淬火冷却介质及其应用技术漫谈 - 文章

淬火冷却介质及其应用技术漫谈

作者：北京华立精细化工公司张克俭

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1 前言

十几年来，本文作者一直工作在淬火介质及其应用技术领域。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(ISODIS9950)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。

表1 不同种类液体介质的两大特点对比表

介质	自来水	油	PAG淬火液	10％无机盐（或碱）的水溶液	熔融盐浴（如硝盐浴）
防止钢件淬裂的能力	差	好	浓度适当时相当好	差	好
冷却特性对液温的稳定性	差	好	较差	较好	好

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 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。

表2 水性和油性介质对工件和淬火方式的要求

条件和要求	水性	油性
单件或零散方式入液淬火	○	○
工件以密集堆放方式入液淬火	×	○
工件形状较简单，壁厚较均匀	○	○
薄片状工件淬火	？	○
形状较复杂，壁厚差较大或有较深内孔的工件	？	○
盐炉加热后单件淬火	？	○

表3 水性和油性介质的钢种适应性对比

钢种	水性	油性
碳素结构钢，碳素工具钢和低合金结构钢	一般都适用	除较厚大件外适用
中合金结构钢和合金工具钢	少数情况适用	大部分适用
高合金钢	一般都不适用	大部分适用

注：○表示一般可以，×表示不可以，?表示特定条件才可以。

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。

表4 水性介质的300℃冷速和适用钢种

300℃冷速/℃·s-1	适用的代表性钢种	常用介质
90～80	30，35，45	低浓度盐水或碱水 3%～5%今禹8-20
80～70	45，40Cr，T8，T10	三氯、三硝淬火液 5%～8%今禹8-20
70～50	20Cr，40Cr，42CrMo，60Si2Mn	饱和氯化钙 8%～10%今禹8-20
50～30	40CrNiMo，GCr15，60Si2Mn，20CrMnMo	10%～13%今禹8-20
30～20	40CrMnMo，55SiMnVB	15%～18%今禹8-20

表5 不同淬火油的特性和用途

油品	特性	用途
中快速淬火油	蒸汽膜阶段短，冷却速度快，对流温度较低	壁厚稍大的合金结构钢工件
快速淬火油	冷却速度高于中快速淬火油	壁厚较大的中低合金结构钢或壁厚较小的碳素结构钢和碳素工具钢
热油	使用温度一般在80℃以上，蒸汽膜阶段短，冷却速度中等	用于要求严格控制变形的中小型工件

5.2 从冷却特性选择淬火介质的原则思路

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。

表6 冷却速度分区及其淬火效果

分区	区域名称	区内淬火效果
I区	过快冷速分布区	硬度高、淬裂、变形超差
II区	适度冷速分布区	硬度高而均匀、无淬裂、变形不超差
III区	不足冷速分布区	硬度不足且高低不均、变形大

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。

6 关于淬火介质的好坏

6.1 油性介质

对于生产现场来说，油的好坏，第一步看是否选对了油的类型。一般情况下，淬火油按使用的温度范围分成冷油和热油。冷油的冷却速度一般比热油要快。在冷油中，又根据油的冷却速度高低分成快速淬火油和中快速淬火油。油的冷却速度越快，其粘度一般多更低，闪点相应也越低。热油的粘度和闪点多较高。根据所处理工件的材质、大小和热处理要求，该选择冷却速度快的冷油的，如果选择成了冷却速度不够快的热油；那么，不管该油品的质量如何好，工件淬火后也会硬度不足，而且变形很大。相反，该选择热油的场合，如果选成了冷却速度过快的冷油，不管该油品的质量如何好，工件在其中淬火的结果，变形超差，且心部硬度过高。不仅冷油、热油要选择正确，就是在其中油品的级别，也应选择正确。如果该选快速油而选成了中快速油，也会由于冷却速度不足，使某些工件达不到要求的淬火硬度。热油的级别不同，主要指它们使用温度的不同。使用温度高的品种，一般适用于较小型的工件，其控制变形的能力更好些。但是，对更大一些的工件，或者淬透性稍差点的钢种，就应当选择使用温度更低的油品。

评价的油品种类和级别是否选得正确，最简单的判断方法是用生产中准备采用的工艺参数，加热单一的工件，在该油品中淬火，看看能否得到要求的淬火硬度、淬硬深度、心部硬度，以及变形要求。如果单件淬火能达到工件的热处理要求，该油品的种类和级别就基本上是选对了。剩下来要做的就两件事。一是从设备条件和工艺方法等方面保证多个工件同时淬火时的均匀性，二是了解（或者在使用中考验）该油品的稳定性。

