淬火冷却介质及其应用技术漫谈(一)

mechen

淬火冷却介质及其应用技术漫谈(一)

【書於2013/11/23完稿  mechen】

1 前言

下面介绍的是作者多年工作的一些体会、经验和部分工作成果。首先谈谈冷却介质在淬火冷却技术领域中的地位和作用。接着，介绍淬火介质主要品种的特点、用途和根据情况和需要选择淬火介质的原则方法，以及介质的使用维护知识和经验。最后介绍分析和解决淬火变形问题的三要素和硬度差异法。

2 冷却介质是冷却技术的龙头和中心

冷却是热处理生产的重要组成部分。热处理的冷却包括要求缓慢冷却的退火，以空冷为主的正火，以及通过快冷来获得马氏体组织的淬火等。其中，淬火冷却要求高、技术难度大，一直是热处理生产关注的重点。当前，绝大多数工件的淬火都是在水性淬火介质或油中进行的，因此本文重点讨论通用型的水性和油性介质。

众所周知，如果钢件淬火冷却速度过慢，就不能获得要求的淬火硬度和淬硬层深度；而冷却速度过快，又可能引起淬裂和过深的淬硬层。同时，淬火冷却速度过快或冷却速度不足，都可能引起工件的超差变形。不仅如此，冷却过程中，工件的形状越复杂，不同部位温度差就越大，要得到不淬裂和没有超差变形就越难。

淬火冷却技术的第一步是选择适合的淬火介质。一般说，合适的标准首先是在单件淬火条件下能满足热处理要求。仅仅作单件淬火时，淬火冷却的不均匀性主要表现在同一个工件上。通常采取选择合适的淬火介质，加上适当的淬火操作方式，特别是手工操作方式，来解决单件淬火的均匀性问题。现代的热处理生产则以大量、连续，以及长期不断生产为特点。相应地，淬火冷却的不均匀性也就增加到四个方面。第一，同一工件不同部位在淬火冷却上的差异，这是单件淬火就存在的问题。第二，同批淬火的工件，因放置的部位不同，冷却环境不尽相同所引起的不均匀性。第三，不同批次淬火的工件，因淬火介质的温度和相对流速变化等原因引起的不均匀性。第四，长期生产中，因介质受污染，加上淬火介质本身的变化，所引起的不同时期的淬火效果上的差异。因此，现代热处理大生产的淬火冷却技术，要求在单件淬火冷却技术的基础上，通过采用高质量的冷却介质、与介质配套的设备，以及相关的用法技术，来消除或减小上述四方面的性能差异，以保证获得更高的和始终稳定的热处理质量。

通常，从淬火槽的结构设计、配备循环冷却以及加热系统、安设搅拌装置对介质做合理的搅动、使用工装具和有关的操作技术来改善前三类均匀性问题。而第四类，即介质冷却特性的长期稳定性问题，则要靠选择优良品质的冷却介质，并进行合理的使用维护来解决。

把研究开发不同特性的淬火介质产品、根据情况选择合适淬火介质的品种，以及通过装备和使用技术来改善上述四种均匀性要求结合在一起，就构成了热处理冷却技术的工作内容，或者说基本任务。研究开发能适应不同要求的多种淬火介质，是冷却技术的首要内容。其它配套设备和相关的用法技术都是根据所用介质的特点而选用和发展的。因此，可以说，冷却介质是冷却技术的龙头或中心。

3 淬火冷却介质的基本特性和主要类型

热处理对淬火介质的基本要求是人所共知的，即在钢的Ms点温度以上冷得适当的快，冷到Ms点以下后冷得适当的慢。这又常常被简化成“高温能冷得快，低温能冷得慢”。不同的钢种和不同的工件对上述的“快”和“慢”的程度有不同的要求。为适应多种钢种和多种工件的不同要求，淬火冷却介质有多种类型和等级。在热处理行业，淬火量最大的是碳素结构钢和低合金结构钢制的通用零部件，如齿轮、弹簧、轴承和其它结构件；用得最多的是淬火油、水溶性淬火剂、自来水以及盐水和碱水。

自来水、盐水、碱水以及所谓普通机油通常被称为传统的淬火介质；而把专门为热处理淬火冷却的需要才开发的各种专用淬火油，加上最近几十年才开发出的水性淬火剂合称为新型淬火介质。

