熱處理是改變某些金屬機(jī)械性能的常用方法。能夠改變金屬的硬度、韌性和強(qiáng)度，同時(shí)保持其化學(xué)成分完整和幾乎不變，這是一種根據(jù)環(huán)境和工作需要定制金屬的好方法。有許多不同的方法來熱處理金屬，其中最，流行的方法是通過一種稱為淬火的方法。

淬火是什么?

淬火是一種金屬熱處理工藝。淬火是指金屬的快速冷卻，以調(diào)整其原始狀態(tài)的機(jī)械性能。為了執(zhí)行淬火過程，金屬被加熱到高于正常條件的溫度，通常是高于其再結(jié)晶溫度但低于其熔化溫度的某個(gè)溫度。為了讓熱量“浸泡"材料，金屬可以在這個(gè)溫度下保持一段時(shí)間。一旦金屬被保持在所需的溫度，它在介質(zhì)中淬火，直到它回到室溫。該金屬還可以被淬火一段較長的時(shí)間，以便從淬火過程的冷卻分布在材料的整個(gè)厚度。

淬火過程:

在鋼的淬火過程中，通過使物體的熱表面與一些較冷的材料接觸而獲得快速的冷卻速度，這些材料可以是氣態(tài)的、液態(tài)的或固態(tài)的。這種操作稱為淬火，包括通過空氣、水或其他液體噴射冷卻的方法——浸泡在液體中，如鹽水、水、聚合物淬火劑、鹽浴、板間冷卻。

淬火工藝

然而,冷卻的速率(傳熱的速度從身體熱金屬淬火介質(zhì))取決于對(duì)象的截面尺寸,其溫度,其熱性能,其表面的條件至于氧化膜的性質(zhì)和程度的粗糙度,初始溫度的冷卻劑,其沸點(diǎn),冷卻劑的比熱，蒸發(fā)潛熱，蒸汽的比熱，它的導(dǎo)熱系數(shù)，它的粘度和它通過浸入物體的速度。

在開始考慮常用冷卻劑的冷卻特性之前，最好先研究一下，當(dāng)一個(gè)被加熱的鋼鐵物體(比如840°C)被投入一個(gè)靜止的冷水浴中時(shí)，會(huì)發(fā)生什么。

在整個(gè)淬火過程中，冷卻曲線顯示的不是恒定的冷卻速率，而是三個(gè)階段:

階段A -蒸汽覆蓋階段:

在開始淬火后，由于金屬處于高溫，淬火冷卻劑立即蒸發(fā)，一個(gè)連續(xù)的蒸汽毯包裹物體的表面。

現(xiàn)在沒有液體與金屬表面接觸，熱通過輻射和通過水蒸氣層到液-汽界面的傳導(dǎo)從熱表面非常緩慢地逸出。由于蒸汽膜是不良的熱導(dǎo)體，冷卻速度相對(duì)較慢。

階段B -間歇接觸階段(液體沸騰階段):

熱量在這一階段被迅速地蒸發(fā)掉，正如冷卻曲線的陡坡所顯示的那樣。在這一階段，蒸汽覆蓋層間歇性地被打破，使冷卻劑在一瞬間與熱表面接觸，但很快被蒸汽氣泡的劇烈沸騰作用推開。氣泡被對(duì)流帶走，液體再次接觸金屬。

這一階段的快速冷卻很快使表面低于淬火介質(zhì)的沸點(diǎn)。然后，蒸發(fā)停止了。第二階段對(duì)應(yīng)100℃~ 500℃的溫度范圍，在這一溫度范圍內(nèi)，奧氏體狀態(tài)下的鋼轉(zhuǎn)變最快(≈CCT曲線的前緣)。因此，這一階段的冷卻速度對(duì)鋼的淬火是非常重要的。

C階段-直接接觸階段(液冷階段):

當(dāng)物體表面的溫度降低到沸點(diǎn)，或低于淬火介質(zhì)時(shí)，這一階段開始。蒸汽不會(huì)形成。冷卻是由于對(duì)流和通過液體的傳導(dǎo)。這一階段的冷卻速率最，低。

淬火的步驟

首先，將合金加熱到高于臨界溫度30-50°C 。我們不想在這個(gè)溫度下長時(shí)間停留，因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致晶粒生長。

如果你正在研究對(duì)氧化敏感的合金，你可能需要在真空中加熱合金。有些爐子可以在真空下加熱，但更簡單（小規(guī)模）的方法是將合金封裝在已抽真空或充滿惰性氣體（如氬氣）的石英管中。

