2.熱處理過程中如何選擇淬火介質(zhì)？

熱處理過程中，實(shí)際使用的淬火介質(zhì)種類繁多，一般可分為液體（水、無機(jī)物水溶液、有機(jī)聚合物水溶液、淬火油、熔融金屬、熔鹽、熔堿等）、氣體（空氣、壓縮空氣、液化氣等）、固體（流態(tài)床、金屬板等）三大類。其中，水、無機(jī)物水溶液、有機(jī)聚合物水溶液、各種淬火油等，在淬火時(shí)要發(fā)生物態(tài)變化，而氣體、熔融金屬、熔鹽、熔堿、金屬板等，在淬火時(shí)則不發(fā)生物態(tài)變化。

工件淬火希望的理想效果是獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度，消除淬火裂紋和減小淬火變形。因此，理想的淬火介質(zhì)應(yīng)當(dāng)是：當(dāng)淬火工件浸入淬火介質(zhì)中，為了獲得馬氏體組織，在過冷奧氏體穩(wěn)定性低的溫度范圍，即C曲線的鼻溫附近，冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度，使工件快速通過珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，保證工件淬火后得到足夠的硬度；而在Ms點(diǎn)和A1點(diǎn)稍下的溫度，希望工件的冷卻速度盡量緩慢，以減少由于工件內(nèi)外溫度差而引起的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而可以有效地防止工件的變形和開裂。即通常所說的實(shí)現(xiàn)“高溫階段快冷，低溫階段慢冷”的理想冷卻。但這樣的淬火介質(zhì)在實(shí)踐中是很難找到的。

通常對淬火介質(zhì)特性的要求是：應(yīng)滿足鋼的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線對冷卻速度的要求，避免工件變形和開裂；淬火后工件表面應(yīng)保持清潔，即使有粘附物也易于清洗，不腐蝕工件；在使用過程中性能穩(wěn)定，不分解、不變質(zhì)、不老化、易于控制；工件浸入時(shí)不產(chǎn)生大量煙霧和有害氣體，以保持良好的勞動條件；便于配制、運(yùn)輸和儲存，使用安全；原材料易得，成本低廉。

淬火介質(zhì)的冷卻能力，主要取決于該介質(zhì)的組成及其物理化學(xué)性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，要注意淬火介質(zhì)冷卻特性對淬火工件質(zhì)量的影響，并根據(jù)工件含碳量多少、淬透性高低、有效厚度和形狀復(fù)雜程度等因素，來選擇合適的淬火介質(zhì)。采用同一種淬火介質(zhì)時(shí)，如果能夠改進(jìn)冷卻方法和適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，則可以獲得最佳的淬火效果。例如，對淬火介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)、攪拌或施以一定的壓力通過工件表面時(shí)，可提高淬火介質(zhì)的冷卻能力和工件冷卻的均勻性，這對于避免形成淬火軟點(diǎn)、減少變形和開裂具有良好的作用。

常用淬火介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）水

水是應(yīng)用最早、最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)，它價(jià)廉易得、無毒、不燃燒、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、冷卻能力很強(qiáng)。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環(huán)水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設(shè)備，且工件淬火后的性能不太穩(wěn)定，故未能獲得推廣應(yīng)用。所以，純水只適合于少數(shù)含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。

（2）淬火油

用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎(chǔ)油，它具有閃點(diǎn)高、黏度低、油煙少、油垢少，抗氧化性與熱穩(wěn)定性較好，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合于作淬火油使用。淬火油只適用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環(huán)境的污染大，淬火時(shí)易引起火災(zāi)，需配備必要的清洗、通風(fēng)和防火安全設(shè)施。

影響淬火油冷卻能力的主要因素是其黏度值，在常溫下低黏度油比高黏度油冷卻能力好，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當(dāng)提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。普通機(jī)油的使用溫度一般都控制在60％～80％，最高不超過120％，以保證使用安全。另外，淬火油在使用過程中，因形成的炭黑及殘?jiān)葧桂ざ仍黾樱W點(diǎn)升高，降低其冷卻能力，致使淬火油老化和失效。淬火油的閃點(diǎn)、黏度、酸值、皂化值的變化是其臨近老化的重要數(shù)據(jù)，因此，必須進(jìn)行定期檢測和維護(hù)，定期沉降過濾，適時(shí)補(bǔ)充新油，這對于延長淬火油的使用壽命是很重要的。

由于各種淬火油的組成不同，其密度、黏度和閃點(diǎn)也不相同，因而具有不同的種類和使用范圍。在油中加入各種不同的添加劑（如催化劑、光亮劑、抗氧化劑等），再配合攪拌、噴淋、超聲強(qiáng)化和改進(jìn)淬火設(shè)備等，能大幅度提高淬火油的冷卻速度，改善冷卻的均勻性，或使工件表面光亮潔凈，或延長淬火油的使用壽命。隨著熱處理技術(shù)的發(fā)展，各種淬火油（如普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫、分級淬火油等）也得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國和國外一些先進(jìn)國家都已形成了完整的淬火油系列產(chǎn)品供用戶選用。

