3-1钢铁材料的热处理02淬火回火
材料的强化和处理是工程材料研究和应用的重要问题之一。通过各种强化和处理手段，既可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，又可以获得一些特殊性能以满足各种使用条件下对材料的要求。
3.1.2钢的退火与正火
一、钢的退火
典型零件的制造过程：
铸/锻→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工预备
热处理目的：消除前道工序的缺陷，为后续工序作组织准备
最终热处理目的：满足使用性能要求退火：加热、保温、慢冷得到P类组织退火的目的：软化、稳定化、细化、均匀化
完全退火加热到Ac3+30~50℃，保温后炉冷。目的：细化，软化
应用：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件组织：F+P
球化退火加热到Ac1+20~40℃，保温后炉冷应用：共析、过共析钢和合金钢
目的：Fe3C片，网→Fe3C球（降低硬度；为淬火作组织准备）去应力退火加热到Ac1-100~200℃，保温后炉冷目的：去内应力，稳定组织
应用：冷加工件，热加工件
二、钢的正火
正火加热到Ac3(Accm)+30~50℃，保温后空冷
退火强调软化，正火强调高效率。
正火的应用
1、细化晶粒，提高性能；
2、提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性；消除网状渗碳体（以便球化退火）
二、钢的淬火
淬火加热、保温、快冷，提高硬度和耐磨性目的：得到马氏体组织（贝氏体），提高硬度和耐磨性
分析：45钢分别在700℃，750℃，840℃加热淬火后的硬度高低T12钢分别在700℃，750℃，900℃加热淬火后的硬度高低一、淬火工艺1、淬火加热温度
亚共析钢：Ac3+30~50℃
淬火组织：细小均匀Ｍ过低有F，↓HRC
过高氧化脱碳，晶粒粗大，淬火应力大
过共析钢：Ac1+30~50℃
淬火组织：细小均匀Ｍ+Fe3C粒+Ａ残
过低得不到M过高氧化脱碳，晶粒粗
大，淬火应力大，残余A量↑，HRC↓
2、淬火冷却介质
理想冷却速度：慢快慢冷却介质：纯水，盐水，油，盐浴，碱浴碳钢淬水，合金钢淬油3、淬火方法1、单液淬火
2、双液淬火（难控制）3、分级淬火4、等温淬火4、钢的淬透性1、淬透性的概念
淬透性钢淬火时获得M的能力。（用规定条件下淬硬层深度表示）淬硬层深度：表面到半M组织的距离
淬硬层深，淬透性好
淬硬性钢淬火时所能达到的最高硬度能力概念区别：
淬透性是钢本身的固有属性，取决于Vk或C曲线位置
实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关淬硬性主要取决于M的含碳量
四、钢的回火
1、回火淬火后在A1以下加热、保温、冷却2、目的：消除内应力，降低脆性；稳定组织和尺寸，获得所需性能3、回火种类及应用
（1）低温回火（150~250℃）
组织：回火M极细ε碳化物+过饱和α相
目的：↓内应力，↓脆性，保持高硬度和耐磨性58~64HRC适用：工具、量具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件。（2）中温回火（350~500℃）
组织：回火T针状F+极细Fe3C目的：获得高σb，σe30~50HRC适用：弹簧。
（3）高温回火（500~650℃）
组织：回火S块状F+粒状Fe3C
目的：获得良好的综合机械性能25~35HRC适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件中碳钢
回火硬度主要取决于回火温度和回火时间淬火+高温回火=调质
