淬火是熱處理工藝中最關鍵的工序，它最終決定淬火件的內(nèi)在質量及畸變。淬火冷卻技術自始至終伴隨著熱處理技術的發(fā)展而不斷地進步。但是，由于冷卻過程的復雜性和瞬間完成的特點，加之觀察和測量的局限性，使淬火冷卻帶有幾分神秘感。長期以來，我國機械行業(yè)普遍存在著“重冷輕熱”（即重視冷加工、輕視熱加工）的弊端，而在熱處理行業(yè)又普遍存在著“重熱輕冷”（即重視加熱輕視冷卻）現(xiàn)象，這是很不正常的。筆者結合自己長期熱處理工作的經(jīng)驗體會，談談對淬火冷卻介質的認知和選用。
1.淬火冷卻介質應具備的基本性能
（1）理想的冷卻速度
所謂理想的冷卻速度，系指對一定的材質和具體的淬火件而言，希望它在冷卻時C曲線鼻部的冷卻速度大于臨界冷卻速度（保證工件能完成馬氏體轉變的最低冷卻速度）。而在其他溫度范圍，尤其在馬氏體轉變溫度區(qū)間（Ms→Mf）則應緩冷，這就是人們常說的“高溫要冷得快，低溫要冷得慢”。不同鋼材和不同工件對上述“快”“慢”有不同的訴求，理論上存在著一個“理想淬火冷卻介質”概念，如圖1所示。不同鋼的“C”曲線是不一樣的，要想得到能適合各種鋼材及不同尺寸工件淬火的所謂“理想淬火冷卻介質”是不可能的，我們只能根據(jù)具體情況，選擇合適的淬火冷卻介質，使淬火件淬得硬、畸變小、金相好。
圖1 理想淬火冷卻介質曲線
（2）穩(wěn)定性好
淬火冷卻介質在使用過程中應保持相對穩(wěn)定，不易分解、變質和老化。各種淬火油和有機溶劑等多存在著不同程度的老化現(xiàn)象，應適時調整、更新和維護。
（3）冷卻的均勻性
工件的不同部位及表面盡可能均勻冷卻，避免出現(xiàn)淬火軟點、軟塊。
（4）無腐蝕性
淬火后要保持清潔，易清洗，不對工件有腐蝕作用。
（5）對環(huán)境友好
淬火時不產(chǎn)生大量煙霧、不產(chǎn)生有毒和有刺激性氣體，淬火件帶出的廢液對環(huán)境不造成污染。
（6）安全
淬火冷卻介質要不易燃、易爆，使用安全。
（7）經(jīng)濟性
淬火冷卻介質要物美價兼，太貴了熱處理企業(yè)不歡迎。
2.影響淬火冷卻介質冷卻性能的因素
影響淬火冷卻介質冷卻性能的因素很多，概括起來有如下9種。
（1）溫度
淬火冷卻介質的溫度不同，其冷卻能力也不同。水和水基淬火冷卻介質隨溫度的升高冷卻能力下降，而油、鹽浴則相反，隨著溫度的升高，流動性好，利于散熱，冷卻能力提高，因此把握好具體工件的冷卻溫度很重要。
（2）表面張力
表面張力大小直接影響冷卻速度，一般地講表面張力小的淬火冷卻介質與淬火件表面接觸親密，因而散熱快，冷卻能力提高。
（3）攪拌
攪拌會增大淬火冷卻介質換熱系數(shù)，盡早破壞蒸氣膜，提高冷卻速度，并使淬火件冷卻均勻。
（4）熱導率
熱導率也稱熱傳導系數(shù)，表征物質熱傳導性能的物理量，熱導率越大，其冷卻能力越強。
（5）比熱容
淬火冷卻介質的比熱容越大，其冷卻速度就越大。
（6）粘度
粘度表征液性流動時，液體分子間呈現(xiàn)出的內(nèi)部摩擦力。粘度大的淬火冷卻介質流動性差，不利于對流散熱，其冷卻能力就差，反之，粘度小者冷卻效果就好。
（7）汽化熱
