各种合金元素对钢性能的影响共18种元素Word文档下载推荐.docx

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电热合金：

Al=3.5～6.5%（Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等）

甚至Al=8%Cr7Al7：

考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使用。

2、Si

（1）一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%，更多时（4.8～6.5%）将使钢具有很高的脆性。

Si的有益作用：

高的热强性和弹性极限，高的导磁率，涡流损失少。

①象Al、Cr一样，其氧化物均是尖晶石类型的组织。

其晶格常数与α-Fe、γ-Fe区别小。

因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起，氧化皮紧密地被贴在金属上，甚至在高温下也不剥落。

所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能，而被加入耐热钢。

②有利于提高钢的弹性极限，在中碳钢中加入1～2%的Si，调质中σb将增15～20%，而Aku也提高了，还提高了σs和δ。

③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。

此钢可制轴承，甚至作为工具钢代替，制冲头，拉模、弯曲模等。

④脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，故一般钢中均含Si，其量≤0.5%。

⑤硅可减小晶体的各向异性，使磁化容易，使磁阻减小，它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害（使%C石墨化，脱氧，与N形成氢化硅等）。

所以可大大减少涡流损失。

由于硅的脆性，目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%，最多只为4.8%，正在研究提高至6.5%。

⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度。

（在较高温度即400～500℃则作用并不显著）Si是铁素体形成元素，多加Si会使A-α转化。

（2）Si的不良影响

①促使石墨化，促进脱碳（它是阻止碳化物形成的一种元素），含Si钢一般不作渗碳。

②促进回火脆性的发展，使塑性降低。

Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。

当Si=1～1.5%时作用尚良好。

Si=2.5～3%时则影响不良，含Si=2～2.5%，则难以锻造。

当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当Si=2.5～3.5%时，对回火脆性和敏感性就高。

用这种钢必须采取韧性处理（回火后在水中浸渍，锻时用少韧处理），而当Si＞3.5％时，甚至持用韧性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。

（不过，Mo的加入可使其脆性稍许改善），SI=4%时，室温下即可能脆裂。

③对碳素工具钢，Si含量上升时，将降低其淬透性等级。

一般结构钢中均不宜加Si，对于高速钢，不大于0.4%。

④由于硅的存在，使钢中增碳困难，并使渗碳速度降低，所以此类钢多不作渗碳处理。

⑤硅锰结合，Mn可下降，因为Si引起的脱碳，Si有微弱的抑制晶粒长大的作用，可稍下降，Mn引起的调质粗晶，有相互改善作用，但易生白点，应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。

⑥硅在钢中还常以Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物而存在，均会降低钢的各种性能，塑性比硫化物低。

这类夹杂物透光度很高，而反光度则低，故显微镜下常呈灰黑色。

（3）一般合金钢中Si含量：

一般碳钢：

Si＜0.5%

Si=0.9～1.6%（27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA等）

弹簧钢：

Si=1.5～2%（55Si2Mn、60Cr2Mn等）

轴承钢：

Si=0.4～0.7%（GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn等）

工具钢：

Si=0.65～1.8%（SiMn、9SiCr、5SiMnMoV、6SiMoV等）

耐热钢：

Si=1～4.3%（Cr17Al4Si、Cr20Si3、4Cr9Si2、4Cr3Si4等）

电机硅钢片：

Si=0.8～1.8%、1.8～2.8%、2.8～3.8%、3.8～4.8%为低、中、较高、高级硅钢片

3、Mn

（1）锰的有益作用是高的强度和耐磨性）,淬透、渗碳、冷工硬化。

14%（高耐磨钢），17～19%（护环钢）

①作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含Mn，其量≤0.7%。

②Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。

③Mn对各类钢的作用是：

珠光体Mn钢：

可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。

所以它能细化珠光体组织。

（对含碳量较高的钢，Mn↑，塑性稍有降低。

对低碳钢则含Mn↑，而韧性↑。

奥氏体Mn钢：

有足够高的塑性和很高的耐磨性。

所以Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体。

降低淬火时的临界冷却速度。

降低钢的临界点（A1和A3）同碳量碳素钢低25～30℃，所以可提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，因此适于制大截面和复杂的零件。

Mn=5%时，Mn降至0℃。

马氏体Mn钢：

易使之发脆、淬裂。

Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强。

所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中，加之其临界点又低，所以晶粒极易粗化、极易淬裂，为此应严格控制淬火加热温度和保温时间，一般均以油淬或流动空气中冷却为宜，只有形状简单件才好用水淬。