1、钢的热处理原理
2、钢的四种热处理工艺方法、目的和应用。
习题P473.23.33.5
331钢铁材料的热处理一、钢的热处理原理1．钢在加热时的组织转变2．钢在冷却时的转变（1）钢在等温冷却时的组织转变1）珠光体转变：2）贝氏体型转变：3）马氏体转变 31钢铁材料的热处理2．正火3．淬火目的：淬火加热温度：淬火方法：淬火缺陷：4．钢的回火回火目的：回火的分类及应用。1）低温回火：2）中温回火：3）高温回火：调质：图区小结与练习（2）钢在连续冷却时的组织转变二、钢的热处理工艺1．退火（1）退火的主要目的是：（2）退火的方法：图区小结与练习
扩展阅读：钢铁热处理讲座-钢之淬火-
钢铁热处理讲座－钢之淬火－
一、钢之淬火
钢之淬火(quenching)系将钢加热至沃斯田体状态之适当温度，保持适当时间后急冷以阻止Ar1变态之发生而得到高硬度的麻田散体组织之操作。一般系将加热之钢投入水或油中急冷，由于钢材是由表面开始冷却，内部的冷却速率比表面小，因此容易造成表面硬，而内部软的情形，淬火时钢的内部容易不容易淬硬的性质称为硬化能(hardenablility)。零件心部也能淬硬时称为完全淬火，而心部不能淬硬者称为不完全淬火。工业上使用之热处理零件，由于质量效应(masseffect)之故，淬火时容易成为不完全淬火的状态，硬化能大之钢水淬时容易发生淬裂或变形，必须以冷却速度小的油作油淬，这时心部就不容易硬化。硬化能非常大之钢，即使在空气中冷却也容易硬化。硬化能大的钢都是含有很多的合金元素。因此钢淬火时之冷却方法便成为非常重要的问题，一不小心就会发生变形或龟裂，所以冷却方法除了直接投入淬火液之外，尚有各种改良的冷却方法。如时间淬火（阶段淬火），恒温淬火（热浴淬火），麻回火、沃斯回火，以及喷射淬火，压住淬火、锻造淬火等特殊淬火方法。二、淬火的种类、定义及目的(一)一般淬火(quenching)
将钢加热至沃斯田体状态之适当温度（亚共析钢温度Ac3温度以上，共析钢及过共析钢Ac1温度以上）保持适当时间后，投入水、油等淬火液中急冷以阻止Ar1变态之发生，而得到高硬度之麻田散体组织之方法，称为淬火。(二)时间淬火(timequenching)
与一般淬火之加热条件一样，将钢加热至淬火温度，保持适当时间后，取出投入于水或油中急冷，经过适当时间后自淬火液中拉上来使钢在空气中缓慢冷却的操作，故又称为抬上淬火或分段淬火、二段淬火等。主要目的在于防止发生变形或淬裂。
(三)恒温淬火(isothermalquenching)
系钢加热至淬火温度后淬火于恒温的热浴(hotbath)中保持适当时间后，自
-102-浴中取出空冷之操作，称为恒温淬火或热浴淬火。融热浴可为融金属，盐浴或油等。按照热浴温度、所得组织之不同又可分为麻回火、沃斯回火等。(1)麻回火(martempering)
麻回火是恒温淬火之一种，热浴温度保持于Ms点稍上方，使钢材表面与心部的温度达到均匀后自热浴取出放冷于空气中徐冷之操作。在空气中冷却时发生麻田散体变态，钢材内外同时发生且在徐冷中发生之故，变形少也不会淬裂，因此适合于形状复杂，厚簿不同之零件之处理。麻回火后须再施以回火。另外热浴保持于Ms点约50℃～100℃下方再取出空冷之方法称为改良麻回火，麻回火在日本将其称为麻淬火(marquen-ching)。(2)沃斯回火(austempering)
将热浴温度保持于300～500℃间，而将沃斯田体化之钢材投入其中，等到恒温变态完成后，自热浴中取出空冷之操作称为沃斯回火。无须回火便可得硬度、韧性皆佳之变韧体组织。(四)其它淬火法
(1)喷射淬火(sprayquenching)
将钢材全部加热至淬火温度后，以淬火液喷射于需要硬化的部份使其急冷，称为喷射淬火。与端面淬火试验法（乔米尼试验）原理相同，可实现理想淬火或适合于硬化能小之钢之淬火，适用于模具，锤子或铁砧等之处理。(2)压住淬火(pressquenching)