汽化熱是指單位質量的液體完全變成同溫度的氣體所需要的熱量。水的化學穩(wěn)定性很高，熱容量較大，在室溫為鋼的8倍，水的沸點低，其汽化熱隨溫度的升高而降低，水隨溫度的升高，冷卻能力急劇下降，但水溫升到80℃以后，其冷卻能力幾乎沒有什么變化，淬火烈度維持在0.72左右。
（8）添加劑
加入添加劑的目的是改變冷卻性能，如在水中加少量鹽或堿，其冷卻能力會提高數(shù)倍。水中加入聚乙烯醇，會在淬火件表面形成極薄的塑料膜，它的導熱性差，降低冷卻速度。水中有油、肥皂等形成的懸濁液或乳濁液，會加速蒸汽膜的形成，增加蒸汽膜的穩(wěn)定性，使冷卻能力降低。另外，人們?yōu)榱烁淖兇慊鹄鋮s介質的其他性能，往往有意識地加入氧化劑、光亮劑、防銹劑、防腐劑等會不同程度地影響冷卻性能。添加劑的加入，一般都會收到一舉多得的效果。
（9）環(huán)境
環(huán)境對冷卻能力的影響往往不被人們注意，同樣同溫的介質，冬天、夏天的冷卻效果有異，白天、晚上淬火效果各不同。
3.選擇淬火冷卻介質的基本原則
大量現(xiàn)實告訴人們，許多熱處理質量事故與淬火冷卻介質有關，如果選用不當或操作失誤，都會造成淬火件廢品。因此，用對淬火冷卻介質是確保產(chǎn)品質量的基本條件。不管選用何種淬火冷卻介質，都應該得到統(tǒng)一的淬火效果：
①獲得高而均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度。
②不能淬裂。
③淬火畸變小。根據(jù)淬火件的熱處理技術要求、材料、形狀等具體情況選配相應的淬火冷卻介質，歸納以下5條基本原則：
（1）根據(jù)碳含量高低
碳是一切鋼中最重要的元素，碳含量的高低不僅影響到鋼的各種性能，同時對淬火效果也有影響。對于碳素鋼，其碳含量≤0.5%（質量分數(shù)，以下同）多選鹽水、堿水、有機溶劑等；對于中低合金結構鋼往往采用雙液淬火或冷卻速度相對緩慢的介質；對于碳素工具鋼，因熱處理要求高而淬透性差，因此多采用堿浴、硝鹽浴分級淬火，很少采用油冷。
（2）根據(jù)鋼的淬透性
從鋼的“C”曲線分析，淬透性差的鋼要求的冷卻速度要快。相反，淬透性好的鋼冷卻速度則慢些。根據(jù)鋼的淬透性選擇合適的淬火冷卻介質是明智之舉。
（3）根據(jù)工件的有效直徑
每種鋼有一個臨界淬火直徑，當淬火件表面冷到Ms點，立即大幅減慢介質的冷卻速度，則工件內(nèi)部的熱量向淬火冷卻介質散發(fā)的速度也大幅減慢，工件表面一定深度以內(nèi)的過冷奧氏體就很難冷到Ms點以下。當淬火件比較厚大時，為得到足夠的淬硬層深度，應選用較快的低溫冷卻速度。相反，工件薄小時，則可用低溫冷速小的淬火冷卻介質。再從允許的最高冷速分布曲線上看，厚大的工件允許高速冷卻，薄小的工件應低速冷卻。
（4）根據(jù)淬火件的復雜程度
先從允許的最低冷卻速度分布曲線上分析，形狀復雜的工件，尤其是內(nèi)孔或較深凹面的工件，為減少淬火畸變及需要將內(nèi)孔也淬硬時，應選用蒸汽膜階段較短的淬火冷卻介質。相反，形狀相對簡單的工件，則可以使用蒸汽膜階段稍長的淬火冷卻介質。再從允許的最高冷卻速度分布曲線看，形狀復雜的工件允許的冷速低，而形狀簡單的工件允許的冷速高。
（5）根據(jù)允許的變形量
