鋼是地球上必不可少的標誌性金屬之一。通過鐵和碳的組合，可產生一種結實耐用、功能多樣、使用廣泛的合金……
從建築物、基礎設施、水上船隻、汽車、機械設備、電器用品到簡單的餐具如叉子和勺子，鋼的應用幾乎無處不在。這歸因於鋼的諸多理想特性，其中之一就是硬度，即材料抵抗壓痕、衝擊或磨損引起變形的能力。然而，對於某些特定的工程應用，如承重結構和發動機部件，鋼的天然硬度並非總能符合需求。因此，人們開發了多種方法來顯著提高鋼的硬度及其他特性，這些方法被稱為鋼淬火。
鋼淬火通常是在成品而非原材料上進行。在CNC加工中，鋼淬火是對已加工部件進行的一種後續處理。這麼做有以下幾個原因，首先，淬火整塊鋼材不經濟，因為在加工過程中會去除大部分材料。此外，淬火後的鋼材更難加工，因為工件的硬度使得工具的穿透變得更加困難。
鋼的內部結構及其硬度
我們所見的鋼材並非都有相同的成分。確切地說，不同的用途需要不同的鋼材成分。鋼材的差異歸結於其內部結構。隨著對更高強度承重金屬需求的增加，鋼淬火變得必不可少。基本形式的鋼材強度和硬度相對較低。然而，通過改變其內部結構，可以顯著提高其強度和硬度。鋼淬火是指通過一系列工藝過程，促使特定內部結構形成。鋼的內部結構包括：
馬氏體
這是鋼硬度更高的內部晶體結構形式。奧氏體鐵的快速冷卻形成馬氏體。由於其快速冷卻速率，碳被固溶在固體中導致零件變硬。它非常硬且脆。馬氏體具有針狀錐形的微觀結構，看起來像透鏡狀板塊或片狀，這些板塊將母相的晶粒分割並細分，始終接觸但永不交叉。這種結構存在於許多合金系統中，包括Fe-C、Fe-Ni-C等。
奧氏體
奧氏體是繼馬氏體之後第二硬的鋼內部結構。它指的是鐵合金中的γ-鐵。通常在1500 ºC以下和723 ºC以上出現。
珠光體
珠光體與馬氏體不同，因為珠光體結構是通過緩慢冷卻形成的。它是鐵素體和滲碳體的層狀排列。在723 ºC時，γ-鐵從其面心立方結構轉變為α-鐵，迫使鐵碳化物（滲碳體）從溶液中析出。
鋼淬火方法
鋼淬火有多種方法可供選擇，包括熱處理、機械處理、化學處理，或它們當中兩種或多種的組合。熱處理通常是更常見的鋼淬火方法，通常包括三個主要階段：加熱鋼材、保持特定溫度和冷卻。通常涉及將金屬加熱到足夠高的溫度，以引發內部結構的變化，從而使金屬更易於加工，例如改變其形狀。鋼淬火的各種方法包括：
冷加工
冷加工通常會改變鋼材或金屬的性質。這種鋼材淬火方法是在金屬的熔點以下溫度進行金屬的變形。屈服強度、抗拉強度和硬度等性能會增加，而塑性和材料的變形能力則會減少。在塑性變形過程中，位錯的積累和纏結是一種重要的強化機制。雖然冷加工過程中約90%的能量會以熱的形式散失，但剩餘的能量存儲在晶格中，從而增加了其內部能量。
固溶合金淬火
固溶強化是將合金元素添加到基礎金屬中以形成固溶體的過程。在固化過程中，由於合金原子存在於基礎金屬的晶格中，金屬會硬化。溶質原子與溶劑原子之間的大小差異影響固溶化的效果。如果溶質原子大於溶劑原子，則會產生壓縮應變場。另一方面，如果溶劑原子大於溶質原子，則會產生拉伸應變場。晶格變形成四方結構的溶質原子會導致快速硬化。鋼中的滲碳體就是一個明顯的例子。
淬火和回火