（3）熔鹽、熔堿

這類淬火介質(zhì)的特點(diǎn)是在冷卻過程中不發(fā)生物態(tài)變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區(qū)域冷卻速度快，在低溫區(qū)域冷卻速度慢，淬火性能優(yōu)良，淬透力強(qiáng)，淬火變形小，基本無裂紋產(chǎn)生，但是對環(huán)境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復(fù)雜、截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點(diǎn)是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕作用。熔堿有氫氧化鈉、氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時(shí)若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應(yīng)用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時(shí)應(yīng)注意通風(fēng)和采取防護(hù)措施。

（4）新型淬火介質(zhì)及其應(yīng)用

①有機(jī)聚合物淬火劑

近年來，新型淬火介質(zhì)最引人注目的進(jìn)展是有機(jī)聚合物淬火劑的研究和應(yīng)用。這類淬火介質(zhì)是將有機(jī)聚合物溶解于水中，并根據(jù)需要調(diào)整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優(yōu)點(diǎn)是無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化、使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可調(diào)，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質(zhì)量，改善工作環(huán)境和勞動條件，給工廠帶來節(jié)能、環(huán)保、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。目前有機(jī)聚合物淬火劑在大批量、單一品種的熱處理上應(yīng)用較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機(jī)聚合物淬火劑更是成功的選擇。采用有機(jī)聚合物淬火劑比用淬火油更經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能。

從提高工件質(zhì)量、改善勞動條件、避免火災(zāi)和節(jié)能的角度考慮，有機(jī)聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢（原用于淬火油的循環(huán)冷卻系統(tǒng)在改用有機(jī)聚合物淬火劑時(shí)，可不必修改更換），是淬火介質(zhì)的主要發(fā)展方向。

有機(jī)聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度、使用溫度和攪拌程度三個基本參數(shù)的影響。一般說來，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要：使溶液濃度均勻；加強(qiáng)溶液的導(dǎo)熱能力，從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產(chǎn)生淬火軟點(diǎn)和變形、開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調(diào)整有機(jī)聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達(dá)到理想的淬火效果。一般說來，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機(jī)聚合物淬火劑大多制成含水的濃縮液出售，在使用時(shí)可根據(jù)工件的特點(diǎn)和技術(shù)要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應(yīng)不同的淬火需要。另外，注意精心維護(hù)，防止污染，盡量保持淬火液良好的清潔度，對長期穩(wěn)定地用好有機(jī)聚合物淬火劑是相當(dāng)重要的。

不同種類的有機(jī)聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩(wěn)定性，能適合不同淬火工藝的需要。目前世界上使用最穩(wěn)定、應(yīng)用面最廣的有機(jī)聚合物淬火劑是聚烷撐二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點(diǎn)的產(chǎn)生，使用壽命長，適合于各類感應(yīng)加熱淬火和整體淬火。此外，聚丙烯酸鹽（ACR）類淬火劑和聚氧化吡咯烷酮（PVP）類淬火劑也有人使用。屬無逆溶性品種，其300％冷卻速度較慢，曾經(jīng)得到大力宣傳推廣的聚乙基惡唑啉（PEO）類淬火劑，也有逆溶性，其300％冷卻速度可以降到與油相當(dāng)?shù)某潭龋蛏a(chǎn)應(yīng)用中存在一些問題，在國外實(shí)際應(yīng)用得不多，在我國的情況也大體如此。

有機(jī)聚合物淬火劑在國外已有60多年的發(fā)展歷史，美國、日本和前蘇聯(lián)等都進(jìn)行了大量深入的研究，并得到了廣泛的應(yīng)用。近年來在我國也開展了試驗(yàn)研究工作，已有多種有機(jī)聚合物淬火劑研制成功。

②無機(jī)物水溶液淬火劑

向水中加入適量的某些無機(jī)鹽、堿或其混合物，形成各種不同的無機(jī)物水溶液，可提高工件在高溫區(qū)的冷卻速度，改善冷卻均勻性，使工件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開裂和變形，且無毒、無污染，工件易清洗，使用管理方便。