淬火件要求畸變小，應當有較窄的冷卻速度帶，而允許的畸變量較大時，可以有寬的冷卻速度帶。允許的冷卻速度帶寬的，可以采用一般能達到淬火硬度的介質。用等溫淬火或分級淬火可以縮短工件的冷卻速度帶。
由于工件種類繁多，熱處理要求各異，淬火冷卻介質層出不窮，同種工件淬不同介質也得到同值的表面硬度，因此給選擇淬火冷卻介質帶來一定難度。本著經(jīng)濟、合理的原則，選擇相對理想的淬火冷卻介質。
4.淬火冷卻介質應用實例
（1）高速鋼淬火用中性鹽淬火劑
所謂中性鹽淬火劑泛指兩種配方：
第一種：50%BaC12+30%KCl+20%NaC1（質量分數(shù)），熔點560℃，使用溫度580～620℃，適用于有效直徑≤20mm，能保證工件溫度1000～800℃區(qū)間內(nèi)的冷卻速度≥7℃/s，防止共晶碳化物析出而影響刀具各項性能。
第二種：48%CaC12+31%BaC12+21%NaC1，熔點435℃，使用溫度460～550℃。相圖如圖2所示。為配料方便，工廠將之改為50%CaC12+30%BaC12+20%NaC1，熔點440℃，使用溫度也是460～550℃。適用有效直徑＜40mm的高速鋼工件。兩種配方的中性鹽使用有別，一周連續(xù)開爐5天以上，建議用Ca基鹽，因為Ca基吸溫性極強，在空氣中很容易潮解；如果淬火件尺寸小且不每天開爐，用鋇基鹽比較合適。
（a）摩爾分數(shù)（%） （b）部分放大圖
圖2 CaC12、BaC12、NaC1三元相圖
（2）硝鹽浴淬火劑
硝鹽系指NaNO3、KNO3、NaNO2、KNO2這四種鹽。作為淬火液，使用單一成分極少，常用兩種或三種混合鹽，配方及熔點如圖3所示。用得最多的配方是：55%KNO3+45NaNO2，熔點137℃，使用溫度160～550℃； 50%KNO3+50%NaNO2，熔點140℃，使用溫度160～550℃。用于低合金鋼制產(chǎn)品的淬火和高速鋼及高合金鋼工件的等溫淬火。有的企業(yè)用硝鹽浴作為大齒輪滲碳后的淬火液，解決了大齒輪熱處理難題。
圖3 硝鹽系熔化曲線
（3）硝鹽水溶液淬火劑
主要有兩硝水和三硝水。
①兩硝水即25%NaNO3+25%NaNO2+50%水，使用溫度＜60℃。由于45鋼制小規(guī)格絲錐、板牙及小工件淬火，不僅解決了淬裂難題，而且淬火硬度相對均勻。
②三硝水即25%NaNO3+20%NaNO2+20%KNO3+35%水。三硝水在650～550℃區(qū)間時，其冷卻速度比水還要快，而在300～200℃區(qū)間，冷卻速度比水要慢。它已成功用于球墨鑄鐵、形狀簡單的中碳鋼、高碳鋼及低合金鋼件的淬火，使用溫度不宜超過60℃。
現(xiàn)實生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到帶有尖角、孔槽、截面尺寸變化的碳素工具鋼制模具，硬度要求59～63HRC，水淬易裂，油淬不硬，水淬油冷很難保證質量，而采用硝水——硝鹽浴等溫淬火解決了問題。即在硝水中按1s/5mm估算，工件表面有白色硝鹽泡即可，此時溫度約200℃，立即投入180℃硝鹽浴中等溫30～60min，這樣淬火，工件不會開裂，變形小，硬度也達到要求。
（4）沸水淬火