齿轮、弹簧等之淬火不希望发生淬火变形时，以模具压住的状态施以油淬火者称为压住淬火、锯片或安全刮胡刀片等簿件工件皆以模挟淬火(diequenching)方式处理。(3)锻造淬火
在沃斯田体组织之温度范围施以锻造，然后直接投入淬火液淬火之操作。可节省能源之外，尚可提高硬化能、耐冲击性、耐疲劳性等。三、淬火之操作方法(一)一般淬火方法
淬火的方法如图1所示将钢加热至沃斯田体状态之适当温度（亚共析钢为Ac3温度以上30～50℃，共析钢及过共析钢为Ac1温度以上30～50℃），在此温
-103-度范围保持充分时间使碳化物完全固溶，而成为均匀的沃斯田体组织。然后按照钢种的不同使用适当的急冷方法使其变态成麻田散体组织而硬化之操作，急冷的程度随钢种而异，淬火温度过高时沃斯田体晶粒粗大，会影响淬火后之机械性质，氧化、脱碳也较容易发生。
为了淬火而加热的温度称为淬火温度或沃斯田体化温度(TA)，在TA温度保持的时间，随合金元素之种类及含量之多寡而异，机械构造用钢或碳工具钢厚度每25mm约20～30分钟，模具钢约45分钟，不锈钢约60分钟左右。保持时间也会因升温之速率而异，加热速率缓慢时升温中（达Ac1点以上）变态也会徐徐进行，因此保持时间可以短一点，若急速加热则保持时间多少须要长些。钢自淬火温度的冷却方法，急冷的程度因钢种而异，但基本原则，如图2所示自淬火温度(TA)至550℃（Ac’1火色消失温度，相当于TTT曲线鼻部温度）之「临界区域」必须急冷。碳钢是指波来体临界区域，而合金钢是指变韧体临界区域，换言之，不发生波来体变态或变韧体变态的最小冷却速率称为「临界冷却速率」，各称为波来体临界冷速与变韧体临界冷速，图3所示即为此两种临界冷速之曲线图。
图1碳钢之淬火温度
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图2淬火时之冷却技巧
(a)波来体临界冷速(b)变韧体临界冷速
图3波来体及变韧体之临界冷速
通常系急冷于30℃以下之冷水的水淬或60℃以上油的油淬，有时也采用冲风冷却。临界区域的温度范围若冷速延缓，便发生部份的波来体组或变韧体组织而无法达到完全硬化的目的。
「临界区域」之温度范围若能以临界冷速以上急冷时，组织仍为沃斯田体称为过冷沃斯田体，当温度降至350～200℃间之Ms点(Ar")以下时开始发生麻
-105-田散体变态而硬化，而约于100℃附近之Mf点完成麻田散体变态，这温度范围称为「危险区域」。这区域会因急冷之收缩与麻田散体化之膨胀同时发生，工件内外产生温度、应力差而容易发生淬裂变形之危险。防止淬裂、变形就必须在「危险区域」的温度范围徐冷。
淬火最重要的事就是要将钢淬火硬化而不能发生淬裂或变形。因此就必须在「临界区域」急冷而「危险区域」徐冷。
麻田散体变态开始温度之Ms点，可由钢之化学组成来决定，机械构造用钢之Ms点温度由实验求出如下式。含碳量愈高Ms点愈低。
Ms点(℃)＝550-350×C%－40×Mn%－35×V%－20×Cr%－17×Ni%－10×
Cu%－10×Mo%－5×W%＋15×Co%＋3×Al%
为了达到「临界区域」急冷而「危险区域」徐冷的目的，有以下种种的改善淬火方法。(二)时间淬火方法
将钢自淬火温度投入淬火液（水或油）使能在「临界区域」急冷以防止波来体或变韧体变态发生，而在到达「危险区域」稍上方之温度的适当时间迅速拉上如图4所示，使其徐冷之操作，因此又称为拉上淬火或分段（二段）淬火。拉上来的时期以投入淬火液之瞬间开始读秒，水淬时工件厚度每3mm浸入淬火液1秒钟计算，而油淬则每1mm浸入1秒钟计算而后随即拉上。水淬时拉上后浸于温水中或油中冷却，而油淬则拉上后空冷即可。水淬时亦可以以水面之振动或水鸣停止时作为拉上时间之标准。
