熱處理是改變某些金屬機械性能的常用方法。能夠改變金屬的硬度、韌性和強度，同時保持其化學成分完整和幾乎不變，這是一種根據環境和工作需要定製金屬的好方法。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(wei) 淬火的方法。

 

淬火是一種金屬熱處理工藝。淬火是指金屬的快速冷卻，以調整其原始狀態的機械性能。為(wei) 了執行淬火過程，金屬被加熱到高於(yu) 正常條件的溫度，通常是高於(yu) 其再結晶溫度但低於(yu) 其熔化溫度的某個(ge) 溫度。為(wei) 了讓熱量“浸泡”材料，金屬可以在這個(ge) 溫度下保持一段時間。一旦金屬被保持在所需的溫度，它在介質中淬火，直到它回到室溫。該金屬還可以被淬火一段較長的時間，以便從(cong) 淬火過程的冷卻分布在材料的整個(ge) 厚度。

 

在鋼的淬火過程中，通過使物體(ti) 的熱表麵與(yu) 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的、液態的或固態的。這種操作稱為(wei) 淬火，包括通過空氣、水或其他液體(ti) 噴射冷卻的方法——浸泡在液體(ti) 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(chuan) 熱的速度從(cong) 身體(ti) 熱金屬淬火介質)取決(jue) 於(yu) 對象的截麵尺寸,其溫度,其熱性能,其表麵的條件至於(yu) 氧化膜的性質和程度的粗糙度,初始溫度的冷卻劑,其沸點,冷卻劑的比熱，蒸發潛熱，蒸汽的比熱，它的導熱係數，它的粘度和它通過浸入物體(ti) 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，當一個(ge) 被加熱的鋼鐵物體(ti) (比如840°C)被投入一個(ge) 靜止的冷水浴中時，會(hui) 發生什麽(me) 。

在整個(ge) 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(ge) 階段:

階段A -蒸汽覆蓋階段:

在開始淬火後，由於(yu) 金屬處於(yu) 高溫，淬火冷卻劑立即蒸發，一個(ge) 連續的蒸汽毯包裹物體(ti) 的表麵。

現在沒有液體(ti) 與(yu) 金屬表麵接觸，熱通過輻射和通過水蒸氣層到液-汽界麵的傳(chuan) 導從(cong) 熱表麵非常緩慢地逸出。由於(yu) 蒸汽膜是不良的熱導體(ti) ，冷卻速度相對較慢。

階段B -間歇接觸階段(液體(ti) 沸騰階段):

熱量在這一階段被迅速地蒸發掉，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(yu) 熱表麵接觸，但很快被蒸汽氣泡的劇烈沸騰作用推開。氣泡被對流帶走，液體(ti) 再次接觸金屬。

這一階段的快速冷卻很快使表麵低於(yu) 淬火介質的沸點。然後，蒸發停止了。第二階段對應100℃~ 500℃的溫度範圍，在這一溫度範圍內(nei) ，奧氏體(ti) 狀態下的鋼轉變最快(≈CCT曲線的前緣)。因此，這一階段的冷卻速度對鋼的淬火是非常重要的。

C階段-直接接觸階段(液冷階段):

當物體(ti) 表麵的溫度降低到沸點，或低於(yu) 淬火介質時，這一階段開始。蒸汽不會(hui) 形成。冷卻是由於(yu) 對流和通過液體(ti) 的傳(chuan) 導。這一階段的冷卻速率最低。

 

首先，將合金加熱到高於(yu) 臨(lin) 界溫度30-50°C 。我們(men) 不想在這個(ge) 溫度下長時間停留，因為(wei) 它可能會(hui) 導致晶粒生長。

如果你正在研究對氧化敏感的合金，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（小規模）的方法是將合金封裝在已抽真空或充滿惰性氣體(ti) （如氬氣）的石英管中。

合金需要快速冷卻。控製冷卻速度的主要方法是使用不同的淬火介質。鹽水通常是最快的實用淬火介質。液氮是一種相對較慢的淬火介質，因為(wei) 它的導熱率和比熱低。

如果合金冷卻過快，它可能會(hui) 破裂。如果它冷卻得太慢，您可能無法獲得太多的亞(ya) 穩態。確定材料最佳淬火速度的最佳方法是使用時間-溫度-轉變 (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。恒溫加熱導致實現金屬的所需性能。

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

你們(men) 中的一些人可能認為(wei) 浸泡和冷卻是相似的。但浸泡和冷卻過程都不同。因此，浸泡後，是時候開始冷卻了。

在冷卻過程中，工件必須保持在淬火液中。使用水、油作為(wei) 淬火介質。使用水作為(wei) 淬火介質有一個(ge) 缺點，例如它會(hui) 導致金屬表麵出現多次開裂，或者會(hui) 使金屬表麵變形。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(ti) 存在下進行。淬火過程中可使用氮氣、氦氣和氬氣等惰性氣體(ti) 。在這個(ge) 熱處理過程中，淬火介質起著至關(guan) 重要的作用。如果淬火介質的冷卻速度低於(yu) 所需的速度，那麽(me) 您將無法獲得輸出金屬的預期性能。如果淬火介質以比所需速度更快的速度冷卻，那麽(me) 輸出金屬上就會(hui) 出現裂紋。