对油的冷却特性，特别要注意它的稳定性。根据我们了解到的情况，不管国内外什么厂家生产的油品，在大量连续处理一般中小型工件的场合，正常使用条件下，油品的稳定性可分成三种水平。

-经过短时间使用，比如仅仅使用二、三十天后，冷却能力就已开始衰退。这样的油稳定性不好。
-经过半年左右的使用，冷却能力的衰退开始表现出来，淬火后工件表面出现污点并逐渐增多；不到一年，淬火油就不得不整槽更换。这样的油稳定性差。
-在相同的使用条件下，淬火油可以连续使用二、三年，甚至更长的时间，之后才开始出现冷却能力衰退迹象。这样的油稳定性好。

能在几年的连续使用中保证淬火工件得到要求的淬火硬度、硬化深度、心部组织，且变形不超差，加上淬火后的工件易清洗，这样的油就可以称为好油。就油品而言，是否是好油，实际包括了油的冷却特性合适和稳定性好两方面。

国内外关于淬火用油的标准有多种。各标准对淬火油的理化性能都有较全面的规定，对油的冷却特性也有大致的要求。但是，从标准中看不出油的上述稳定性好坏来。因此，仅仅看说明书，热处理工作者很难选择到好油。一般可以采用的办法是：通过试用来选择冷却特性适合的油品；再从别的工厂的长期使用效果，来评价该油品的稳定性好坏。如果能找到同类工件在别的厂家连续使用了两三年的油品，还可以省去自己试用的麻烦。如果能满足这些要求的油品有好几种（事实上是这样），当然选择廉价的。

在选择淬火油时，前面已经谈到过，这里还需要强调一下：一是任何一种工件都可能在冷却特性有相当差别的油中淬火，且都能满足该工件的热处理要求。二是任何一种淬火油也都可以用来处理相当多不同钢种、大小和要求的工件。淬火油供应商，只需要提供有限的几种油品，就能满足几乎所有工件的需要，道理就在这里。同样的道理，一个热处理厂只需要配备有限的几种油，就能满足几乎所有工件的需要。

6.2 水性介质

一种好的水性淬火剂，首先要能同时满足三项要求：一是冷却特性适合，二是化学稳定性好，三是浓度易测易控。此外，和用淬火油相比，水性介质需要更多的维护管理。因此，供应商的售后服务能力和技术水平，也是一个必须考虑的要素。加在一起，就成为评价水性介质好坏的四个要求。

7 PAG淬火液在使用中的变化规律

PAG淬火剂是当前国内外使用得最普遍和使用效果最好的水性淬火介质。这类淬火介质在上世纪80年代中期开始进入我国热处理行业。因为实际生产应用效果良好，很快就在一定范围内推广开。但也出过这样一类问题：一些工厂开始时用得好，有的甚至发表了文章。但过了不久，采用的相同的浓度，却有少量工件淬裂；继续用下去，淬裂的比例还逐渐增多。找不到淬裂的原因，最终不得不停用。究其原因，是不了解PAG淬火液在使用中的变化规律，因而没能采取相应的应对措施。

淬火液中的PAG聚合物本身相当稳定，在一般的使用条件下几乎不会被氧化分解，也不会和遇到的酸碱物质发生反应。那么，问题出在什么地方？后来，经过研究发现，上面谈到的问题，实质上是使用中的有效浓度的测定方法问题。

PAG淬火剂是以PAG聚合物为主，加上其它提供辅助性能的添加剂而制成的。在工件淬火过程中，工件周围的液温一旦升到溶液的浊点以上，PAG聚合物就从溶液中脱溶出来，以细小液珠形式悬浮在淬火液中。悬浮的PAG液珠一接触到红热工件，就靠其非常好的润湿性粘附到工件表面上，成富水的包膜把工件包裹起来。PAG淬火介质就是靠这种包膜来调节水的冷却速度，避免工件发生淬火开裂的。工件冷却下来后，黏附在工件上的聚合物又会回溶到淬火液中。回溶需要时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就将工件从淬火液中取出。这样，工件带出的液体中PAG聚合物含量往往高于所用淬火液中的含量。长期、大量工件淬火后，淬火液中PAG的相对浓度就必然逐渐降低，而其它添加剂组份的浓度却逐渐相对升高。因为只有PAG才有调节水的冷却特性的作用，它的浓度降低就相应降低了淬火液调节冷却特性的能力。由于一般工厂都采用折光仪来测定淬火液的总浓度，所以，在相同浓度上，使用久了的PAG淬火液冷却速度更快，成为引起淬裂的原因。

