哪些类型的钢可以淬火？硬化钢实现最佳性能的指南

简而言之，可以通过淬火成功硬化的钢材是那些具有足够碳含量的钢材。这包括大多数中碳钢、高碳钢、合金钢、工具钢和特定等级的不锈钢。硬化能力不是由钢的名称决定的，而是由其化学成分决定的，化学成分决定了它对快速冷却的反应方式。

决定钢材是否可以淬火的关键因素是其碳含量。虽然合金元素决定了你必须以多快的速度进行淬火（即“淬透性”），但钢材必须含有足够的碳——通常高于 0.30%——才能在冷却时形成坚硬、脆性的称为马氏体的微观结构。

淬火的基本要求：碳

淬火是一种热处理工艺，旨在锁定特定的原子结构。该过程的成功几乎完全取决于一种元素：碳。

当钢材加热到高温（称为奥氏体化）时，铁原子会重新排列成称为奥氏体的结构。这种结构具有溶解大量碳原子在其晶格内的独特能力。

如果这种奥氏体快速冷却（淬火），碳原子就会被困住。铁晶格被迫转变为高度拉伸、坚硬且易碎的结构，称为马氏体。这种转变是钢材硬化的基础。

如果没有足够的溶解碳，马氏体转变就无法有效发生。无论冷却速度有多快，低碳钢只会形成更软、更具延展性的结构。

一个通用法则是，钢材需要至少 0.30% 至 0.35% 的碳才能通过淬火实现显著硬化。

基于碳的原理，我们可以确定几类常规进行淬火的主要钢材家族。

这些是最直接的例子。中碳钢（例如 AISI 1045）和高碳钢（例如 AISI 1095）含有充足的碳来形成坚硬的马氏体，使其成为工具、弹簧和耐磨部件的理想选择。

合金钢，如铬钼钢（例如 4140）或轴承钢（例如 52100），含有碳以及铬、镍或锰等其他元素。这些合金元素不会增加最大硬度，但会关键性地减慢所需的冷却速度。

此类包括高速钢 (HSS)、模具钢和其他复杂合金。它们的高合金含量赋予它们极高的淬透性，允许它们通过更慢的淬火（例如在油中甚至静止空气中）进行硬化，从而降低开裂和变形的风险。

虽然许多不锈钢（如常见的 304 牌号）是奥氏体且无法通过淬火硬化，但特定系列可以。马氏体不锈钢（例如 410、420 和 440C）的配方中含有足够的碳以响应热处理，将耐腐蚀性与高强度和硬度相结合。

区分最大硬度和淬透性至关重要。它们不是一回事，理解它们的区别是过程控制的关键。

钢材的最大可达硬度几乎完全取决于其碳含量。一根 1095 碳素钢和一根具有相同碳含量的复杂 HSS 工具钢将达到大致相同的峰值硬度。

淬透性是指钢材在特定深度上硬化的能力。合金元素会减慢从奥氏体到其他结构的转变速度，让你有更多时间在形成较软结构之前冷却部件。

低淬透性钢（如 1045）必须极其快速地淬火，这意味着在厚部件上只有薄薄的外“表层”才能完全硬化。高淬透性钢（如 4140 或风硬化工具钢）可以更慢地冷却，允许厚部件的整个横截面达到完全硬度。

最常见的例子是低碳钢（例如 AISI 1018、A36）。由于碳含量通常低于 0.20%，无论淬火速度多快，它们都缺乏形成大量马氏体所需的原材料。

选择正确的钢材和淬火方法完全取决于所需的结果、部件的几何形状和可接受的风险水平。

最终，成功的硬化是通过使钢材的成分与兼容的冷却速率相匹配来形成马氏体。

钢材类别	典型碳含量	关键特性	常见应用
中/高碳钢（例如 1045, 1095）	0.30% - 1.00%	高硬度，需要快速淬火（水/盐水）	工具、弹簧、耐磨部件
合金钢（例如 4140, 4340）	0.30% - 0.50%	良好的淬透性，油淬，均匀硬化	齿轮、轴、结构部件
工具钢（例如 A2, D2, HSS）	0.50% - 2.00%	极高的淬透性，风冷/油淬，耐磨	切削工具、模具、夹具
马氏体不锈钢（例如 410, 440C）	0.15% - 1.20%	结合了硬度和耐腐蚀性	刀具、阀门、手术器械
低碳钢（例如 1018, A36）	<0.30%	无法通过淬火有效硬化	结构部件、机械框架