专用淬火油几乎多是矿物油基的油，其中使用温度在80℃以下的俗称冷油；使用温度在80℃以上的称为热油。热油再按其使用温度的高低分成不同的品种或等级；冷油则按它的冷却速度快慢分成不同的等级。此外，还有真空淬火油和光亮淬火油等品种。所有淬火油都应当有稳定的冷却特性，并容易清洗。

新型水溶性淬火剂大多属有机聚合物系，因其聚合物种类不同而有PAG类、聚乙烯醇类以及聚丙烯酸钠类等种类。它们大多是被加到自来水中配成淬火液来使用。一般说，水中加入这些淬火剂的主要目的是降低水的低温冷却速度。因此，从应用的角度，我们最关心的是它们能降低水的低温冷却速度的程度。程度不同，应用的范围也不同①。除了冷却特性之外，水性介质还需要具备另外两个必不可少的特性。一个是冷却特性的稳定性，另一个是所配制的淬火液的浓度要容易测量和调控。当然，还要求一定的防锈性、抑菌性和不污染环境。

各种专用淬火介质的基本特性和用法都容易从有关的说明书等资料中查找，这里就不做介绍了。

4 传统介质和新型介质的冷却特性对比

4.1 普通机油和自来水在冷却特性上的不足之处

       最具代表性的传统淬火介质是水和普通机油。现在，大家多习惯于用符合国际标准(ISO/DIS9950)的冷却特性仪，来测量这些液体淬火介质的冷却特性。图1是自来水和普通机油（N32）的冷却特性曲线。图中，纵坐标表示温度（℃），横坐标表示冷却速度（℃/s）。一般认为，自来水的主要缺点是低温冷却速度过快，使很多工件在其中淬火会开裂。普通机油的主要不足是蒸汽膜阶段长和冷却速度偏慢，这使淬透性较差或者有效厚度较大的工件淬火后硬度不足且变形较大。为此，一般认为，研究开发新型水溶性淬火介质的首要目标是降低水的冷却速度，尤其是水的低温冷却速度；而开发新型淬火油的重要目标则是缩短油的蒸汽膜阶段和提高油的冷却速度。

          根据上述改变冷却特性的目标，再结合对淬火介质其它方面的要求，国内外研究开发出了多种新型淬火介质产品，并在热处理生产中得到应用。到目前为止，用得最成功的水性淬火介质是PAG类的产品。而得到广泛应用的新型淬火油主要是快速淬火油和等温分级淬火油。图2是一种PAG淬火剂在不同浓度下的冷却特性与自来水的对比曲线。图3是一种快速淬火油和普通机油的冷却特性对比曲线。图4是一种热油与普通机油的冷却特性对比曲线。
          因为工件淬火冷却的需要才使用淬火介质，因此我们首先注意的是它们的冷却特性。为了获得前后一致的产品质量，要求在长期和大量生产中介质的冷却特性保持相对稳定。除了冷却特性及其稳定性之外，对淬火介质还有其它一些辅助性能上的要求。对于淬火用油，这些辅助性能包括不易着火、光亮性、防锈性、消泡性和易清洗等。对于水性淬火剂，包括浓度易测易控、消泡性、防锈性、抑菌性和对环境污染小等。