解决这类问题的办法，一是改进浓度检测方法，最好是用冷却特性测试仪来调控浓度；二是发现工件的淬火硬度升高，就适当提高淬火液的折光仪浓度，来保证工件不淬裂。

此外，为了减缓有效浓度降低的速度，可以设法延长工件在淬火槽中的浸泡时间，并对工件上带出的淬火液做及时的清洗，而后将清洗用的水补充进淬火槽中。这样做也能减少淬火剂的消耗。

由于水是其中的第一大组份。而水在热处理生产中特别容易挥发。所以水溶性淬火介质的有效浓度测量问题都非常重要。PAG类淬火介质可以用折光仪法检测浓度，但它不适于用比重法测量浓度。聚乙烯醇类淬火介质不适于用比重法，也不适于用折光仪法测量浓度；因此很难做现场浓度调控。无机盐水溶液的浓度检测既可以用折光仪发，也可以用比重法。所有水性淬火液都适宜用冷却特性仪来控制浓度。但采用冷却特性控制浓度不仅需要配备冷却特性测试仪，还需要相关的应用技术和分析能力。

8 淬火介质使用维护中的几个问题

从事热处理生产的人应当维护好所用的淬火介质。一般的管理工作包括：防止介质受污染、保证冷却系统能正常工作、按要求控制好液温、水性介质要经常检测和控制其浓度，以及定期检测淬火介质的冷却特性等。此外，根据我们的经验，应当注意以下几件事。

1、在新倒入淬火介质前，特别是在旧的淬火槽中做整槽更换时，一定要把淬火槽和冷却系统认真清洗干净。。一些单位图省事，在淬火油做整槽更换时，只把原来的旧油大致放干，便将新油倒入槽中。原来沉在槽底的油污、槽壁上的碳黑油泥，以及残留在冷却系统中的油污，都一齐混进新油中。其结果，一槽新油就给污染了。淬火出来的工件污迹斑斑，清洗十分困难。

2、如果发现淬火油变得容易着火，要赶快找出原因并加以解决。原因之一是油中进了水，尤其是用热油的场合。原因之二是在油温测量或显示上出了故障，实际油温远高于显示的油温。此外，油中混入了低闪点、易挥发的油液，也容易着火。

3、防止加热炉内的碳黑污染淬火油。渗碳与碳氮共渗炉内难免产生碳黑。这些碳黑进入淬火油中，会对油造成污染。少量碳黑逐渐积累，首先损害的是淬火工件的光亮性，随后影响油的冷却特性。碳黑粒子非常小，又多悬浮在油中，一般不可能用过滤和沉降的办法加以分离。定期烧掉加热炉内结存的碳黑，是现行的最好解决办法。

4、对使用中介质变质和整槽更换问题的看法。水性和油性介质都有一定的寿命。到时候都应当做整槽更换。

影响油性介质寿命长短的主要因素，是油的使用温度高低、淬火工件的总表面积大小、油的品质好坏和外来污染情况。油的使用温度（应当包括油的平均温度和工件淬入后的温升程度）越低，油的使用寿命越长。淬火工件的总表面积越大，油的寿命越短。用于小型工件的淬火油，寿命很短，因为所处理工件单位重量的总表面积非常之大；而处理大型工件用的淬火油，由于所处理工件单位重量的总表面积相当小，加上淬火次数少，使用寿命就非常长。油品的质量，包括所用基础油和添加剂的品质。同样的使用条件，品质差的油只能用几个月，而品质好的常常可以用好几年。此外，外来污染，尤其是水的进入和碳黑的积累，对油的使用寿命也有很大的影响。

水性淬火介质的寿命长短，最主要的影响是介质的种类。比如，聚乙烯醇类的淬火介质，一般寿命不超过几个月；而PAG类的介质，一般多可以使用几年。外来污染对水性介质的寿命长短影响也很大。因此，水性介质的维护管理比油性介质更应受到重视，也更费事。PAG淬火液可以通过去污处理而延长其整槽更换时间。

不管是水性还是油性介质，使用中都会逐渐变质，同时也都会受到污染。变质产物和外来污染物逐渐积累，都会影响到介质的使用性能。使用到一定时间后，都应当做整槽更换。据知，除只用于大型工件淬火的油外，大量处理一般中小型基础件的场合，国内外淬火油的使用寿命一般不超过三、五年。如果不做去污处理，就是PAG淬火介质的整槽更换时间一般都比三、五年要短。到了应当整槽更换的时候就做整槽更换，往往能保证热处理质量、提高生产效率、简化管理并减少介质消耗量，从而能降低生产成本。