常用的無機(jī)物水溶液淬火劑有：

a.氯化鈉水溶液：常用的濃度為10％～15％，鹽水溫度為20％～40％，其冷卻均勻性好，淬透能力強(qiáng)，淬火硬度高，能減少淬火裂紋、變形和軟點(diǎn)的產(chǎn)生，無污染，成本低，廣泛用于碳素工具鋼及部分結(jié)構(gòu)鋼工件的淬火。但鹽水對工件有銹蝕作用，所以淬火后要進(jìn)行清洗。

b.氫氧化鈉水溶液：常用的濃度有10％和50％兩類。當(dāng)濃度為10％時(shí)，在高溫區(qū)的冷卻速度比純水和鹽水都高，而在低溫區(qū)的冷卻速度比純水和鹽水稍低，因而工件淬火后硬度高又均勻，不易產(chǎn)生裂紋和變形，且工件表面光亮美觀，適用于淬透性較低的鋼的淬火；當(dāng)濃度為50％時(shí)，在高溫區(qū)和低溫區(qū)的冷卻速度都顯著降低，適用于易產(chǎn)生變形和裂紋的鋼的淬火。但氫氧化鈉水溶液腐蝕性較強(qiáng)，使用時(shí)要注意防護(hù)。

c.氯化鈣水溶液：可代替水/油雙介質(zhì)淬火，適用于碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的淬火。

d.氯化鎂水溶液：高濃度時(shí)，沸點(diǎn)和黏度較高，低溫階段（100％～300％）的冷卻速度明顯降低，而在高溫區(qū)（大約600％左右）保持較高的冷卻速度，能使工件淬火后獲得較高的硬度，并可減少變形和開裂。

e.過飽和硝鹽水溶液：主要是三硝水溶液，其冷卻能力較為理想，而且能減少變形和開裂，可代替水/油雙介質(zhì)淬火，適用于碳鋼和低淬透性合金鋼的淬火。

f.碳酸鈉水溶液：常用濃度為3％～15％，其冷卻能力在同樣濃度下比氯化鈉水溶液略低一些。

g.水玻璃水溶液：將水玻璃用水稀釋，并添加一些鹽、堿，可提高其冷卻速度，用來代替水/油雙介質(zhì)淬火，也可代替淬火油。

目前我國已研制成功了一些新品種的無機(jī)物水溶液淬火劑，并在熱處理生產(chǎn)中獲得了一定程度的應(yīng)用，例如，氯化鋅、氯化鈣水溶液淬火劑，具有良好的淬硬淬透冷卻能力，工件淬火開裂小、變形小，且無毒無害，可用于45鋼、T10、40Cr、GCr15等鋼材的淬火，是值得推廣的新型無機(jī)物水溶液淬火劑。

③流態(tài)床冷卻

流態(tài)床淬火槽的冷卻能力一般介于空氣和油之間，而比較接近油。其優(yōu)點(diǎn)為冷卻能力在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定可調(diào)，冷卻均勻，工件變形和開裂傾向小，表面光潔，淬火后不需清洗，流態(tài)床不易老化、污染少、使用安全、可實(shí)現(xiàn)程序控制。采用流態(tài)床冷卻可取代鹽浴淬火，為雙液淬火、貝氏體等溫淬火、馬氏體分級淬火提供了可供選用的方法，適合于用高淬透性合金鋼制作的形狀復(fù)雜和截面不大的工件的淬火。近年來，人們對流態(tài)床的冷卻特性和機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，并已在鋼鐵和鋁合金熱處理的淬火冷卻中得到應(yīng)用，其發(fā)展前景令人矚目。

（5）淬火介質(zhì)的發(fā)展方向

根據(jù)有關(guān)專家介紹，淬火介質(zhì)的發(fā)展方向有如下幾個方面：

①加強(qiáng)淬火冷卻的基礎(chǔ)理論研究

淬火冷卻是一個非常復(fù)雜的過程，鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變機(jī)理，新型淬火介質(zhì)的原理；水溶性淬火劑的濃度、液溫和攪拌程度對淬火烈度的影響，淬火介質(zhì)冷卻特性對淬火工件質(zhì)量的影響；淬火烈度與淬火工件硬度分布的相互關(guān)系，淬火工件的最佳內(nèi)應(yīng)力及其控制方法；淬火介質(zhì)冷卻能力的測定和評價(jià)，淬火介質(zhì)的污染過程及其維護(hù)，淬火過程的計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)模型的建立等方面的研究要加強(qiáng)。這些對于發(fā)展新型淬火介質(zhì)，改進(jìn)和提高原有淬火介質(zhì)的性能，完善淬火工藝，減少工件變形和開裂，提高工件的性能和質(zhì)量，都具有重要的指導(dǎo)意義。