    4.2 自来水的第二大缺点及其克服办法
              用自来水作冷却介质，除了它的第一大缺点，即低温冷却速度过快以外，还遇到另外的问题。比如，多个工件采取比较密集的方式同时入水时，淬火后会有显著的硬度差异。为此，现在的多用炉上基本不用水性淬火介质。又如，工件形状复杂、尤其是有较深的内孔时，自来水中淬火后，除了有严重的硬度不均外，常常伴有很大的淬火变形。再如，象大型圆锯片之类的大薄片状工件，在自来水淬火后，往往出现特别大的变形翘屈。同样的情况和工件，在油中淬火时，则不会发生这些问题。引起这些问题的原因是，水的冷却特性对水温变化太敏感。图5是水温对自来水冷却特性的影响曲线[2]。作为对比，图6是油温对油的冷却特性的影响曲线。可以看出，水温对冷却特性的影响是很大的。我们把冷却特性对液温变化太敏感，列为自来水的第二大缺点。有机聚合物水溶液，比如PAG淬火液，也有相同的缺点。应当说，这是多数水性介质都可能存在的缺点。
        10％的无机盐（或碱）溶入水中，可以大大减小冷却特性对水温的敏感程度。图7是不同液温下10％硫酸钠水溶液的冷却特性曲线。和单纯自来水相比，液温达到80℃之前，其冷却特性对液温的敏感程度还是比较小的。
       把自来水、PAG淬火液、淬火油和熔融盐等液体介质的上述两项特性列在一起，可以作成表1。
            上述对液温的敏感性，主要是通过液温对冷却的蒸汽膜阶段长短的影响，而最终反映在同一工件的不同部位之间、不同工件之间、以及不同批次淬火工件之间出现大的硬度差异和严重的淬火变形上。
    最后，我们再来分析上述液温敏感性对工件淬火变形产生影响的原因。在测量的冷却曲线上，从蒸汽膜阶段到沸腾阶段的过渡期，是冷却速度由慢到快的突变期。通常把这种突变对应的探棒温度，称为所测冷却介质的特性温度。在特性温度以上，介质的冷却能力很弱。而一旦进入沸腾阶段，冷却速度就骤然大增。同一工件的不同部位，有的在特性温度之上，有的已经冷到了特性温度之下，它们之间的冷却速度差异，往往会引起大的淬火变形。工件的淬火温度比介质的特性温度高得越多，复杂工件上的冷却情况差异就越大，且维持时间越长，工件的淬火变形也就越严重。降低介质的特性温度，也有相同的影响。自来水第二大缺点的危害就在于此。可以推知，如果整个淬火过程只在蒸汽膜阶段进行，或者只在沸腾阶段阶段进行，由于没有冷却速度的突变，就不会发生这类因素引起的淬火变形。

综合上述讨论，我们建议用以下七类办法，来克服液体介质的上述第二大缺点：

   ·    第一类办法、在单一的冷却阶段内冷却。选用那些特性温度高于工件的淬火加热温度的介质，使整个冷却过程都在沸腾阶段进行。比如，通常使用的硝盐浴等熔融盐浴属于这类。或者完全在介质的特性温度以上冷却，使整个冷却过程都在蒸汽膜阶段进行。比如，在慢速的浆状介质中冷却高合金钢工件，属于此类。我们认为，这是最上等的解决办法。

    ·    第二类办法、选用蒸汽膜阶段长短对液温变化不敏感的介质，比如各种淬火油。

   ·    第三类办法、加入能缩短介质冷却的蒸汽膜阶段的添加剂。如快速油中的添加剂。

   ·    第四类办法、加入能减小介质液温敏感性的添加剂，如自来水中溶入一定量的无机盐或碱。

   ·     第五类办法、适当降低工件的淬火加热温度，以缩短工件在蒸汽膜阶段的冷却时间，来减小上述影响的程度。

   ·    第六类办法、降低介质的使用温度，以降低淬火中可能的最高液温，来缩短冷却的蒸汽膜阶段。

   ·    第七类办法、通过加强介质的流动和增大工件之间的距离等措施，减小工件周围的液温升高值。

5.2 从冷却特性选择淬火介质的原则思路[3]

在图1中已经看到，普通机油和自来水的冷却速度曲线之间有很宽一个空白地带。今有一个工件用普通油淬不硬，用自来水淬又要开裂。在普通机油中加入适当的添加剂来提高它的冷却速度，可以相应提高那个工件的淬火硬度。假定，当冷却速度分布曲线提高到图8中的锯齿线的位置时，该工件便可以得到要求的淬火硬度等要求了。我们就把这条虚线叫做该工件允许的的最低冷却速度分布线。同样的道理，在自来水中加入水溶性添加剂，可以降低水的冷却速度。假定，当水的冷却速度曲线降低到图9中的锯齿线位置时，上述工件在其中淬火后就能达到不淬裂和其它热处理要求了。我们就把这条锯齿线叫做该工件允许的最高冷却速度分布线。把图8和图9中的两条锯齿线作在同一张图中，得到图10。其中，两条锯齿线把图面分成了三个区域，我们把右边的区域叫做过快冷速区，把左边的区域叫做不足冷速区，而把中间部分叫做适度冷速区。表6列出了所用淬火介质的冷却速度分布曲线完全落入任一区内时，该工件在其中淬火后将会获得的淬火效果。

5 常用液体介质的选择原则

5.1 常用介质的选择要点

     常用淬火介质可分为油性和水性两大类，新型淬火介质也不例外。水性和油性介质各有其特点和使用范围，根据我们的经验，从选择和使用的角度把水和油性介质的特点和用途列成了4张表，供选择时参考。