9 关于淬火变形问题的分析方法

热处理变形，尤其是淬火变形，是当前国内外热处理行业关注的重点课题。由于引起变形的因素很多，使问题变得很复杂。通常，在新产品设计和工艺方法确定阶段，分析和解决变形问题时往往考虑得特别全面，以便综合协调解决方案。但是，当生产中的工件出现变形问题时，采用这样的思路去分析和解决问题，就违背了抓要点的原则。站在热处理工作者，特别是现场热处理工作者的角度，分析解决所遇到的变形问题，应当用抓主要原因的简便易行的方法。下面介绍的三要素法和硬度差异法就属于这种方法。

9.1 三要素法分析法

这里指的热处理超差变形三要素为：足够大的应力，足够好的塑性，以及足够长的作用时间。

任何热处理超差变形都需要这三个要素，只是三者的大小关系是可以互补的。如果应力很大和材料的塑性好，作用时间虽短，也会引起大的变形。比如红热工件在转移中受到冲撞引起的变形。塑性好，作用时间很长，即便应力不大，也可能引起大的变形。比如淬火加热过程中，工件堆放不当，因叠压或者因自重引起的应力虽然不大，但在长期加热过程中也会造成超差的变形。又如，在淬火冷却中，因介质受到的搅动过于强烈，液流冲击使细长工件发生超差的弯曲变形。这些都是因外力引起的变形。因外力引起的变形问题，其解决办法相对比较简单。和高温时相比，发生马氏体转变前，过冷奥氏体的塑性也相当差了。而且马氏体转变经历的时间也相当的短。虽然如此，马氏体转变前后的比容差引起的应力非常之大，仍然能造成超差的变形。这是内应力引起的变形。

因内应力引起的变形，情况要复杂得多。内应力的来源比较多，但通常可以归成热应力和组织转变应力两类。冷却过程中，组织转变应力又常常和热应力共同存在，相互叠加或抵销。而且都在变化着大小和分布中起作用。加上工件的形状因素，它们的作用情况就更加复杂。其中，值得注意的有三点。一是在液体介质中淬火冷却时，形状较复杂的工件不同部位表面温度差别会很大。冷得快的部分一旦冷到所用液体介质的特性温度以下，就立即从蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段。这部分表面获得的冷却速度突然大增，和工件上仍然处于蒸汽膜阶段部分的温度差异也就会急剧增大。温差大，热应力也就大。如果该介质的特性温度偏低，这种应力的作用时间还会很长。在介质特性温度附近，过冷奥氏体的塑性一般多也较好。应力大，材料塑性好，加上作用时间长，就容易引起超差变形。二是冷却速度过快时，过冷奥氏体转变成马氏体时的体积膨胀，可能引起很大的内应力，从而引起淬火变形。三是淬火冷却的速度不足时，在马氏体组织的百分比急剧变化的区域，因比容差异常常形成大的内应力，最终引起大的变形且淬火硬度不足。

材料的塑性与材料的温度密切相关。高温下材料的塑性好，容易发生变形。此外，在材料发生相变过程中塑性变形更容易，即具有所谓相变超塑性。因为装放不当，在淬火加热过程中由外力引起的热处理变形，有一部分就是钢材发生加热转变过程中产生的。材料加热中由珠光体转变成奥氏体时有超塑性。过冷奥氏体发生马氏体转变时有超塑性。就连马氏体发生回火转变时也有超塑性。大薄片状工件的淬火变形翘曲，用加压回火来加以校正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。这种办法只在第一次回火时有效，原因就在这里。

作用时间长短是第三个值得注意的要素。在热处理中，为了减小变形量，凡需要比较长的时间才能完成的过程，比如，工件加热过程，应当设法把可能出现的内外应力减至最小。为了缩短热应力引起的变形，使用液体冷却介质时，要设发缩短介质的蒸汽膜阶段，以缩短工件冷却过程中不同部位的表面温度跨在介质特性温度上下的时间。

在制定工艺时，应同时从上述三要素上采取措施来减小热处理变形。其原则是：设法减小内外因素引起的应力，缩短应力的作用时间，尤其是在工件处于塑性好的时期。

在分析已发生的热处理变形时，注意应力大、塑性好和作用时间长的诸因素，会比较容易找到主要原因。

分区	名称	区内淬火效果
I区	过快冷速区	硬度高、淬裂、变形
II区	适度冷速区	硬度高而均匀、无淬裂、变形小
III区	不足冷速区	硬度不足且高低不均，变形大
IV区	过慢冷速区	完全未淬硬，变形小

