳定）可放缓速度。在A1～650℃缓冷，则减少了淬火冷却中因工件截面内外温度差引起的热应力；特别是在400℃以下缓冷，有效降低M转变过程中（工件内外体积膨胀差异）出现的组织应力，减轻工件变形和开裂倾向。如图3-16所示为理想淬火冷却速度。
图3-16 理想淬火冷却速度
2）常用淬火冷却介质
常用的淬火冷却介质，按冷却能力由弱到强依次为油、水、盐水、碱水等，它们冷却的特性如表3-4所示。各冷却速度值均根据有关冷却速度特性曲线估算。冷却速度特性曲线通常是用热导率高的银制球形试样（ϕ20mm），加热后淬入冷却介质中，利用热电偶测出试样心部温度随冷却时间的变化，并经示波器显示出来。
表3-4 常用淬火冷却介质及其冷却特性
生产中，因水价廉安全，故常用于碳钢的淬火（水温度应<40℃）；盐水主要用于形状简单的低、中碳钢的淬火；碱水主要用于易产生淬火裂纹工件的淬火；机油、柴油、变压器油只能用于低合金钢和合金钢的淬火。
（3）淬火方法
1）单液淬火法
单液淬火法是把加热工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷却至室温的淬火方法，如图3-17中a所示。单液淬火的特点是操作简便，易实现机械化与自动化，但是总存在综合冷却特性不够理想、易出现硬度不足或开裂等缺陷。
2）预冷淬火法
预冷淬火法是将加热的工件从加热炉中取出后，先在空气中预冷一定的温度，然后再投入淬火冷却介质中快冷，如图3-17中b所示。这种方法既可以保证获得良好的淬火组织，又使热应力大大减小，因此，它对防止变形和开裂有积极作用。
3）双液淬火法
双液淬火法是把加热的工件先投入冷却能力较强的介质中，当工件温度降低到稍高于Ms点温度时，立即转入另一冷却能力较弱的介质中，进行M组织转变的淬火（如先水后油），如图3-18所示。双液淬火的关键是要控制好从第一冷却介质转入到第二冷却介质的环节，温度太高取出缓冷会发生非M转变，达不到淬火要求；太低又会引起组织应力的产生，导致变形和开裂倾向增加。双液淬火具有内应力小、变形开裂小，但操作不易掌握的特点，主要适用于碳素工具钢制造的易开裂工件。
图3-17 单液淬火法与预冷淬火法示意图
图3-18 双液淬火法示意图
4）分级淬火法
将加热的工件先投入温度在Ms点附近的盐溶或碱溶槽中，保温一定时间，使工件内外温度协调后取出空冷，以获得M组织的淬火，称为分级淬火（图3-19）。分级淬火可以使淬火热应力和组织应力减到最小，减小了变形与开裂的倾向。盐溶或碱溶的冷却能力较小，容易使A稳定性较小的钢在分级过程中形成珠光体，故只使用于截面尺寸不大、形状较复杂的碳钢及合金钢件，一般为直径小于10～15mm的碳钢工件及直径小于20～30mm的低碳合金钢工具，以及直径小于20～30mm的低碳合金钢工具。
图3-19 分级淬火法与等温淬火法示意图
5）等温淬火法
等温淬火法是把加热的工件投入温度稍高于Ms点的盐溶或碱溶槽中，保温足够的时间，发生下贝氏体转变后取出空冷。钢等温淬火后获得下贝氏体组织，故又称为贝氏体淬火。特点：淬火内应力很小，工件不易变形和开裂，而且所获得的下贝氏体组织具有良好的综合力学性能，强度、硬度、韧性也都较高，多用来处理形状复杂，尺寸精度较高，且硬度、韧性也都很高的工件，如各种冷、热冲模，成形工具和弹簧等。低碳贝氏体性能不如低碳M好，因此低碳钢不适于进行等温淬火。等温淬火主要适用于中碳钢以上的钢。
3.3.2 淬火缺陷
热处理生产中，由于热处理工艺处理不当，常会给工件带来缺陷，如氧化、脱碳、变形与开裂、过热、过烧、硬度不足等。