图4时间淬火
(三)恒温淬火
-106-淬火液使用恒温的热浴(hotbath)之淬火方法。淬火温度与保持时间与一般淬火方法相同。淬火液之热浴保持于Ar"与Ar"变态点之间的温度（通常为300～500℃），热浴可为熔融金属，盐浴或油。恒温变态完成后自热浴中取出空冷之。麻回火、沃斯回火为其主要之操作例。(1)麻回火
麻回火之操作方法如图5所示，加热与一般淬火法相同。然后淬火于Ms稍上方温度的恒温油槽中或热盐浴槽中，俟工作内外温度达相同后（恒温保持时间以工件厚度每25mm约4分钟的程度），在过冷沃斯田体不发生恒温度变态之前自热浴中取出放冷于空气中的热处理。使钢淬火时之变形减于最低，并防止淬裂，可谓非常有效之方法图5(a)系将钢自淬火温度急冷至Ms点稍上方之过冷沃斯田体区域，等到钢材内外温度均匀后，空冷的方法，所得组织为麻田散体。图5(b)为急冷至Ms点下方的适当温度（例如Ms点200℃，则约150～100℃），在此温度使钢发生变态。因此所产生之麻田散体随即受到回火。这时钢之比容积之变化比一般淬火方法小，淬火后之残留应力较小，淬裂发生之危险性也可以减低。图5(b)之方法在实用上极为有效，对于形状复杂之工件淬火硬化常被应用。
曲线(a)之方法因麻田散体之变态也是缓慢发生，因此常因钢材本身之保有热而自行受到回火的情形而成为与图5(b)之方法同样的结果。(b)法因为温度较低有可利用恒温油槽的好处。麻回火处理后一般尚须回火，因此在日本的热处理界认为称为麻淬火(marquench-ing)应较为恰当。
(a)图5麻回火(b)
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图6沃斯回火
(2)沃斯回火
沃斯回火之操作方法如图6所示，加热温度与保持时间与一般淬火相同。然后自淬火加热温度急冷于Ar"与Ar"（Ms点）变态点之间（通常为300～500℃）的恒温盐浴或金属浴中。在热浴中恒温变态完成后取出空冷之热处理。
钢经沃斯回后的组织为变韧体，无须回火也可得硬度与韧性均佳之性质。在较高热浴温度处理时可得韧性高之上变韧体组织(upperbainite)，而在较低热浴温度处理时则为硬度较高之下变韧体组织(lowerbainite)。应用于钢线热处理之韧化处理(patenting)，原理上与沃斯回火的操作相同，惟温度较高约于恒温变态曲线之鼻部附近处理（如图6所示），所得组织为微细波来体＋少量上变韧体之混合组织，硬度也较低，可谓变形的沃斯回火。四、淬火液（剂）
工业上使用之淬火剂主要有水、油、水溶性淬火液、空气、盐浴及金属浴等。水、油及水溶性淬火液乃最常用之淬火液，冷却效果大，冷却过程中会有蒸气膜产生、破裂等现象发生，冷却机制较为复杂。而空气、盐浴及金属浴则冷却速率较缓慢，一般都使用于恒温变态处理等特殊的热处理使用。
-108-(一)水
常温水为最普通而常用的淬火液，且为各种淬火液中冷却能最大，但水温超过30℃时冷却能会降低，因此30℃以下使用最为适当。同时使用时必须充分搅拌，搅拌不足时容易引起淬火不匀。水在「临界区域」的冷速快，所以不容易发生波来体变态，但「危险区域」的冷速也快，所以容易发生淬裂。水中加食盐或NaOH等非挥发性物质时，淬火时可缩短蒸气膜生成时间而提高冷却速率。(二)油
油的冷却能相当大，但仍远不及水。过去淬火油都使用植物油，但由于价格高，氧化安定性差而容易老化，因此近年来都使用矿物油。一般而言淬火油的引火点或黏性高时冷却能会降低。虽然油在「临界区域」的冷速慢，但「危险区域」的冷速也慢，因此对防止淬裂和变形是有利，惟通过「临界区域」时容易发生波来体变态。淬火油中混入水分时有时会发生淬裂，应予注意，油温的影响很大，一般以60～80℃之冷却能最大。(三)水溶性淬火液