调质钢：

将降低其塑性（回火脆性影响）。

渗碳钢：

Mn的存在能促进渗碳作用，所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性，尤其可贵的是在渗碳时表面软点较少，也不改变过分增碳的倾向。

（渗碳后的锰钢，在最后淬火前，应进行一次正火或退火处理，以消除因长时间渗碳造成的心部过热）。

结构钢：

将促使其回火脆性增强。

加入约1%Mn，可减少淬火时的体积变形，这对于精密工具和长形工具来说有重要的意义。

（如CrMn、CrWMn钢等）。

④Mn可改善钢的焊接性和低温性能，还可减慢钢的脱碳作用。

⑤Mn量中还可适当改善钢的切削性能。

⑥对某些钢，Mn的作用可代Ni，能扩大γ相区得奥氏体，如模具钢（增强淬透性）、奥氏体钢等。

⑦高锰钢对冷工硬化敏感，可提高钢的强度和耐磨性。

（Mn=10～14%，而C=1～1.4%）

⑧铬锰奥氏体钢的热强性很好，甚至可超过Cr、Ni钢，加4%Cr、Ni红热耐磨性更好。

Mn价廉。

（2）锰的不良影响是：

①增加钢的过热敏感性（粗晶）：

这是由于含Mn渗碳体的稳定性不强，在加热过程中很容易完全溶于奥氏体中。

加之，Mn钢的临界点亦较低，所以就易粗晶了。

为此锻造和热处理加热都要严格控制加热温度和保温时间。

所有合金元素中，Mn是不能减低奥氏体晶粒长大倾向的元素，相反引起粗晶。

②增强钢对白点的敏感性，故要缓冷。

（含C＞0.3%时影响即较大）

③增强回火脆性，且易形成带状和纤维组织。

故纵、横向性能差较大（Mn＞2.4%延伸率↓↓）

④高锰钢熔点低（Mn13～14%，T熔1350～1400℃）平均线膨胀系数大（相当于钢类矽钢的1.9倍），导热系数小（约为同类矽钢的1/3～1/4），热加工稍难。