合金需要快速冷卻。控制冷卻速度的主要方法是使用不同的淬火介質(zhì)。鹽水通常是最快的實(shí)用淬火介質(zhì)。液氮是一種相對(duì)較慢的淬火介質(zhì)，因?yàn)樗膶?dǎo)熱率和比熱低。

如果合金冷卻過快，它可能會(huì)破裂。如果它冷卻得太慢，您可能無法獲得太多的亞穩(wěn)態(tài)。確定材料最佳淬火速度的最佳方法是使用時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變 (TTT) 相圖。

淬火過程中的大部分金屬都在715到900oC之間加熱。在加熱過程中，必須以恒定的溫度加熱材料是非常重要的。恒溫加熱導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)金屬的所需性能。

加熱后你必須做的第二件事是淋濕，或者我們可以說浸泡。將材料或加熱的工件浸入真空或空氣等介質(zhì)中。工件必須在鹽或沙中浸泡6分鐘，浸泡期間周圍溫度必須恒定。

你們中的一些人可能認(rèn)為浸泡和冷卻是相似的。但浸泡和冷卻過程都不同。因此，浸泡后，是時(shí)候開始冷卻了。

在冷卻過程中，工件必須保持在淬火液中。使用水、油作為淬火介質(zhì)。使用水作為淬火介質(zhì)有一個(gè)缺點(diǎn)，例如它會(huì)導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)多次開裂，或者會(huì)使金屬表面變形。需要注意的一件事是油的冷卻速度比水的冷卻速度慢得多。

淬火過程也可以在惰性氣體存在下進(jìn)行。淬火過程中可使用氮?dú)?、氦氣和氬氣等惰性氣體。在這個(gè)熱處理過程中，淬火介質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。如果淬火介質(zhì)的冷卻速度低于所需的速度，那么您將無法獲得輸出金屬的預(yù)期性能。如果淬火介質(zhì)以比所需速度更快的速度冷卻，那么輸出金屬上就會(huì)出現(xiàn)裂紋。

淬火過程完成后，你可能會(huì)注意到你得到的材料可能非常脆，或者可能比普通金屬硬得多。這是由于給定材料中大量存在馬氏體。因此，你必須對(duì)此類金屬進(jìn)行回火處理。回火降低了不必要的硬度。為了進(jìn)行回火，你必須將金屬加熱到其臨界溫度以下，然后，必須在自然空氣中或環(huán)境中冷卻這種金屬。

常見的淬火介質(zhì)有:

1. 水:

水可能是最古老也是最，流行的淬火介質(zhì)，它滿足低成本、普遍可用、易操作和安全的要求。隨著溫度的升高，冷卻特性的變化比油更大，特別是當(dāng)溫度升高到60℃以上時(shí)，由于蒸汽層階段的增加，冷卻能力迅速下降。最佳冷卻功率是當(dāng)水在20-40℃之間。

水的冷卻能力介于鹽水和油之間。雖然，水在曲線的尖，端附近提供了較高的冷卻能力，以避免轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或貝氏體，但如表6.11所示，水的最大缺點(diǎn)是在馬氏體形成的溫度范圍內(nèi)冷卻速度高。在這一階段，鋼同時(shí)受到結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，它們的附加效應(yīng)增加了裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)。

2. 鹽水:

約10%(重量)的氯化鈉水溶液在工業(yè)上廣泛使用，稱為鹵水。它們提供的冷卻速率介于水和10% NaOH水溶液之間。它們對(duì)器具有腐蝕性，但與腐蝕性溶液一樣，對(duì)工人無害。

鹽水、苛性鈉溶液或水溶液的效率更高的解釋是:在鹽水或苛性鈉溶液中，溶液在熱鋼表面的加熱導(dǎo)致氯化鈉/氫氧化鈉結(jié)晶沉積在熱鋼表面。這層固體晶體以輕微的爆炸暴力破壞，并拋出一團(tuán)晶體云。

3.氫氧化鈉:

通常在水中加入10%(按重量計(jì))的氫氧化鈉。這些溶液在鋼浸入冷卻液的那一刻迅速地從鋼中提取熱量，并且不顯示水的初始階段(a階段)相對(duì)“不活動(dòng)"的狀態(tài)。因此，當(dāng)需要的冷卻速率超過水浴時(shí)，這是很有用的。

4. 油:

油作為一組，在冷卻速度上介于40°C的水和90°C的水之間。在油淬滅過程中，通過使用動(dòng)物油、植物油或礦物油，或兩種或更多種類的油的混合物，可以產(chǎn)生相當(dāng)大的變化。油的蒸汽壓力尤其重要，因?yàn)樗鼪Q定了熱鋼表面產(chǎn)生的油蒸汽膜的厚度，這限制了熱去除的速度。然而，通常使用的油有很高的沸點(diǎn)。

