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球化退火是合金工具钢常用的一种热处理工艺。珠光体球化后可以降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，更好的为淬火做组织准备[6-8]。球化退火的关键在于加热奥氏体中要保留大量的未溶碳化物。为此，球化退火加热温度一般在Ac1以上20℃～30℃左右不高的温度下，保温时间也不能太长，并且冷却方式采用随炉冷却。目前生产上采用比较多的是等温球化退火工艺，等温退火的好处在于可以使钢在比较短的时间内形成均匀的组织，这样形成的组织要比平衡条件下更细些，球状碳化物颗粒更小分布更均匀，从而使工具综合性能更好[7-9]。
正火的目的主要是消除热加工造成的组织粗大或者不均匀，减小奥氏体晶粒尺寸。正火一般是将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温一定时间后空冷到室温得到珠光体类组织。正火不仅可以作为预备热处理，还可以直接作为最终热处理，为某些受力小、性能要求不高的碳素结构钢零件提供合适的力学性能。
1.3.3 淬火与回火
淬火与回火是高碳钢进行热处理非常重要的工序[3-4]。通过淬火可以将珠光体转变为马氏体，可以显著的提高钢的硬度和强度。但是淬火后钢中会存在残余应力，这样很容易造成钢的开裂和裂纹，对钢的性能有很大的影响。而且钢淬火后硬度强度虽然显著增高，但是塑性较差，不利于工件的加工处理，因此在淬火工艺后一般要紧接着不同的回火处理。只有确定了合理的淬火、回火工艺，工件才能得到理想的组织，拥有良好的性能。
高碳钢的淬火是将钢加热到临界点Ac1或Accm以上一定温度，保温一定时间后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺叫做淬火[4]。淬火的目的在于使工件整个截面获得尽可能高的硬度，也就是获得马氏体组织，增加钢的硬度强度，再配合相应的回火处理，获得各种需要的性能。
为了实现淬火的目的，钢在加热到临界温度以上保温一定时间后，必须以极大的冷却速度冷却到Ms点温度以下，使奥氏体来不及扩散转变，而直接发生非扩散的马氏体转变。对于淬火过程而言，什么样的奥氏体化温度，多久的保温时间，采用什么样的冷却介质，这些都是获得良好马氏体组织的重要因素。
奥氏体化的温度、时间和淬火前奥氏体化的条件不仅取决于钢的成分，而且还与淬火的目的有关。一般情况，淬火加热温度的选择是以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则的，这样在淬火处理后可以获得细小的马氏体组织。从一些实践中的数据来看，高碳钢的淬火温度一般取Ac1+（30～70）℃[2,3]。过共析钢的加热温度的选择是为了得到细小的奥氏体晶粒和保留少量渗碳体颗粒，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布其上的粒状碳化物，从而使钢具有更高的强度、硬度和耐磨性，同时也有较好的韧性。对于合金工具钢，特别是高合金工具钢，淬火前的加热温度都远高于Ac1，而接近Acm点，这是因为合金碳化物很难溶于奥氏体中，为保证奥氏体具有尽可能高的合金浓度，加热温度必须要高。
钢从奥氏体状态冷却至Ms点以下所用的冷却介质叫淬火介质。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界冷却速度，则工件越容易淬硬，淬硬层越深。但是冷却速度过大将会产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。因此，理想的淬火介质应该是在600℃以上缓冷，其后快冷，这样可以避免淬火热应力。常用的淬火介质有水、盐水、碱水以及各种矿物油等。淬火的方法有很多种，常用的有单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法以及等温淬火法等。在淬火处理中还会提到一个“淬透性”的概念，淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。一般是以淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。通常用末端淬火法来测定钢的淬透性。采用末端淬火法来测定淬透性，首先要采用Φ25mm×100mm的标准试样，试验时将试样加热至规定温度奥氏体化后，迅速放入实验装置中喷水冷却。显然，试样喷水末端冷却速度最大，随着距末端距离的增加，冷却速度原来越小。当采用统一的冷却条件，试样经处理可以获得硬度与末端距离的关系曲线，这就是钢的淬透性曲线。钢的淬透性在生产中有重要的实际意义，工件在整体淬火条件下，从表面到中心是否淬透，对其力学性能有重要影响。在拉压、弯曲或者剪切载荷下工作的零件，如各类齿轮、轴类零件，希望整个截面都能淬透，从而保证这些零件在整个截面上获得均匀的力学性能。