淬火過程完成後，你可能會(hui) 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。這是由於(yu) 給定材料中大量存在馬氏體(ti) 。因此，你必須對此類金屬進行回火處理。回火降低了不必要的硬度。為(wei) 了進行回火，你必須將金屬加熱到其臨(lin) 界溫度以下，然後，必須在自然空氣中或環境中冷卻這種金屬。

1. 水:

水可能是最古老也是最流行的淬火介質，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，特別是當溫度升高到60℃以上時，由於(yu) 蒸汽層階段的增加，冷卻能力迅速下降。最佳冷卻功率是當水在20-40℃之間。

水的冷卻能力介於(yu) 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，以避免轉變為(wei) 珠光體(ti) 或貝氏體(ti) ，但如表6.11所示，水的最大缺點是在馬氏體(ti) 形成的溫度範圍內(nei) 冷卻速度高。在這一階段，鋼同時受到結構應力和熱應力的影響，它們(men) 的附加效應增加了裂紋形成的風險。

2. 鹽水:

約10%(重量)的氯化鈉水溶液在工業(ye) 上廣泛使用，稱為(wei) 鹵水。它們(men) 提供的冷卻速率介於(yu) 水和10% NaOH水溶液之間。它們(men) 對器具有腐蝕性，但與(yu) 腐蝕性溶液一樣，對工人無害。

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，溶液在熱鋼表麵的加熱導致氯化鈉/氫氧化鈉結晶沉積在熱鋼表麵。這層固體(ti) 晶體(ti) 以輕微的爆炸暴力破壞，並拋出一團晶體(ti) 雲(yun) 。

3.氫氧化鈉:

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

4. 油:

油作為(wei) 一組，在冷卻速度上介於(yu) 40°C的水和90°C的水之間。在油淬滅過程中，通過使用動物油、植物油或礦物油，或兩(liang) 種或更多種類的油的混合物，可以產(chan) 生相當大的變化。油的蒸汽壓力尤其重要，因為(wei) 它決(jue) 定了熱鋼表麵產(chan) 生的油蒸汽膜的厚度，這限製了熱去除的速度。然而，通常使用的油有很高的沸點。

與(yu) 水或鹽水相比，油的淬火能力要低得多(在大約600°C時冷卻速度最大)，在馬氏體(ti) 形成的範圍內(nei) 相對緩慢，後者將形成裂紋的危險降到最低。通過對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)和油在後期(在Ms - Mf溫度範圍內(nei) )的緩慢冷卻導致了乳液-水和“水溶性”油的不同比例混合物的發展。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，因為(wei) 在300℃左右形成馬氏體(ti) 時，它比油冷卻得更快，從(cong) 而增加了變形和開裂的危險。

6. 聚合物介質:

這些是冷卻劑領域的新進入者，接近理想的淬火介質(6.3)的特性，即快速冷卻到Ms溫度，然後在馬氏體(ti) 形成時相當緩慢。

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

7. 鹽浴:

對於(yu) 截麵不太大、淬透性好的鋼，鹽浴是理想的淬火介質。表6.12給出了一些鹽的組成和每種混合物的適用溫度範圍。建議在鹽浴中保溫時間為(wei) 2-4分鍾/厘米的切片厚度，較輕的切片保溫時間較短。像100% NaNO3這樣的浴液需要400-600°C。冷卻能力高到400℃左右，然後隨著鋼的溫度繼續下降而下降。

因此，浴槽溫度越低，攪拌越大，冷卻能力越好。如果被汙染，浴槽的冷卻效率會(hui) 降低。攪拌槽使雜質懸浮，附著在被冷卻的部件上，減少了熱傳(chuan) 遞。在鹽浴中加入0.3- 0.5%的水，使鹽浴表麵持續保持蒸汽狀態，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;或低合金鋼的輕質截麵。由於(yu) 空氣冷卻速度較慢且更均勻，變形的危險可以忽略不計。鋼在冷卻過程中表麵總是氧化的。

9. 氣體(ti) :

在氣體(ti) 中，氫和氦的冷卻效率更高，但氮氣通常用於(yu) 熱加工鋼和高速鋼，因為(wei) 使用氫和氦昂貴時可能發生爆炸。

氣淬可使形狀複雜、截麵厚度不同的厚截麵零件冷卻更均勻，從(cong) 而獲得更均勻的力學性能。破裂或變形的危險最小。快速流動的氣流在氣室中直接與(yu) 奧氏體(ti) 化鋼接觸，迅速散熱。

10. 流動層:

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氣流使其流化。這些粒子像流體(ti) 一樣運動。使用氮氣會(hui) 產(chan) 生惰性氣氛。

主要用於(yu) 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%，但明顯快於(yu) 空氣。流化床可在任何低溫下運行。零件上沒有殘留，不需要後處理。沒有煙霧和汙染的危害。