淬火是將鋼加熱到A c3或A c1以上，保溫一定時(shí)間使其奧氏化，再以大于臨界冷卻速度進(jìn)行快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火的目的主要是為了獲得馬氏體，淬火后再經(jīng)回火可提高鋼的硬度和耐磨性。它是強(qiáng)化鋼材最重要的熱處理方法。
（1）淬火工藝
1）淬火加熱溫度
碳鋼的淬火加熱溫度選擇范圍如圖1．4．17所示。
對于亞共析碳鋼，淬火溫度一般選擇A c3+ 30～50℃，淬火后可獲得均勻細(xì)小的馬氏體組織。如果加熱溫度過低（≤A3），在淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，這樣會(huì)造成淬火硬度不足和不均勻；若加熱溫度過高則獲得粗大馬氏體，同時(shí)會(huì)引起較嚴(yán)重的淬火變形。
圖1．4．17 碳鋼的淬火加熱溫度范圍
對于共析鋼和過共析碳鋼，適宜的淬火溫度為A c1+ 30～50℃，淬火后的組織為細(xì)小均勻的馬氏體和粒狀二次滲碳體的混合組織。有二次滲碳體顆粒的存在，會(huì)明顯提高鋼的耐磨性。如果加熱溫度超過A cm，不僅會(huì)得到粗片狀馬氏體組織，脆性極大，而且會(huì)因奧氏體含碳量過高，而使淬火鋼中殘余奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。
2）淬火冷卻介質(zhì)
淬火要求得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度，而快冷過程中不可避免地產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起鋼件的變形和開裂。內(nèi)應(yīng)力來自兩個(gè)方面：一方面因?yàn)樵诖慊鹄鋮s中工件截面的內(nèi)外溫度不同，這種溫度差異會(huì)引起熱應(yīng)力；另一方面鋼中不同組織的比容（單位質(zhì)量物質(zhì)的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此馬氏體轉(zhuǎn)變將使工件的體積脹大，如果冷卻速度較大，由于工件截面上的內(nèi)外溫差增大，使馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時(shí)進(jìn)行而造成組織應(yīng)力。冷卻速度越大，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力越大，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中便越容易引起變形與開裂。
在淬火過程中總是希望既能夠得到馬氏體，又不產(chǎn)生淬火缺陷。要達(dá)到這種效果應(yīng)從兩方面著手，其一是選擇較理想的淬火介質(zhì)，其二是改進(jìn)淬火的冷卻方法。
根據(jù)碳鋼的奧氏體等溫C曲線可知，要獲得馬氏體組織，并不需要在整個(gè)冷卻過程中都進(jìn)行快速冷卻，關(guān)鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之上以及400℃以下，特別是M s以下300～200℃的溫度范圍內(nèi)并不希望快冷。根據(jù)上述要求，冷卻介質(zhì)對鋼的理想淬火冷卻速度應(yīng)如圖1．4．18所示。但至今還沒有找到一種十分理想的淬火冷卻介質(zhì)以符合這一要求。
圖1．4．18 碳鋼的理想淬火冷卻曲線
目前生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的冷卻介質(zhì)是油和水。水在650～400℃范圍內(nèi)冷卻速度很大，這對奧氏體穩(wěn)定性較小的碳鋼來說是非常有利的。但在300～200℃范圍內(nèi)，水的冷速仍然很大，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，易使工件產(chǎn)生變形和開裂。水中加入少量的鹽，只能增加它在650～400℃范圍內(nèi)的冷卻能力，而基本上不改變它在300～200℃時(shí)的冷卻速度。
淬火用油一般為礦物油（如機(jī)油、變壓器油、柴油等）。油在300～200℃范圍內(nèi)冷卻速度遠(yuǎn)小于水，這對減少淬火工件的變形與開裂是很有利的，但它在650～400℃范圍內(nèi)冷卻速度也比水小得多，故不能用于碳鋼，而只能用于過冷奧氏體穩(wěn)定性較大的合金鋼的淬火。
另一類淬火介質(zhì)為各種低溫鹽浴、堿浴及金屬浴等。這類淬火介質(zhì)的沸點(diǎn)都高于工件的淬火溫度，在淬火過程中介質(zhì)不會(huì)氣化沸騰，只在工件與介質(zhì)的界面上，以輻射、傳導(dǎo)和對流的方式進(jìn)行熱交換，使工件溫度逐漸降低。
各類介質(zhì)的使用溫度及適用范圍見表1．4．1。
表1.4.1 各類介質(zhì)的使用溫度及適用范圍
（2）淬火方法
1）單液淬火法
將加熱奧氏體化后的工件放入一種淬火冷卻介質(zhì)中一直冷卻到室溫的淬火，稱為單液淬火法。例如碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火。這種淬火方法操作簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，適用于形狀簡單的工件。
2）雙液淬火法
對于形狀復(fù)雜的工件，為了防止在低溫范圍內(nèi)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生開裂，可先在水中冷到接近M s點(diǎn)時(shí)，立即取出放入油中冷卻，稱為雙液淬火法，也常稱為水淬油冷。如果能恰當(dāng)?shù)乜刂坪迷谒械臅r(shí)間，可以有效地防止淬火裂紋，但這要求有較高的操作技術(shù)。
3）分級淬火法
分級淬火是把加熱好的工件放入溫度稍高于M s點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保持一段時(shí)間，使工件內(nèi)外溫度均勻化，然后取出在空氣中冷卻，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。這種淬火方法可大大減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，明顯地減少變形和開裂，但由于鹽浴或堿浴的冷卻能力小，故此法只適用于截面尺寸比較小（直徑或厚度小于10 mm）的工件。
分級淬火和等溫淬火法常用的堿浴、硝鹽浴的成分、熔點(diǎn)及其使用溫度見表1．4．2。
表1.4.2 常用堿浴、硝鹽浴的成分、熔點(diǎn)及使用溫度
4）等溫淬火法
等溫淬火的操作方法與分級淬火法相類似，只是在鹽浴或堿浴中的保溫時(shí)間要足夠長，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈邚?qiáng)韌性的下貝氏體組織，然后取出空冷。
等溫淬火法常用來處理形狀復(fù)雜、尺寸要求精確，并且要求有較高強(qiáng)韌性的工具、模具和彈簧等。
5）局部淬火法
有些工件按其工作條件，如果只是局部要求高硬度，可對工件整體加熱后將需要脆硬部分置于淬火介質(zhì)中冷卻。為了避免工件其他部分產(chǎn)生變形和開裂，也可將工件需要脆硬部分加熱，然后將此部分放在淬火介質(zhì)中冷卻。
6）冷處理
冷處理是把淬火冷卻到室溫的鋼繼續(xù)冷卻到零度以下（如- 70～- 80℃）的處理工藝。冷處理適用于M f溫度位于0℃以下的高碳鋼和合金鋼，冷處理可以使過冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變更加完全，減少殘余奧氏體的含量，提高鋼的硬度和耐磨性，并使尺寸穩(wěn)定。冷處理的實(shí)質(zhì)是淬火鋼在零度以下的淬火。冷處理后必須進(jìn)行低溫回火，以消除所形成的應(yīng)力及穩(wěn)定新形成的馬氏體組織。精密量具、滾動(dòng)軸承等都應(yīng)進(jìn)行冷處理。
冷處理時(shí)獲得低溫的辦法是采用干冰（固態(tài)CO2）和酒精的混合劑或冷卻機(jī)冷卻。
圖1．4．19 斷面上馬氏體量分布曲線