⑤高锰钢在冷速不够时，易生成块状碳化物沿晶界析出，使钢变脆，采用水淬速冷时，可使碳化物来不及析出，得到均匀奥氏体组织，性能改善。

但因为含Mn量高，导热性差，速冷则温差应力大而易淬裂，所以淬火次数不宜多。

（3）含Mn钢的分类

①碳钢：

a、正常含Mn量碳钢

Mn=0.25～0.8%

B、较高含Mn量碳钢

Mn=0.7～1.0%

及0.9～1.2%

②锰钢：

Mn=1.1～1.8%

少数～2.4%

③高锰钢：

Mn=13～14%

（C=1.0～1.3%）

注：

Mn＜1.2%为炼钢脱氧及稍许改变钢性能，作一般矽钢。

Mn=1.1～1.8%或2.4%为具高塑性、耐磨性，强度而被采用。

Mn=2.4～13%为粗晶极脆而不可用。

Mn=13～14%为冷工硬化而成为高耐磨钢。

4、Ni

（1）镍的有益作用是：

高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。

①一方面既强烈提高钢的强度，另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。

其变脆温度则极低。

（当镍＜0.3%时，其变脆温度即达-100℃以下，当Ni量增高时，约4～5%，其变脆温度竞可降至-180℃。

所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。

含Ni=3.5%，无Cr钢可空淬，含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。

②Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体。

这就有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。

一般大断面的厚重伯都用加Ni钢。

当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候，淬透性尤可增高。

镍钼钢还具有很高的疲劳极限。

（Ni钢有良好的耐热疲劳性，工作在冷热反复。

σ、αk高）

③在不锈钢中用Ni，是为了使钢具有均匀的A体组织，以改善耐蚀性。

④有Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。

⑤含Ni量相当高的钢，其热膨胀系数很小而用作不变钢（Ni36%）和代用白金（Ni42%）。

⑥含Ni更高时，与Cr结合作高电阻合金（Cr15Ni60、Cr20Ni80）。

⑦Ni和V一样，对脱碳过程没有影响。

Ni本身不是有效的抗氧化学元素，所以很少单独用作不锈钢的合金元素，但对浓苛性碱有好的作用。

⑨Ni可提高A体钢的蠕变抗力，但还一定值作用则减弱，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。

⑩Cr、Ni钢的焊接性能和低温性能也不错。

（2）Ni的不良作用：

①Ni不能提高铁素体的蠕变抗力，相反会使珠光体M体钢热脆性增大。

所以珠光体、马氏体钢不加镍。

②含硫气氛中的Ni钢耐蚀性也不及无Ni钢，因硫化镍会引起钢的赤热脆性。

③铬镍钢容易感受回火脆性和易形成白点（前者可在回火后采用速冷防止，后者应采用正确的熔炼规范和锻造、冷却规范防止。

）

④对高速钢，因为它降低了它的硬度而被视为有害杂质，当Ni≈2%时或更高时，由于其抗600～660℃回火稳定性降低而热硬性变坏（使A体稳定不分解），所以硬度降低。

⑤同样，因为Ni降低钢之淬火层的硬度，在轴承钢中也不希望有它，Ni不大于0.30%，且Ni+Cu不大于0.50%（Cu不大于0.25%）。

⑥Ni虽可提高电阻，促使矽石墨化，但会降低磁感和最大磁导率。

所以硅钢片也不希望有Ni。

⑦Ni在我国早，价钱高。

⑧Ni钢氧化容易起鳞，所镍钢的氧化铁皮粘在钢表面上不易脱落。

（3）一般合金钢中的Ni含量：

含C=0.15～0.25%

Ni=1～4.5%

含C=0.35～0.55%

Ni=1～1.75%

不锈钢：

含Ni≤2%M体不锈钢，含Ni=8～18%A体不锈钢。

含Ni=2～8%M-P体类不锈钢。

含Ni达9～36%，属A体钢。

磁钢：

含Ni＜25%的（Ni25、Ni9Mn9等）为弱磁性钢，用930～1000℃淬火能很好不被磁化，可用于制机器，仪表等不应被磁化零件（电机环、指南针盒、电阻等）。

含Ni=25～30%的是陈化磁性钢，它具有非常高的磁性，当残余磁感应为5000～7500高斯时，矫顽磁力可达500～700奥斯特甚至1000，但它具有高的脆性（和硬度），所以多做铸造磁铁。

含Ni=35～37%的是恒范合金（不变合金）

Ni=42～44%的是类铂合金。

含Ni=50～80%的是高导磁率的合金，（但要很纯，才能发挥作用）

5、Cr

（1）铬的有益作用：

具有许多有价值的性能：

高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大，高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻和导磁率等等。

1）Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。

由于它能使组织细化而又均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。

2）Cr的碳化物也较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，长时间渗碳还会粗晶。

所以可减小过热敏感效应。

3）Cr可使A体分解速度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于M体形成和提高M体的稳定性，所以Cr钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。

注意：

Cr是铁素体形成元素，缩小γ区，所以在没A体化元素存在时，高Cr钢将呈铁素体组织。

4）Cr与W或Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。

5）Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。

如12CrNi3N等。

6）Cr≥12%时，有好的耐蚀性，再加8～9%的Ni，耐蚀性更会大大提高。

Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低，因为Cr与C结合后不起作用。

7）Cr≥25～30%时,有好抗氧化性。

如Cr=27～28%即可作1300℃的热电偶温度计的防护罩，当Cr与Si、Al结合时，甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。

如Cr6～10%+Si2～3%就有高的耐热性和抗氧性。

8）Cr、Al结合（1Cr17AL5、Cr13AL4等）及Cr、Ni结合（如Cr15Ni60、Cr20Ni80等）均有很高的电阻。

9）Cr能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效，所以Cr钢用于制造永久磁铁。

10）Cr价较低。

11）因为Cr可形成稳定的碳化物，减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜，所以可降低脱碳作用。

12）含Cr＞2.5%的多元素合金钢。

（18Cr3MoWVA、20Cr3MoWVA等）是良好的抗氢蚀钢。

含Cr＜0.08%这是石墨钢的要求，所以Cr是阻止石墨化的一种元素。

含Cr≯1.2%

低合金高强度钢（一般Mn钢和SiMn钢）

含Cr=0.5～1.65%作轴承钢（C≈1%）——其合金含量低，价廉，而又具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性，且热处理也简便。

