热处理是改变某些金属机械性能的常用方法。能够改变金属的硬度、韧性和强度，同时保持其化学成分完整和几乎不变，这是一种根据环境和工作需要定制金属的好方法。有许多不同的方法来热处理金属，其中最流行的方法是通过一种称为淬火的方法。

淬火是什么?

淬火是一种金属热处理工艺。淬火是指金属的快速冷却，以调整其原始状态的机械性能。为了执行淬火过程，金属被加热到高于正常条件的温度，通常是高于其再结晶温度但低于其熔化温度的某个温度。为了让热量“浸泡”材料，金属可以在这个温度下保持一段时间。一旦金属被保持在所需的温度，它在介质中淬火，直到它回到室温。该金属还可以被淬火一段较长的时间，以便从淬火过程的冷却分布在材料的整个厚度。

淬火过程:

在钢的淬火过程中，通过使物体的热表面与一些较冷的材料接触而获得快速的冷却速度，这些材料可以是气态的、液态的或固态的。这种操作称为淬火，包括通过空气、水或其他液体喷射冷却的方法——浸泡在液体中，如盐水、水、聚合物淬火剂、盐浴、板间冷却。

淬火工艺

然而,冷却的速率(传热的速度从身体热金属淬火介质)取决于对象的截面尺寸,其温度,其热性能,其表面的条件至于氧化膜的性质和程度的粗糙度,初始温度的冷却剂,其沸点,冷却剂的比热，蒸发潜热，蒸汽的比热，它的导热系数，它的粘度和它通过浸入物体的速度。

在开始考虑常用冷却剂的冷却特性之前，最好先研究一下，当一个被加热的钢铁物体(比如840°C)被投入一个静止的冷水浴中时，会发生什么。

在整个淬火过程中，冷却曲线显示的不是恒定的冷却速率，而是三个阶段:

阶段A -蒸汽覆盖阶段:

在开始淬火后，由于金属处于高温，淬火冷却剂立即蒸发，一个连续的蒸汽毯包裹物体的表面。

现在没有液体与金属表面接触，热通过辐射和通过水蒸气层到液-汽界面的传导从热表面非常缓慢地逸出。由于蒸汽膜是不良的热导体，冷却速度相对较慢。

阶段B -间歇接触阶段(液体沸腾阶段):

热量在这一阶段被迅速地蒸发掉，正如冷却曲线的陡坡所显示的那样。在这一阶段，蒸汽覆盖层间歇性地被打破，使冷却剂在一瞬间与热表面接触，但很快被蒸汽气泡的剧烈沸腾作用推开。气泡被对流带走，液体再次接触金属。

这一阶段的快速冷却很快使表面低于淬火介质的沸点。然后，蒸发停止了。第二阶段对应100℃~ 500℃的温度范围，在这一温度范围内，奥氏体状态下的钢转变最快(≈CCT曲线的前缘)。因此，这一阶段的冷却速度对钢的淬火是非常重要的。

C阶段-直接接触阶段(液冷阶段):

当物体表面的温度降低到沸点，或低于淬火介质时，这一阶段开始。蒸汽不会形成。冷却是由于对流和通过液体的传导。这一阶段的冷却速率最低。

淬火的步骤

首先，将合金加热到高于临界温度30-50°C 。我们不想在这个温度下长时间停留，因为它可能会导致晶粒生长。

如果你正在研究对氧化敏感的合金，你可能需要在真空中加热合金。有些炉子可以在真空下加热，但更简单（小规模）的方法是将合金封装在已抽真空或充满惰性气体（如氩气）的石英管中。

合金需要快速冷却。控制冷却速度的主要方法是使用不同的淬火介质。盐水通常是最快的实用淬火介质。液氮是一种相对较慢的淬火介质，因为它的导热率和比热低。

如果合金冷却过快，它可能会破裂。如果它冷却得太慢，您可能无法获得太多的亚稳态。确定材料最佳淬火速度的最佳方法是使用时间-温度-转变 (TTT) 相图。

淬火过程中的大部分金属都在715到900ºC之间加热。在加热过程中，必须以恒定的温度加热材料是非常重要的。恒温加热导致实现金属的所需性能。

加热后你必须做的第二件事是淋湿，或者我们可以说浸泡。将材料或加热的工件浸入真空或空气等介质中。工件必须在盐或沙中浸泡6分钟，浸泡期间周围温度必须恒定。

你们中的一些人可能认为浸泡和冷却是相似的。但浸泡和冷却过程都不同。因此，浸泡后，是时候开始冷却了。

在冷却过程中，工件必须保持在淬火液中。使用水、油作为淬火介质。使用水作为淬火介质有一个缺点，例如它会导致金属表面出现多次开裂，或者会使金属表面变形。需要注意的一件事是油的冷却速度比水的冷却速度慢得多。

淬火过程也可以在惰性气体存在下进行。淬火过程中可使用氮气、氦气和氩气等惰性气体。在这个热处理过程中，淬火介质起着至关重要的作用。如果淬火介质的冷却速度低于所需的速度，那么您将无法获得输出金属的预期性能。如果淬火介质以比所需速度更快的速度冷却，那么输出金属上就会出现裂纹。

淬火过程完成后，你可能会注意到你得到的材料可能非常脆，或者可能比普通金属硬得多。这是由于给定材料中大量存在马氏体。因此，你必须对此类金属进行回火处理。回火降低了不必要的硬度。为了进行回火，你必须将金属加热到其临界温度以下，然后，必须在自然空气中或环境中冷却这种金属。

