金屬與合金

淬火(quenching)

鐵匠把刀刃燒到橘紅發亮,再嘶一聲插進一桶油或水裡。那突然的一浸就是淬火:把熱鋼冷卻得極快,使它來不及安定成柔軟舒適的組織,反而被凍結成又硬又帶應變的組織。淬火正是讓鋼變硬的方法。

用白話說明機制。加熱到臨界溫度以上時,鋼變成沃斯田鐵,把碳溶在面心立方晶格中。若緩慢冷卻,碳有時間移出並形成柔軟的波來鐵。但若冷得夠快,碳就被困住:鐵瞬間卡進一種扭曲的體心結構、碳硬塞在其中,稱為麻田散鐵,非常硬、也非常脆。淬火介質決定速度:鹽水與清水抽熱最快(最硬,但有開裂風險)、油較溫和、靜止空氣最慢。愈快愈硬,但也代表更大的熱震、變形與淬裂風險。

淬火幾乎從不單獨進行,因為剛淬火的麻田散鐵脆到可能自行開裂。它幾乎總是接著回火,溫和地再加熱,以一點硬度換取急需的韌性。要記住的畫面是:先淬火再回火,就是把鋼震到硬如玻璃,再放鬆到剛好不至於像玻璃般易碎。而關鍵在於,一次淬火是硬化整個斷面還是只硬化表層,取決於鋼的硬化能,而不只是那桶水有多冷。

把 0.4% 碳鋼從約 850 degrees C 淬入水中,表面可在數秒內躍升到洛氏 C 硬度 55 以上;同樣改用油淬則稍軟,卻遠比較不易開裂或翹曲。

冷卻愈快代表愈硬但風險愈高。硬度與變形風險皆為:鹽水、清水、油、空氣依序遞減。

只有當鋼具備足夠的硬化能,淬火才會深層硬化;厚的碳鋼棒即使水淬,心部仍然是軟的。而且切勿直接使用剛淬火的鋼,未回火的麻田散鐵脆得危險。

又称
淬火淬冷