含Cr=3～10%的钢——Cr对钢强度和韧性的影响是

Cr＜2%时逐渐增强到2%时，强化作用最为显著。

但超过此限则会损害其热强性。

3～10%时最为明显，

当含Cr＞12%时，则强度又复升高。

但是当含Cr量增至3%时，由于其马氏体回火稳定性显著增高。

所以有较高的硬度和耐磨性而用于模具。

当含Cr量增至3%时，其与含C1%的磁性配合也最好。

所以又用作磁钢。

含Cr4%而与18%W及1%V结合可得到很好的红硬性（620℃HRC=60），所以广泛用于高速工具钢中，含Cr5%的钢（含C1%）即可空气中淬火。

含Cr5～6%及含Cr6～10%且含Si2～3%的矽铬钢，尽管强度不是很高，但亦具有足够的耐热性和抗氧化性而用于气阀中及石油、化学工业（氨合成设备等）。

含Cr=12～14%的钢是最典型的不锈钢（1Cr13～4Cr13）它们都有较高的抗蚀力，强度也不错，面Cr12、Cr12Mo等则是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。

（此类多属马氏体钢）

含Cr=16～18%的钢有的只具单相（铁素体），有的双相（M体—铁素体），此类具单相的Cr钢耐蚀力比含Cr=12～14%的钢还高。

如Cr17、9Cr18等，如再加8～9%的Ni其耐蚀力又将大大增高。

如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等都是典型的不锈钢、耐酸性较好，CrNi钢的缺点是有晶间腐蚀，加Ti、Nb可改善。

含Cr=23～32%的钢具有很好的抗蚀稳定性，极高的抗氧化性，甚至在普通温度下能抵抗浓硝酸、浓磷酸、浓硫酸的浸蚀。

含Cr27～28%的钢可作1300℃的热电偶温度计的防护罩。

这类钢是纯铁素体钢，所以不能通过热处理改变其组织及性能。

且再结晶温度较低，粗晶作用较强，有高的脆性，所以不能作受振及打击零件。

加入Mo、W、V可适当改变性能。

减少Cr含量，加Si量可提高其热强度如Cr9Si2、Cr10Si2Mo等。

加Ni也成，如Cr20Ni14Si、Cr25Ni20、Cr18Ni25Si、Cr14Mn14W、Cr18Ni6Mn5等等。

Cr不同于Mn、Ni，它是缩小γ区的合金元素。

（它同α-Fe都具有体心立方晶格,且自熔点1849℃至绝对0º

K,纯铬均为这一晶格不变）,所以随含Cr量增加Ac3虽也从910℃开始降低,但其速很慢,而Ac4却从1400℃迅速降低,至含铬达8%时Ac3为850℃已为最低。

含Cr再增加，Ac3即迅速上升。

当含Cr量达13%时，Ac3与Ac4会合为一点，γ区被封闭，所以含Cr＞13%时变为纯铁素体相，不再发生转变，用热处理也不能再改变其晶粒尺寸。

——即为铁素体钢。

当Cr量继续增加，约在25～60%特别是45～48%区域，当温度低于950℃时（多在820℃）慢冷，将会析出一种无磁性脆性组分——σ相。

这些在进行二次加热后将会游离析出，致使得在固溶体中产生巨大体积改变造成颇大应力，故极脆。

但在950℃以下急冷时，σ相可由于固溶体内不析出，影响则较小。

δ相问题：

有人指出，当Cr和C含量搭配时，特别在含左右时，将极易生成游离态的铁素体即δ相，它将使钢的工艺性能和耐热性降低，所以要很好注意在含Cr=0.11%时，含Cr=10.9%可使δ相量减至最少。

Cr对抗腐性的改善上很有利的，但对抗蠕变的影响则较复杂。

因为作耐热钢应注意，当含Cr=1%抗蠕变强度最高。

含Cr↑则出现，Cr＞C3三方晶格，至Cr=7%抗蠕强降至最低点，当含Cr增至12%时，Cr23C6将取代Cr7C3，抗蠕强（耐热性）可有少许提高，添加V、Nb、Ti可得极细弥散相，对抗蠕强（耐热性）改善极为有利。

6、W

（1）W的良好作用是：

1）细化晶粒，（其作用比Cr还强，所以可降低钢的过热倾向性，提高强度、韧性和热稳定性。

2）提高M体稳定性，大大提高淬透性，18CrNiWN任何冷却速度都能完全淬透，得M体，用W18%与Cr4%配合，M体稳定性可达600℃，保持红硬性。

3）阻止回火脆性发展，所以可提高强度同时不降低塑性，提高韧性。

4）提高淬火钢的矫顽磁力，阻止钢的组织时效。

5）其碳化物极其稳定，高温也难溶进固溶体，所以可作高速工具钢。

6）W钢一般硬度、耐磨性较好，热处理变形小，不易淬裂，回火稳定性也较好。

7）W因能提高A体的稳定性，而用于阀门钢中，缩小γ区，同Cr。

8）可提高珠光体耐热钢的热强性，提高再结晶温度。

9）在高合金Cr、Ni钢中加入2～4%W便可提高钢的屈服点，疲劳强度和热稳定性，并因为形成碳化物而减小晶向腐蚀倾向（Fe3W2和Fe2W都是极稳定的化合物，高度弥散，所以可提高强度、热稳定性。