常见的淬火介质有:

1. 水:

水可能是最古老也是最流行的淬火介质，它满足低成本、普遍可用、易操作和安全的要求。随着温度的升高，冷却特性的变化比油更大，特别是当温度升高到60℃以上时，由于蒸汽层阶段的增加，冷却能力迅速下降。最佳冷却功率是当水在20-40℃之间。

水的冷却能力介于盐水和油之间。虽然，水在曲线的尖端附近提供了较高的冷却能力，以避免转变为珠光体或贝氏体，但如表6.11所示，水的最大缺点是在马氏体形成的温度范围内冷却速度高。在这一阶段，钢同时受到结构应力和热应力的影响，它们的附加效应增加了裂纹形成的风险。

2. 盐水:

约10%(重量)的氯化钠水溶液在工业上广泛使用，称为卤水。它们提供的冷却速率介于水和10% NaOH水溶液之间。它们对器具有腐蚀性，但与腐蚀性溶液一样，对工人无害。

盐水、苛性钠溶液或水溶液的效率更高的解释是:在盐水或苛性钠溶液中，溶液在热钢表面的加热导致氯化钠/氢氧化钠结晶沉积在热钢表面。这层固体晶体以轻微的爆炸暴力破坏，并抛出一团晶体云。

3.氢氧化钠:

通常在水中加入10%(按重量计)的氢氧化钠。这些溶液在钢浸入冷却液的那一刻迅速地从钢中提取热量，并且不显示水的初始阶段(a阶段)相对“不活动”的状态。因此，当需要的冷却速率超过水浴时，这是很有用的。

4. 油:

油作为一组，在冷却速度上介于40°C的水和90°C的水之间。在油淬灭过程中，通过使用动物油、植物油或矿物油，或两种或更多种类的油的混合物，可以产生相当大的变化。油的蒸汽压力尤其重要，因为它决定了热钢表面产生的油蒸汽膜的厚度，这限制了热去除的速度。然而，通常使用的油有很高的沸点。

与水或盐水相比，油的淬火能力要低得多(在大约600°C时冷却速度最大)，在马氏体形成的范围内相对缓慢，后者将形成裂纹的危险降到最低。通过对熔池或熔池部分的大力搅拌，可以提高钢的CCT曲线前端附近的冷却功率。

5. 乳剂(水和油):

水的快速冷却(靠近CCT曲线的顶部)和油在后期(在Ms - Mf温度范围内)的缓慢冷却导致了乳液-水和“水溶性”油的不同比例混合物的发展。90%油10%水的乳状液具有比油更低的冷却速度。由90%水和10%油组成的乳化液也不如油，因为在300℃左右形成马氏体时，它比油冷却得更快，从而增加了变形和开裂的危险。

6. 聚合物介质:

这些是冷却剂领域的新进入者，接近理想的淬火介质(6.3)的特性，即快速冷却到Ms温度，然后在马氏体形成时相当缓慢。

这些合成淬火剂是高分子量的有机化学品，通常以聚烷基乙二醇为基础，或聚乙烯醇为基础，但通常前者更常用为淬火剂。这些都是水溶性材料，因此，通过改变有机添加剂的浓度，可以得到冷却速度差别很大的淬火剂。当淬火剂的添加量为5%时，在60℃时，淬火剂的表面硬度与水相似，开裂的危险最小，而淬火非合金钢。含15%添加剂的淬火剂与油具有相同的冷却性能，没有火灾危险。

7. 盐浴:

对于截面不太大、淬透性好的钢，盐浴是理想的淬火介质。表6.12给出了一些盐的组成和每种混合物的适用温度范围。建议在盐浴中保温时间为2-4分钟/厘米的切片厚度，较轻的切片保温时间较短。像100% NaNO3这样的浴液需要400-600°C。冷却能力高到400℃左右，然后随着钢的温度继续下降而下降。

因此，浴槽温度越低，搅拌越大，冷却能力越好。如果被污染，浴槽的冷却效率会降低。搅拌槽使杂质悬浮，附着在被冷却的部件上，减少了热传递。在盐浴中加入0.3- 0.5%的水，使盐浴表面持续保持蒸汽状态，冷却能力几乎增加一倍。

8. 空气:

如果钢具有高淬透性，也可以使用压缩空气或静止空气，即空气硬化钢等高合金钢;或低合金钢的轻质截面。由于空气冷却速度较慢且更均匀，变形的危险可以忽略不计。钢在冷却过程中表面总是氧化的。

9. 气体:

在气体中，氢和氦的冷却效率更高，但氮气通常用于热加工钢和高速钢，因为使用氢和氦昂贵时可能发生爆炸。

气淬可使形状复杂、截面厚度不同的厚截面零件冷却更均匀，从而获得更均匀的力学性能。破裂或变形的危险最小。快速流动的气流在气室中直接与奥氏体化钢接触，迅速散热。

10. 流动层:

它由蒸馏罐中的氧化铝颗粒组成，通过蒸馏罐底部向上吹出的连续气流使其流化。这些粒子像流体一样运动。使用氮气会产生惰性气氛。

主要用于淬火高合金钢、冷加工钢、热加工钢、高速钢、空气硬化钢等。流化床冷却比水或油慢，比熔盐淬火慢10%，但明显快于空气。流化床可在任何低温下运行。零件上没有残留，不需要后处理。没有烟雾和污染的危害。