自古以来钢之淬火不是使用水就是油，这可以说是习惯也是规则。但是水淬会有变形淬裂的问题，而油淬则会有火灾、空气污染等公害问题。因此近年来水溶性淬火液(watersolublequenchant)或称为高分子淬火液(polymerquenchant)。有逐渐被广用的趋势。水溶性淬火液系于水中添加聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，PVP(polyvinylpyrrolidone)、SPA(sodiumpolyacrylate)等高分子化合物以控制淬火液之冷却能。水溶性淬火液随着高分子化合物之添加程度可以使其冷却能维持在水或油，甚至水与油之中间程度之冷却效果，非常方便。惟其主成分仍然是水，因此使用时必须要有将其当作类似水的心理准备。所以用水溶淬火液时有其应该注意之必要。(四)盐浴
盐浴一般使用于恒温变态处理之麻回火或沃斯回火，使用温度在500℃以上者以氯化物为主成分，而500℃以下者则以硝酸盐或亚硝酸盐为主成分。硝酸盐系盐浴在淬火处理后之洗净性佳，但若有碳或有机物混入会有发生爆炸的缺点。熔点低的盐浴冷却能较大，因为盐浴的沸点高，冷却几乎都靠对流与热传导进行。150℃左右的盐浴之冷却能与常温的油大致相同。
-109-(五)金属浴
金属浴系以铅及其它低熔点金属为主成分，比重比铁大，所以工件容易在浴中浮起必须以治具压住以防止其浮起的措施。冷却能虽然很大，但流动性差所以温度之均匀性较差。钢线之韧化处理常以铅浴作为淬火剂使用。铅浴若温度超过500℃便会发生白烟，吸入人体会有毒性，不宜在高温使用。(六)空气
空气是冷却能最小的冷却剂。冷却时只靠对流进行。欲提高冷却能只有使用风扇强制冷却。高合金钢零件单施以空冷即可得麻田散体组织，称为空冷淬火。可施以空冷淬火之钢，硬化能一定要很好，这种钢称为风硬钢或自硬钢。高速钢、模具钢等适于空冷淬火。空冷淬火的特征为淬火变形非常小，惟在空气中容易氧化脱碳，且造成表面粗糙等缺点。因此现场都采用油淬而立即拉上来空冷的方法。五、淬火液之冷却能
淬火液须具有能力使钢料硬化的冷却能(severityofquenching)，但不得使钢料发生淬裂或变形。淬火液的冷却能会因淬火液的种类、浓度及温度等之不同而变化，应该在同一实验方式内相互比较方有意义。因此Grossmann等人提出淬火剂冷却能力以一般数值的表示方法，即淬火剂与钢界面之热传导系数α与钢热传导率λ之比定名为淬火液之冷却能。即冷却能H（单位Cm-1）为H=α／2λ
淬火剂之H值愈大冷却能愈大，但H值会随着搅拌的程度发生很大的差异。表1所示为空气、油、水、盐水及盐浴在各种不同的搅拌状态下之H值。若以静止的水之H值换算成1时与其它淬火剂比较则如表2所示。六、钢之硬化能与质量效应
钢淬火时，钢内部的冷却速率比表面部小，因此零件的中心部会形成未硬化的部份。这时有硬化部分的深度称为淬火硬化深度。
以同一材料作比较时，水淬比油淬硬化深度大，即淬火时容易不容易硬化因淬火液之不同而异。又对同一材料，同一淬火液而言，小零件比大零件容易硬化。另外淬火液相同，零件大小相同，硬化深度也因钢种之不同而异，合金
-110-钢比碳钢容易硬化，硬化深度也大。
如此，钢材淬火时，其硬化深度受到(1)钢材尺寸（大小），(2)淬火液之冷却能及(3)钢本身之硬化容易度（硬化能）等三种因素之影响。(1)、(2)是实际淬火作业时影响冷却速率大小之因素而(3)是如CCT曲线所示，与钢本身的变态容易有关之要因。
表1搅拌对各种淬火剂之H值之影响(cm-1)搅静拌度空止气油水食盐0.790.79~0.87---1.97-水盐浴(205℃)0.197~0.315-----0.8860.008---0.05--0.098~0.1180.354~0.3940.118~0.1380.394~0.4330.138~0.1570.472~0.5120.157~0.1970.551~0.5910.197~0.3150.630~0.7870.315~0.433-1.582.165轻轻地搅拌缓慢搅拌中程度搅拌强搅拌激烈搅拌乔米尼喷水