國內(nèi)有人用45鋼沸水淬火代替調質，收到良好效果，φ40～φ80mm45鋼加熱溫度840℃，淬入沸水，得到約250HBW的硬度，而且很均勻。沸水淬火可以代替45鋼正火處理，作為最終的熱處理。高速鋼在850～870℃沸水淬火，代替原調質處理。
軸承鋼雙細化處理——沸水淬火，由于沸水的冷卻速度比油還慢，所以不必擔心沸水淬火致裂。具體操作如下：軸承鋼終鍛后立即投入沸水中淬火，工件冷至500～400℃出水空冷，然后（730～740℃）×（3～4h）退火，出爐后空冷，可得到超細晶粒，碳化物又細小。
沸水淬火還有許多應用，不逐一列舉，只要應用得當，就能節(jié)能增效。
（5）發(fā)藍淬火劑
工廠自配的一種淬火冷卻介質，淬火后工件美觀耐蝕。有兩種配方淬出的顏色各不同。①70%NaNO3+20%KNO3+10%NaNO2，淬火后工件呈黑色。②70%NaNO2+20%KNO3+10%NaNO3，淬火后工件呈藍色。將三種硝鹽按比例均勻混合后加入適量的水使之成為過飽和溶液，加熱至40～60℃使用。
（6）水溶性聚合物淬火劑——聚烷撐乙二醇（PAG）
PAG具有獨特的逆溶性，即在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。通過改變濃度、溫度、攪拌可以對其冷卻速度進行調整。PAG系列冷卻劑淬火能力覆蓋了水—油之間的全部領域，自20世紀60年代美國開始生產(chǎn)PAG以來，在熱處理行業(yè)得到了廣泛的應用，目前已成功代替堿水、油，用于碳鋼、低合金鋼的淬火冷卻。
（7）淬火油
淬火油已系列化，它包括普通淬火油、光亮淬火油、快速淬火油、快速光亮淬火油、超速淬火油、真空淬火油、分級淬火油和等溫淬火油等。盡管淬火油作為淬火冷卻介質有很多優(yōu)點，但缺點也非常突出，比如油煙污染環(huán)境并危害人體健康、易于老化還會引起火災，廢油的處理也是比較頭疼的事。在工模具行業(yè)，筆者建議盡快淘汰淬火油，開發(fā)應用節(jié)能環(huán)保的新型淬火冷卻介質。
（8）氣淬
對于高淬透性的鋼且尺寸較小時，可以氣淬，氣體的冷卻能力與氣體的種類、壓力、流速等有關。
高速鋼機械刀片（厚度＜20mm）感應加熱后直接空冷，可達到63HRC以上的高硬度。
對于Cr12型高合金鋼，可以在空氣中吹風淬硬，為提高冷卻速度可以吹冷，有效尺寸＞50mm模板，甚至可以放在通水冷卻的銅板上冷。
近年來真空高壓氣淬發(fā)展迅速，常用的冷卻氣體有N2、He、H2和Ar等。H2的導熱能力最好，但與空氣混合易發(fā)生爆炸，安全性差，在1000℃以上還會引起鋼脫碳，使其應用受到限制。而N2的冷卻效果雖然較差，但物美價廉、安全，故使用廣泛。
5.結語
選好用好熱處理淬火冷卻介質，不僅影響到產(chǎn)品質量、經(jīng)濟效益，而且危及企業(yè)的生存與發(fā)展。我們應當根據(jù)本企業(yè)淬火工件所用的材料、產(chǎn)品性能要求，選擇最佳的淬火冷卻介質，保證淬得硬、少變形、性能佳。
作者：趙步青、胡會峰
單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司
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