热处理的冷却阶段是金属在加热到特定温度后，通过受控过程降低其温度的阶段。这通常是最关键的阶段，因为冷却的速度和方法——即淬火——直接决定了材料的最终机械性能，例如其硬度、强度和延展性。冷却方法的选择范围很广，可以是从快速浸入盐水到在炉内数小时缓慢冷却。
需要理解的核心原则是，这不仅仅是让金属变冷。冷却的速率决定了材料最终的微观结构，从而锁定所需的性能并使其适应预期用途。
为什么冷却速率是决定性因素
在高温热处理下，钢铁等金属的原子结构会转变为一种称为奥氏体的形式。冷却过程的目标是控制这种奥氏体在室温下如何变回不同的结构。
转变的科学
当快速冷却时，原子没有时间重新排列成柔软、稳定的状态。它们被困在高度应力、坚硬和脆性的结构中，例如马氏体。这是硬化过程的主要目标。
当缓慢冷却时，原子有充足的时间移动到有序、低应力的晶体结构中。这会产生更柔软、更具延展性且更易加工的材料，其结构如铁素体和珠光体。
常见的冷却方法及其目的
“淬火剂”或冷却介质的选择基于所需的冷却速率、金属类型和零件的几何形状。每种介质以不同的速度散热。
淬火：达到最大硬度的途径
淬火是指任何快速冷却的过程。目标是足够快地冷却金属，以防止形成软结构。
- 盐水或水淬：盐水溶液提供最快的冷却速率。它极其有效，但也是最剧烈的，会产生巨大的内应力，可能导致薄或复杂零件变形或开裂。
- 油淬：油的冷却速度比水慢。这使其成为许多合金钢的常见选择，因为它在实现高硬度和降低变形风险之间取得了良好的平衡。
- 气体淬火：使用高压氮气或氩气提供高度受控且清洁的冷却过程。它比油淬慢，但非常适合高价值零件、复杂几何形状以及航空航天中使用的先进材料，在这些应用中，最大限度地减少变形至关重要。通常，钢使用99.995%纯氮气，而高温合金可能需要99.999%氮气或氩气。
缓慢冷却：优先考虑稳定性和可加工性
并非所有的热处理都是为了硬化。有时，目标是软化金属、消除应力或细化其内部晶粒结构。
- 退火：这涉及尽可能缓慢地冷却材料，通常是通过将其留在已关闭的炉内。它产生最柔软、最具延展性的状态，使金属易于加工或成形。
- 正火：这涉及将零件从炉中取出，并在静止空气中冷却。它比退火快得多，但比淬火慢得多。正火通常用于创建更均匀的晶粒结构并消除先前制造步骤（如锻造或冷成形）中产生的应力。
理解权衡：硬度与脆性
选择冷却过程是一种平衡行为。实现一种性能通常意味着牺牲另一种性能。
变形和开裂的风险
冷却速率越快，热冲击和内应力越大。虽然快速淬火可产生最大硬度，但它也带来了零件翘曲、变形甚至开裂的高风险。淬火剂必须足够强劲以使零件硬化，但又不能过于强劲以致损坏零件。
回火的必要性
已淬火至最大硬度的零件几乎总是过于脆性，无法用于任何实际应用。它就像玻璃一样——坚硬但易碎。
因此，淬火之后几乎总是进行第二次热处理，称为回火。此过程涉及将硬化零件重新加热到低得多的温度，以消除应力并以少量硬度换取韧性的显著增加。
选择正确的冷却过程
您选择的冷却方法必须与您的组件所需的最终性能保持一致。
- 如果您的主要重点是最大硬度：使用您的材料在不失效的情况下所能承受的最剧烈的淬火，例如用于简单碳钢的盐水或用于合金的快速油。
- 如果您的主要重点是最大限度地减少变形：使用更慢、更受控的方法，例如真空气体淬火或更温和的油，特别是对于复杂或高精度零件。
- 如果您的主要重点是提高可加工性或柔软度：使用缓慢冷却过程，例如炉内冷却（退火）或空气冷却（正火）。
最终，掌握冷却过程就是掌握金属本身的最终性能。
总结表：
| 冷却方法 | 冷却速率 | 主要结果 | 理想用途 |
|---|---|---|---|
| 盐水/水淬 | 非常快 | 最大硬度（马氏体） | 简单碳钢 |
| 油淬 | 快 | 平衡硬度与减少变形 | 合金钢 |
| 气体淬火 | 受控 | 最小变形，清洁工艺 | 高价值、复杂零件（航空航天） |
| 空冷（正火） | 慢 | 均匀晶粒结构，消除应力 | 锻造后消除应力 |
| 炉冷（退火） | 非常慢 | 最大柔软度和延展性 | 提高可加工性 |
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