在淬火過程中，也稱為馬氏體轉變，鋼材被加熱到超過臨界溫度，進入奧氏體區域，並保持在該溫度下一段時間，然後迅速冷卻，通常是用水、油或熔融鹽進行淬火。對於亞共析鋼而言，加熱溫度通常高於奧氏體溶解線的極限溫度30-50 ºC。對於過共析鋼，加熱溫度則高於共析溫度。淬火過程引起馬氏體轉變，顯著提高鋼的硬度。然而，經淬火處理的鋼材也會變得非常脆。因此，必須進行回火以緩解內部應力並降低脆性。在淬火中，若冷卻速度足夠快以確保完全形成馬氏體，則可達到更大硬度。
表面（外殼）淬火
顧名思義，表面淬火創造了一個硬的表面，以抵抗在曲軸、軸承等應用中的磨損。這種鋼淬火的方法通常涉及以下三種途徑之一：
感應和火焰淬火
感應和火焰淬火是一種表面差異熱處理方法。在這種方法中，表面迅速加熱，以防止材料的中心受到影響。隨後，材料經歷更迅速的淬火過程，從而在表面形成高含量的馬氏體結構。
擴散淬火（氮化處理）
這是一種表面區域的成本改變方法。通過讓選定的氣體與鋼反應並擴散進入鋼中，細小顆粒被分散在表面。在此過程中，鋼經過熱處理以形成回火馬氏體結構，然後在約550 ºC的氨環境中暴露12-36小時。小合金元素如鋁或鉻有助於形成細小的氮化物分散相，顯著提高表面硬度和耐磨性。與馬氏體相比，這種氮化物的組成在硬度方面表現出更顯著的優勢。
滲碳
滲碳處理是一種工藝，將鋼置於高溫且富含碳的環境中。這種碳環境可以由優質煤或解離的天然氣產生。碳原子會擴散到金屬的亞表面，形成高碳層，隨後經過淬火處理，形成硬度高、耐磨的馬氏體表面。
鋼硬度測試
硬度沒有一個特定的測量單位，而是通過指數來描述。這些指數的具體使用取決於所採用的測試方法。一些常見的硬度測試方法包括：
布氏硬度測試
在這個測試中，將一個已知直徑的鋼球作為載荷施加在材料表面上。然後使用下表中的公式計算布氏硬度數值（BHN）。測量所形成印痕的直徑，結合鋼球的直徑，即可計算出BHN。
維氏硬度測試
在維氏硬度測試中，採用一個方形基底的金剛石錐體作為載荷。這個載荷施加在材料表面大約30秒
。計算金字塔印痕的面積後用於計算金屬的硬度。
努氏顯微硬度測試
這種硬度測試專門用於薄片或脆性材料。使用金剛石錐壓頭在材料上製造一個非常小的凹痕，然後使用顯微鏡觀察和測量這個凹痕，用於計算材料的硬度。
洛氏硬度測試
洛氏硬度測試旨在測量鋼材在熱處理前後的硬度差異。穿透器可以是鋼球或金剛石錐穿透器。通過確定穿透深度來測量硬度。通常施加兩個載荷：一個小載荷造成初始印痕，一個大載荷造成主要穿透。
| 測試 | 壓頭 |
| 布氏 | 10毫米的鋼球或鎢碳合金球 |
| 維氏 | 金剛石錐體 |
| 努氏 | 金剛石錐體 |
| 洛氏 | 金剛石圓錐體 |
可以淬火的鋼種類
美國鋼鐵協會（AISI）將鋼鐵分為四大主要類別：
1.碳鋼
2.合金鋼
3.不鏽鋼
4.工具鋼
鋼的基本元素是鐵和碳。然而，不同量的碳及其他合金元素的變化決定了每個分類的性質。鋼中的碳含量決定其淬火性能和更大可達到的硬度。特別是在淬火過程中，碳能促進馬氏體的形成，這一點尤為顯著。
碳鋼 (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)