是选择水性介质还是淬火油？首先应从处理的钢种考虑。表3提供了大致的选择原则。在确定了选择油还是水性介质之后，可进一步确定选择哪种水性或油性介质，表4给出了各类水性介质的冷速级别和适用的钢种，表5则给出了不同淬火油的特性和用途。结合4个表的内容即可确定选用何种淬火介质。

任何一种淬火冷却介质，只要它的的冷却速度分布能完全落入适度冷却速度分布区，不管它在2区内的分布情况如何，就都能满足该工件的热处理要求。这就是说，对于一种工件，可以有多种淬火介质适用于它。相反，如果所用介质的冷却速度分布曲线全部或部分进入了1区或2区，工件在其中淬火就不能完全满足热处理要求。

上述分区图表仅仅告诉我们一种分析问题的思路。实际工件淬火时，因为影响因素很多，很难找出准确的适度分布区。但是，把这一思路与我们的热处理知识相结合，可以从以下五个方面，结合热处理的知识和经验，从冷却特性去选择适合的淬火介质：一是钢的碳含量高低，二是钢的淬透性大小，三是工件的有效厚度，四是工件的形状复杂程度，五是允许的淬火变形量大小。

实际应用场合，一个淬火槽，不装油性介质，就得装水性介质。二者只能选其一。一般工件在油中淬火时，淬裂危险很小，但油的冷却速度慢了却会引起淬火硬度不足和大的淬火变形。因此，在这种场合，选择淬火油时，要求油的冷却速度分布曲线落在待淬火工件允许的最低冷却速度分布曲线的右边，即应当快于工件的最低冷却速度分布曲线。而当采用水性淬火介质时，主要的危险是淬火液的冷却速度过快而引起淬裂。因此，首先要求在可能采用的最低液温下，配成的淬火液的冷却速度曲线落在待处理工件允许的最高冷却速度曲线的左边，即具有更低的冷却速度。其次，对于水性淬火介质，还有另外一个要求：在选定的生产条件下，淬火槽中特定位置的最高液温下，该淬火液的冷却速度分布曲线仍然不会落到工件允许的最低冷却速度分布曲线的左边。

从冷却特性选择淬火介质时，还应当“当留有余地”。这里说的留有余地，具体做法是：选择的淬火油的冷却速度曲线不能是刚好快到工件允许的最低冷却速度分布曲线的程度，而还要更快一些。选择的水溶性淬火介质的冷却速度分布曲线不能刚好慢到工件允许的最高冷却速度分布曲线的程度，而还要更慢一些。为什么要留有余地？前面谈到，研究水溶性淬火介质的目标是降低水的冷却速度，尤其是水的低温冷却速度；而研究开发淬火油的主要目标是提高油的冷却速度，包括缩短蒸汽膜阶段。在淬火介质的使用过程中，不管所用介质的性能如何稳定，介质的变质都是难免的。只是变质的快慢不同罢了。从冷却速度上看，水性介质变质的方向是冷却速度加快；而油性介质的变质方向则是冷却速度减慢。留有余地，才能保证连续生产中，介质特性稍有衰退的情况下，处理的工件仍然达到要求的性能。此外，钢材的成分波动等也是不可避免的，也需要为之留有余地。

用什么办法来选出稍快一些的油和稍慢一些的水性介质？其实很简单，用稍微大一点的、相同形状的工件或试样去选择油，使能达到要求硬度的中间值；用稍小一些的、相同形状的工件或试样去确定水性介质，使能保证不淬裂。当然，应当还有其它办法可用。

5.3 同时适用多种工件的淬火介质

今有A、B两种待淬火的工件。工件A有一个适度冷速分布区。工件B有另一个适度冷速分布区。把这两个适度冷速分布区叠加在一起。它们相重叠的部分，就是A、B两种工件共同的适度冷速分布区。凡是冷却速度曲线能完全落入这个共同的冷却速度分布区的淬火介质，就都能处理这两种工件。可以推知，同时适用于多种工件的淬火介质，其冷却速度曲线必然能完全落入它们共同的适度冷速分布区。工件种类越多，它们共同的冷速分布区就越窄，甚至没有了共同的冷速分布区。这就是说，任何一种淬火介质都不能适用于所有不同种类的工件。或者说，每种淬火介质都只有一定的适用范围。由于这样的原因，只有产品品种相当单一的生产车间，才只使用一种淬火介质。在一般的生产车间，大多要配备几种淬火介质，才能满足多种不同的工件的需要。（待续)

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myyeh

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阿谢克那·李

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wodeai72727

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草地飞龙

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