表2以静止水的H值为1时之冷却能比较
搅静拌度食止盐22~2.2---5.0水水1.01.0~1.11.2~1.31.4~1.51.6~2.04.0油0.25~0.300.30~0.350.35~0.400.4~0.50.5~0.80.8~1.1空0.02---0.05-气轻轻地搅拌缓慢搅拌中程度搅拌强搅拌激烈搅拌
-111-将某一厚度或直径的钢施以淬火时，最表面的部分冷的最快，而愈接近中心部冷却速率愈小。又厚度或直径变大时所保有的热量也会大，因此整体的冷却速率会变小。
以圆棒为例，直径小时中心部之冷速也可达临界冷却速率以上，因此钢材心部也都能成为麻田散体组织，而整体可以完全硬化。若直径太大，连表面部之冷速都无法达到临界冷却速率时，钢材完全不会硬化。而中间直径的钢材，其表面会硬化而心部则会有无法硬化的区域。
图7所示为随着钢材直径之变化心部未硬化部分的大小也会改变的情形。如此，同一钢种因零件质量大小之不同，淬火硬化程度（深度）会产生不同的变化称为质量效应(masseffect)。即因钢材大小之不同，淬火硬化（热处理效果）的差异大时，叫做质量效应大。
对质量效应影响最大者为钢之硬化能。硬化能小的钢，钢材略为增大，就很难淬硬，淬火硬化深度就会减小，质量效应大。又淬火液之冷却能对质量效应也有影响，如图7所示，水淬火比油淬火容易硬化，即淬火液之冷却能愈大，质量效应愈小。
由图7所示可知，钢材的直径愈大，未硬化心部愈大。硬化部与未硬化部之境界处的组织，麻田散体约占50%，一般都以此境界处作为判定有没有硬化的标准。圆棒的中心部未残留有未硬化部之最大直径，称为该钢材之临界直径(criticaldiameter)。临界直径会因淬火剂之种类（冷却液之冷却能）及钢材之种类（钢之硬化能）而变化。
油淬火
水淬火
图7钢之油淬火与水淬火之质量效应说明图
（D为钢材直径，Du为淬火后未硬化部分）
-112-因此要使直径大的钢材心部也能完全硬化，就必须如图8所示，使用冷却能大之淬火液（即要使钢之冷却速度增大），或使用硬化能大之钢材。但是淬火液之冷却能是有一定界限，冷却能增大时会有淬裂等之危险性。因此若要使淬火硬化处理做的很成功，除了淬火剂的冷却能之外，钢之硬化能是非常重要。但不得不注意的是，不得将硬化能与淬火硬度混为一谈。硬度是因淬火而得到麻田散体组织时达到最高，淬火能得到最高硬度则如图9所示可以说是仅受含碳量的支配，少量的Ni，Cr，Mo等合金元素可以说不受影响。而硬化能则是在一定的淬火条件下淬火硬化的深度来表示，硬化能不但会受到C量之影响，合金元素之影响也非常大。钢中添加合金元素有种种目的，但是增大钢之硬化能可说是最大目的之一。
（本文作者原任于台北科技大学专任教授，现兼任教授并服务于晋英金属工业股份有限公司）
度度之硬化功能
冷速度大
Ｍs
冷曲
Ｍf
ＭsＭf
(a)冷却速度大(b)钢之硬化能大（硬化能一定时）（冷却速度一定时）
图8钢淬火硬化的对策
-113-淬火可得之最高硬度(HRC)合金碳含碳量(%)
图9钢之C量与淬火最高硬度之关系
-114-
友情提示：本文中关于《3-1钢铁材料的热处理02淬火回火》给出的范例仅供您参考拓展思维使用，3-1钢铁材料的热处理02淬火回火：该篇文章建议您自主创作。
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《3-1钢铁材料的热处理02淬火回火》
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