碳鋼是鐵的合金，含有高達2%的碳。通常還含有微量的合金元素，以增強特定的性能。根據含碳量的不同，碳鋼可以進一步分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。
低碳鋼
也稱為軟鋼，其含碳量為0.08 – 0.35%。由於其碳含量較低，低碳鋼不能通過淬火進行鋼淬火，但它們可以通過表面淬火進行硬化。
中碳鋼
這種鋼含有0.35% – 0.5%的碳。它們比低碳鋼更強，但加工難度更大。中碳鋼可以通過淬火快速硬化。當與微量的錳合金化時，其淬火性能會增強。中碳鋼也會進行表面淬火處理，用於以耐磨性為關鍵核心的應用，例如曲軸。
高碳鋼
高碳鋼含有超過0.5%的碳。由於碳含量高，這類鋼具有很強的淬火性能。通常通過淬火強化硬度。但這也使它們變得相當脆，因此需要回火處理。
合金鋼 (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)
除了碳含量外，化學成分是影響鋼淬火性能的另一個因素。合金鋼含有不同量的銅、鎳、錳、硼和釩等元素。這些鋼材通過淬火可以顯著提高硬化能力。這是因為合金元素延遲了奧氏體的分解，從而使合金鋼更容易形成馬氏體。固溶淬火也是一種有效且常見的合金鋼硬化方法。
不鏽鋼 (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)
不鏽鋼是含有10%到20%的鉻作為主要合金元素的鋼材。它們對腐蝕和侵蝕具有很高的抵抗能力。根據它們的結構和成分，不鏽鋼可以分為以下幾類：
奧氏體鋼
奧氏體鋼通常含有鐵、18%的鉻、8%的鎳和少於0.8%的碳。它們是廣泛使用的不鏽鋼類型。奧氏體不鏽鋼不具有磁性，也不可熱處理。但它們可以通過冷加工很容易地進行硬化。
鐵素體鋼
這些鋼材通常含有少於0.1%的碳，12-17%的鉻，以及微量的鎳。鐵素體不鏽鋼具有磁性，但不能通過熱處理硬化。冷加工是硬化它們的有效方法。
馬氏體鋼
由於其內部結構，馬氏體不鏽鋼非常堅硬。這些鋼材除了含有12-17%的鉻外，還含有高達1.2%的碳。由於其相對較高的碳含量，馬氏體不鏽鋼可以通過熱處理輕鬆進行硬化。
雙相鋼
雙相鋼具有鐵素體和奧氏體的雙重微結構。這類鋼材可以通過熱處理或表面淬火進行硬化。
析出硬化
析出硬化不鏽鋼是含有鉻、鎳和其他合金元素（如銅、鋁和鈦）的不鏽鋼。這些合金元素使不鏽鋼可以通過溶解和時效熱處理進行硬化。它們可能是奧氏體或馬氏體。
工具鋼 (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)
顧名思義，工具鋼通常用於製造切削和鑽削工具等工具。它們通常含有鎢、鈷、釩和鉬等元素。這些工具可以通過冷加工硬化，也可以通過淬火等熱處理方法進行硬化。
不同類型的鋼及其適合的淬火方法如下：
| 鋼的類型 | 淬火或时效 | 表面淬火 | 固溶淬火 | 冷加工 |
| 低碳鋼 | ✔ | |||
| 中碳鋼 | ✔ | ✔ | ||
| 高碳鋼 | ✔ | |||
| 奧氏體鋼 | ✔ | |||
| 鐵素體鋼 | ✔ | |||
| 馬氏體鋼 | ✔ | |||
| 雙相鋼 | ✔ | ✔ | ||
| 析出硬化鋼 | ✔ | |||
| 合金鋼 | ✔ | ✔ | ||
| 工具鋼 | ✔ | ✔ |