②不斷改進(jìn)和提高原有淬火介質(zhì)的性能

水和油等常用淬火介質(zhì)的使用效果并不理想，通常有“水淬開裂，油淬不硬”的說法，已越來越不能滿足熱處理生產(chǎn)的要求，為此要對原有的淬火介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。例如，在水中加入無機(jī)鹽和有機(jī)聚合物，可以不同程度地降低工件淬火時(shí)的低溫冷卻速度，因而能防止工件淬裂和變形，或獲得更高的淬火硬度和更深的淬硬深度，從而提高淬火工件的質(zhì)量。對于淬火油在保留其原來優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提高其冷卻速度和改善其某些特性后，仍然是很有前途的淬火介質(zhì)。如開發(fā)添加有催冷劑、抗氧化劑、光亮劑等的高效多用淬火油，可以獲得更強(qiáng)的冷卻能力和更合理的冷卻速度分布和更長的使用壽命，或者更能保持工件表面的光亮性，更能減少工件的變形和開裂，從而實(shí)現(xiàn)一油多用。此外，改進(jìn)淬火設(shè)備，用物理方法（攪拌、噴淋、超聲等）來強(qiáng)化冷卻，都可以提高淬火油的冷卻速度，滿足淬火工藝的要求。

③大力研究開發(fā)和應(yīng)用新型淬火介質(zhì)

無機(jī)物水溶液淬火劑和有機(jī)聚合物淬火劑是我國淬火介質(zhì)的發(fā)展重點(diǎn)，特別是要加強(qiáng)對有機(jī)聚合物淬火劑的研究，并擴(kuò)大其應(yīng)用。隨著研究工作的深入，有機(jī)聚合物淬火劑的適用性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高，應(yīng)用也越來越廣泛。我們要密切注視和分析研究國外的發(fā)展動態(tài)，跟蹤國外新型有機(jī)聚合物淬火劑的研究和應(yīng)用成果，研制生產(chǎn)出立足于國內(nèi)、符合于國情，冷卻速度介于水和油之間，并可根據(jù)需要調(diào)整冷卻速度的新型有機(jī)聚合物淬火劑。對已經(jīng)研制成功并投產(chǎn)的有機(jī)聚合物淬火劑，要增加品種、提高質(zhì)量、降低成本、穩(wěn)定貨源、保證供應(yīng)，搞好售前咨詢和售后技術(shù)服務(wù)，爭創(chuàng)名牌產(chǎn)品，以滿足大批量、低成本淬火工藝的要求。大力推廣應(yīng)用新型淬火介質(zhì)，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場的使用管理與維護(hù)，則是用好新型淬火介質(zhì)的前提。上述這些應(yīng)成為我國今后新型淬火介質(zhì)的研究方向和工作重點(diǎn)。

④新型淬火介質(zhì)與新的淬火冷卻方法密切配合

為了使工件實(shí)現(xiàn)理想的冷卻，獲得最佳的淬火效果，除根據(jù)實(shí)際情況選用新型淬火介質(zhì)外，還需不斷改進(jìn)現(xiàn)有的淬火方法，并采用新的淬火方法。這些新的淬火方法有：

a.高壓氣冷淬火法：工件在強(qiáng)惰性氣流中快速均勻冷卻，可防止表面氧化，避免開裂，減少變形，保證達(dá)到所要求的硬度，主要用于工模具鋼的淬火。這項(xiàng)技術(shù)最近進(jìn)展較快，應(yīng)用范圍也有很大擴(kuò)展。

b.強(qiáng)烈淬火法：采用高壓噴射淬火介質(zhì)，使其強(qiáng)烈地噴射在工件表面上，通過控制噴射淬火介質(zhì)的壓力、流量和配比，調(diào)整其冷卻能力，促進(jìn)均勻冷卻，能獲得表面硬度均勻且變形小的優(yōu)質(zhì)工件。

c.水、空氣混合劑冷卻法：通過調(diào)節(jié)水和空氣的壓力以及霧化噴嘴到工件表面之間的距離，可以改變水、空氣混合劑的冷卻能力，并使冷卻均勻。該法已成功地應(yīng)用于表面感應(yīng)加熱淬火。

d.沸騰水淬火法：采用100％的沸騰水冷卻，可獲得較好的硬化效果，用于鋼的淬火或正火。

e.熱油淬火法：采用熱的淬火油，使工件在進(jìn)一步冷卻之前的溫度等于或接近Ms點(diǎn)的溫度，以便把溫度差減至最小，能有效地防止淬火工件的變形和開裂。

f.深冷處理法：將淬火工件由常溫繼續(xù)冷卻到更低的溫度，使殘留奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其目的是提高鋼的硬度和耐磨性，改善工件的組織穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，有效地提高工模具的使用壽命。

大量研究和實(shí)踐證明，淬火介質(zhì)是實(shí)施淬火工藝過程的重要保證，對熱處理后工件的質(zhì)量有著很大的影響。積極研究開發(fā)和推廣應(yīng)用新型淬火介質(zhì)，已成為改變我國熱處理生產(chǎn)落后面貌，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急，在熱處理生產(chǎn)中可以收到事半功倍的效果。