與水或鹽水相比，油的淬火能力要低得多(在大約600°C時(shí)冷卻速度最大)，在馬氏體形成的范圍內(nèi)相對(duì)緩慢，后者將形成裂紋的危險(xiǎn)降到最，低。通過對(duì)熔池或熔池部分的大力攪拌，可以提高鋼的CCT曲線前端附近的冷卻功率。

5. 乳劑(水和油):

水的快速冷卻(靠近CCT曲線的頂部)和油在后期(在Ms - Mf溫度范圍內(nèi))的緩慢冷卻導(dǎo)致了乳液-水和“水溶性"油的不同比例混合物的發(fā)展。90%油10%水的乳狀液具有比油更低的冷卻速度。由90%水和10%油組成的乳化液也不如油，因?yàn)樵?00℃左右形成馬氏體時(shí)，它比油冷卻得更快，從而增加了變形和開裂的危險(xiǎn)。

6. 聚合物介質(zhì):

這些是冷卻劑領(lǐng)域的新進(jìn)入者，接近理想的淬火介質(zhì)(6.3)的特性，即快速冷卻到Ms溫度，然后在馬氏體形成時(shí)相當(dāng)緩慢。

這些合成淬火劑是高分子量的有機(jī)化學(xué)品，通常以聚烷基乙二醇為基礎(chǔ)，或聚乙烯醇為基礎(chǔ)，但通常前者更常用為淬火劑。這些都是水溶性材料，因此，通過改變有機(jī)添加劑的濃度，可以得到冷卻速度差別很大的淬火劑。當(dāng)淬火劑的添加量為5%時(shí)，在60℃時(shí)，淬火劑的表面硬度與水相似，開裂的危險(xiǎn)最小，而淬火非合金鋼。含15%添加劑的淬火劑與油具有相同的冷卻性能，沒有火災(zāi)危險(xiǎn)。

7. 鹽浴:

對(duì)于截面不太大、淬透性好的鋼，鹽浴是理想的淬火介質(zhì)。表6.12給出了一些鹽的組成和每種混合物的適用溫度范圍。建議在鹽浴中保溫時(shí)間為2-4分鐘/厘米的切片厚度，較輕的切片保溫時(shí)間較短。像100% NaNO3這樣的浴液需要400-600°C。冷卻能力高到400℃左右，然后隨著鋼的溫度繼續(xù)下降而下降。

因此，浴槽溫度越低，攪拌越大，冷卻能力越好。如果被污染，浴槽的冷卻效率會(huì)降低。攪拌槽使雜質(zhì)懸浮，附著在被冷卻的部件上，減少了熱傳遞。在鹽浴中加入0.3- 0.5%的水，使鹽浴表面持續(xù)保持蒸汽狀態(tài)，冷卻能力幾乎增加一倍。

8. 空氣:

如果鋼具有高淬透性，也可以使用壓縮空氣或靜止空氣，即空氣硬化鋼等高合金鋼;或低合金鋼的輕質(zhì)截面。由于空氣冷卻速度較慢且更均勻，變形的危險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。鋼在冷卻過程中表面總是氧化的。

9. 氣體:

在氣體中，氫和氦的冷卻效率更高，但氮?dú)馔ǔＳ糜跓峒庸や摵透咚黉?，因?yàn)槭褂脷浜秃ぐ嘿F時(shí)可能發(fā)生爆炸。

氣淬可使形狀復(fù)雜、截面厚度不同的厚截面零件冷卻更均勻，從而獲得更均勻的力學(xué)性能。破裂或變形的危險(xiǎn)最小?？焖倭鲃?dòng)的氣流在氣室中直接與奧氏體化鋼接觸，迅速散熱。

10. 流動(dòng)層:

它由蒸餾罐中的氧化鋁顆粒組成，通過蒸餾罐底部向上吹出的連續(xù)氣流使其流化。這些粒子像流體一樣運(yùn)動(dòng)。使用氮?dú)鈺?huì)產(chǎn)生惰性氣氛。

主要用于淬火高合金鋼、冷加工鋼、熱加工鋼、高速鋼、空氣硬化鋼等。流化床冷卻比水或油慢，比熔鹽淬火慢10%，但明顯快于空氣。流化床可在任何低溫下運(yùn)行。零件上沒有殘留，不需要后處理。沒有煙霧和污染的危害。