（1）氧化与脱碳
氧化是因为钢加热介质控制不当，钢与氧化性气体作用而在工件表面形成一层松脆氧化皮的现象。氧化缺陷使钢的力学性能和表面质量降低，甚至造成钢耗损。
脱碳是钢件表层的碳与加热介质起作用而逸出，使钢件表面含碳量降低的现象。脱碳会导致钢件表层强度、硬度和疲劳强度降低，尤其是对于各种工具、弹簧、轴承等产生严重影响。
防止氧化、脱碳的措施：控制好炉内气氛，可采用盐浴炉、真空加热炉、保护气氛或给工件表面涂覆保护剂等。
（2）变形与开裂
淬火变形与开裂缺陷主要是淬火内应力引起的。当工件淬火时所承受的复合应力（热应力+组织应力）大于材料的σs时，工件变形；复合应力大于材料的σb时，工件开裂。当变形不大时，可以通过校正来弥补缺陷；而变形过大或开裂的工件只能报废。
（3）过热和过烧
过热是工件加热温度和保温时间控制不当导致淬火后出现粗大的马氏体组织的现象；其容易使钢的微裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧性，也易引起变形和开裂。过热可以用正火予以纠正。
而当加热温度过高或保温时间过长时，晶界氧化或部分熔化的现象称为过烧。过烧后使淬火钢脆性大大增加，工件只能报废。
防止过热和过烧的关键是正确选择淬火加热温度，准确计算保温时间。
（4）硬度不足
淬火回火后硬度不足一般是淬火加热不足、表面脱碳、在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多或回火不足造成的。一般可以在重新退火或正火后，通过淬火处理来消除。
由上可知，工件的热处理过程要侧重控制：加热介质环境；加热温度、时间；选材恰当、结构设计合理；冷却介质和方法、减少内应力等。
3.3.3 钢的淬透性
淬透性是钢在规定的淬火条件下获得淬硬层（M组织）深度的能力。不同的钢有不同的淬透性，它是钢本身的属性。
用不同的钢制成相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，钢获得淬硬层愈深则淬透性愈好，反之则淬透性愈差。
（1）影响淬透性的主要因素
凡是能够增加过冷奥氏体稳定性的因素，或者说凡是使C曲线位置右移、减小临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。即钢的淬透性主要取决于钢的v临。
钢中含碳量对淬透性的影响：在亚共析成分范围内，随含碳量增加，C曲线右移，因此使钢的临界冷却速度减小，使钢的淬透性提高；过共析钢随含碳量增加，C曲线左移，钢的临界冷却速度增大，淬透性降低。
合金元素对淬透性的影响：除钴和铝以外的合金元素能使C曲线右移，也就是说能降低临界冷却速度，使钢的淬透性提高。
奥氏体化条件对淬透性的影响：奥氏体化温度越高，成分越均匀，奥氏体越稳定，因此临界冷却速度越小，淬透性越高。
（2）淬透性的应用
钢的淬透性是选用材料和制订热处理工艺规程的重要依据。材料淬透性好，工件整个截面都能被淬透，钢件在回火后整个截面组织均匀，综合力学性能好，对于选用缓和介质、防止工件变形和开裂、满足大截面工件使用性能、发挥材料潜力起着关键性的作用。
机械中大截面、重载荷的零件，同时承受拉、压应力或交变应力、冲击载荷的连杆、锻模、锤杆、弹簧等，应选用淬透性高的钢；承受交变应力、扭转应力、冲击载荷和表面磨损的轴类零件，其表面受力大，心部受力较小，不需要全部淬透，可选用淬透性适中的钢；而焊接结构件，为防止在焊缝和热影响区出现淬火组织而导致开裂、变形，一般选用淬透性低的钢。