（2）W的不良影响：

1）增加脱碳（碳化物稳定）阻止石墨化。

2）W是强碳化物元素，应防止碳化物不均影响性能而成废品（可增加镦拔数及正火处理纠正）。

3）含W＞9%时硬度显著提高，而δ、ψ显著降低。

4）W使钢导热率降低，含W＞10%其导热率只有纯铁的0.7倍。

5）含W增加，可锻温度范围降低。

（3）一般合金钢中的W的含量：

W=0.3～1.0%（例20Cr3MoWVA、18Cr3MoWVA等）

W=0.3～3.2%（上二种为抗氢钢亦属此类，又如Cr15Ni36W3Ti等）

合金工具钢：

W=1～18%（CrWMn、W、W2、3Cr2W8V、P9、P18等）

向钢中加入多于20～22%的W，是不合适的。

所以超过此值W对钢的性能的改善并没更好的作用，所以多加是不经济的。

一般提到的降低回火脆性的方法有如下几种：

1）在钢中加入0.3～1.0%的Mo或1～1.5%的W。

2）回火时采用快速冷却，用水冷或油冷。

3）提高回火温度，此法因为使性能（强度）下降，得不到充分发挥，所以少用。

4）延长回火时间，或增加重复高温回火的次数。

5）降低淬火温度，或采用二次淬火①AC3以上正常淬火②AC1～AC3之间不完全淬火以消除回火脆性。

6）在钢中加入V（约是钼含量%+0.1%可等效），以提高钢的回火稳定性，抑制回火脆性，不过此作用甚微。

7）采用形变热处理，即加热至AC3以上进行形变（变形度15～20%最佳）后立即淬火回火，韧性提高3倍。

8）高速度（1000℃/秒）加热和冷却，最后二种方法因为生产上很难实现而未被采用。

常说的回火脆性是第二类回火脆性（即450～570℃可650～700℃出现的），而第一类回火脆性（250～400℃），所有钢都不可避免的存在，而可用重复回火即能消除，故多不再讨论。

7、Mo

（1）钼的良好作用是：

1）细化晶粒的作用比W更强，所以可降低钢的过热倾向性，提高强度、硬度、热稳定性。

2）Mo在钢中会使锻件σb、σs、HB↑，而使δ、ψ、αk↓。

提高M体回火稳定性，与Cr、Ni结合可大大提高淬透性，可细化晶粒，提高韧性，使锻造加工容易。

3）降低回火脆性，对某些结构钢可消灭回火脆性（如24CrMoV5），所以可提高强度而塑性并不降低，钼可提高钢的冲击韧性。

①又一说是合金元素（包括Mo在内）均只有抑制回火脆性的作用而不能达到消除回火脆性。

Mo的影响是：

含量达0.2%即有良好作用。

所以普通合金结构钢含Mo0.25～0.4%对放置回火脆性温度范围550～600℃长期工作的钢才规定含Mo为0.5～0.6%，当含Mo量超过一定值时（对低碳钢此限为1.0%），则反而会使高温回火水冷钢变脆。

Mo钢长时间回火易变脆。

②当含P和Mo较高时，即使有Mo或W等也仍不能避免回火脆性产生。

③附带说说降低回火脆性的方法（见上段）。

4）提高钢的的矫顽力，改善磁性。

5）其碳化物也很稳定，它并阻止其它碳化物析出。

高温也很难向固溶体转移。

6）钼可代钨（因为原子量成半关系，所以可用1%Mo代替2%W）。

7）同样Mo亦可提高奥氏体稳定性而用于阀门钢。

8）可提高Cr、Ni不锈钢的抗晶间腐蚀能力。

9）在某些还原性介质中易使耐酸不锈钢钝化，从而提高耐腐蚀能力。

（如亚硫酸、沸磷酸及醋酸、草酸、蚁酸等）。

10）可提高珠光体耐热钢的热强性，并可单一加进耐热钢，其量约0.5～1%（并独作合金元素时会使钢有石墨化倾向）。

（2）钼的不良影响：

1）有挥发性，在加热时，会生成褐色烟气（氧化钼）发生蒸发。

2）促进脱碳，所以为防止脱碳其淬火温度