图11 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区

9.2 分析解决淬火变形问题的硬度差异法

热处理变形中，和外力引起的变形相比，由内应力引起变形的影响因素更多，问题更复杂。为了从热处理现场的角度容易解决发生的淬火变形问题，本文作者提出了一种分析和解决这类问题的系统方法，定名为“硬度差异法”。这种方法先检测发生了淬火变形的工件上的硬度值，再由测量出的硬度差异情况，去设法调用可能的工艺参数，来解决工件的变形问题。如果对该文章感兴趣，可以从本公司的冷却技术网站上查看。下面，只介绍硬度差异法中几点不同于常规的做法和观点：

1、把所用钢材的端淬曲线加以改造，把它变成硬度－冷却速度曲线。按冷却速度由慢到快的顺序，把冷却速度划分成硬度很高、硬度足够高、硬度不足和硬度很低四个区。如图11所示。

2、淬火冷却速度过快和冷却速度不足都可能引起超差变形。其中，冷却速度不足引起的变形量更大。

3、根据工件上参与淬火变形部位的淬火硬度差异，以及实际上发生的淬火变形、淬裂等情况，可以从图12中画出对应的冷却速度带，也就确定了该冷却速度带的跨区情况。一种汽车板簧淬火后出现过大的侧弯变形和弧高变化。检测该板簧的硬度，发现硬度不足。相应的冷却速度带就应当落进不足冷速区。如图中虚线冷却速度带所示。解决这个淬火变形问题的办法是，整个提高板簧的淬火冷却速度，使板簧的淬火硬度提高到完全满足要求的程度，使相应的冷却速度带完全落入适度冷速区。如图中实线冷却速度带所示。

4、通过热处理淬火方法使工件上参与淬火变形部位的冷却速度带完全进入它的第二区，就可以消除工件的淬火超差变形。

5、依其对移动工件冷却速度带的作用方向不同，可以把至今所有解决淬火变形问题的热处理措施和方法，分成使冷却速度带左移的措施和使冷却速度带右移的措施(见表7)。在解决淬火变形问题时，可根据工件的冷却速度带的跨区情况，选用同类作用方法的措施来解决淬火变形问题。

表7 不同的热处理工艺方法对冷却速度带的影响

工艺措施		对冷却速度的影响
工艺措施		左移(提高冷速)	右移(降低冷速)
淬火加热温度	升高	√
淬火加热温度	降低		√
淬火油温度	提高	√
淬火油温度	降低		√
水或水溶液的温度	提高		√
水或水溶液的温度	降低	√
工件与介质的相对流速	增大	√
工件与介质的相对流速	减小		√
PAG淬火液的浓度	增大		√
PAG淬火液的浓度	降低	√

6、除热处理工艺方法外，热处理之前改善热处理前的预备组织、调整钢材成分，以及改换钢种等措施对解决变形问题的作用，是通过移动第2区分界线，以便把冷却速度带包含进第2区。作为例子，图13对改换钢种在解决淬火变形问题中的作用做了解释。图中，上面的是淬透性差的钢材的硬度－冷速曲线。用这种钢材制做的某种工件淬火后硬度不足，而且变形超差。检查淬火态硬度发现，其冷却速度带跨在2、3两区上。如果改用淬透性更好的钢材（对应有下面的硬度－冷速曲线），在其它条件相同的情况下，淬火后硬度满足要求，变形也不超差。原因是后一种钢材的第2区大大加宽，把工件的冷却速度带完全框进去了。

7、文章最后把解决淬火变形问题的所有措施，包括热处理工艺方面的措施、控制钢材的成分以及改换钢种的措施，加上改变零件形状尺寸的措施等分成三类。按本方法的思路，它们的作用不外是移动冷却速度带，使其完全进入第2内；移动第2区的边界，以便把冷却速度带框进第2区。如图14和图15所示。这三类措施在解决淬火变形中的作用，列于表8中。

表8 解决淬火变形所有措施分类表

类别	性质	作用
一类	热处理工艺方法	移动和收缩冷却速度带，使其完全落入第2区。
二类	钢材成分组织的控制和改换钢种	移动2区边界，把工件的冷却速度带框进去。
三类	改动零件形状和尺寸	同时改变2区分界线和移动、收缩冷却速度带，使其进入，或者被框入第2区内。

既然从零件设计、钢材的选用，热处理前的冷热加工工艺，到热处理生产的诸多措施，都会影响工件的冷却速度带和宽窄的位置，以及第2区的宽窄和位置。因此热处理变形问题往往可以同时采用诸多措施去解决。只是要注意各项措施的作用方向，避免它们相互抵消而造成浪费。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/6/2005)


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