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如何从冷却特性选用淬火介质 |
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作者：北京华立精细化工公司 张克俭 |
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选择淬火介质，应当同时兼顾到对淬火介质冷却特性、稳定性、可操作性、经济性和环保等方面的要求。在这些要求中，最重要的是淬火介质的冷却特性。本文将以推理方式入手，通过分析讨论，提出一套从冷却特性选择淬火介质的可实用的原则方法。 钢件淬火冷却，希望的效果有三：1.获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度；2.不淬裂；3.淬火变形小。选好用好淬火介质是同时获得这三项效果的基本保证。当前，国内外多以国际标准方法（ISO9950）测定，并用冷却速度曲线来表征淬火介质的冷却特性。但是，对特定工件（即在钢种、形状大小和热处理要求一定）的情况下，如何从冷却特性上去选择合适的淬火介质？在生产现场，一个淬火槽中往往要淬多种不同钢种、形状、大小和热处理要求的工件。在这种情况下，如何选定它们共同适用的一种淬火液？一般的热处理车间，为满足所有工件的热处理要求，应当配备几种淬火液？──关于这类实际生产需要解决的问题，至今研究很少。有人[1、2]做过一些工作，但都提不出系统实用的原则方法。
本文以过去工作为[4、6]基础，从讨论实际生产中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手，通过推理和实例分析，提出了对特定工件按冷却速度分布选择淬火介质的方法，并进而确定了能供多种工件淬火的一种淬火液的选择原则。
1 特定工件淬火的最低和最高冷却速度分布线
从普通机油和自来水的冷却速度分布（如图1）可以看出，普通机油的冷却速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自来水的冷却速度又太快，以致于多数钢种不能在其中淬火。在图中，自来水和普通机油之间有一个宽广的"中间地带"，只有普通机油和自来水的工厂，时常会遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻烦，原因就在这里。可以推知，对于一种这样的工件，如果将机油的冷却速度提高，该工件淬火硬度也会相应提高。我们假定，当机油的冷却速度提高到图2中带齿线水平时，该工件刚好可以得到要求的淬火硬度。无疑， 冷速更高，淬火硬度还将进一步提高。我们把它叫做允许的最低冷速分布线。同时，研究表明，自来水引起淬裂和变形，是自来水冷却太快，尤其是钢件冷到其过冷奥氏体发生马氏体转变的温度范围时受到的冷却太快的缘故。
于是又可以推知，如果能降低自来水的冷却速度，尤其是在工件冷到较低的温度以后的淬火冷却速度，就可以减小工件淬裂的危险。假定自来水冷却速度降到图3中带齿线所示的水平时，该类工件便不会再淬裂了，我们把这条线叫做此工件已确定条件下允许的最高冷速分布线。
把图2和图3合在一起，可以得到该工件能同时获得前述三项淬火效果的淬火介质的冷却速度分布范围，如图4所示。图中，只要所选的淬火介质的冷却速度分布曲线能全部落入这两条曲线之间的区域内，不管是快速淬火油还是水溶性淬火液，也不管这些淬火介质的冷却速度分布有何不同，上述工件在其中淬火都可以同时获得所希望的淬硬而又不裂的效果。
从另一角度说，有两种不同的淬火介质，它们的冷却速度分布有较大的差别。比如一种冷却速度快，快到接近允许的最高冷却速度线的水平，而另一种冷却速度慢，慢到接近图中最低冷却速度线的水平。但由于二者的冷却速度的分布都在允许的区域内，因而，二者都可以选用。或者说，对上述工件淬火冷却而言，二者能同样获得满意的淬火效果。
事实上，淬火冷却过程在使钢淬硬的同时，还会使工件发生一定程度的淬火变形。传统的观念认为，淬火冷却越快，工件的淬火硬度越高，淬火变形也越大；淬火冷却慢，淬火态硬度不高，工件的淬火变形就越小。但是，实际的情况是大多数和比较大的淬火变形是由淬火冷却偏慢，工件淬火硬度不足引起的。只有少数和较小的淬火变形是淬火冷却偏快，淬火硬度偏高引起的。由于这样的原因，本文把淬火硬度高低和淬火变形大小结合起来加以考虑。 本文作者在《解决淬火变形问题的新方法》[5]一文中，把钢的顶端淬火曲线改成钢的硬度-冷速曲线，如图5所示。由钢件的淬火硬度，可以从图上确定一个冷却速度值（指能获得该淬火态硬度的效果冷却速度）。根据特定工件淬火后的开裂、变形和硬度情况，图5中把冷却速度四个区，分别为过快冷速区，适度冷速区，不足冷速区和过慢冷速区，表中列出了工件获得的冷速在这些区域内的淬火效果。 可以看出，只有在第II，即适度冷速区冷却，工件淬火后才能获得希望的淬火三效果。
图5 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区
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
接着，该文又将已发生淬火变形，开裂以及硬度不足的工件参与淬火变形部位中冷却速度的最高值和最低值所划定的范围叫做该工件淬火时的"冷却速度带"。根据实际工件的情况和淬火方法之不同，这种冷却速度带有宽有窄。工件上各部位获得的冷却比较均匀时，其冷却速度带就比较窄；当工件上各部位获得的冷却很不均匀时，其冷却速度带就比较宽。在工件的硬度-冷速曲线上，宽的冷却速度带容易跨越不同的冷却速度区，而窄的冷却速度带则往往落入某一冷速区之内。由于冷却速度带进入第I冷速区会发生淬裂和变形，而进入第III冷速区会硬度不足且变形严重，因此，只有使工件的冷却速度带完全落入其第II冷速区，才能获得希望的淬火三效果。根据这样的道理，该文提出的解决淬火变形的方法和措施，都是使冷却速度带伸出第II区的部分完全移入第II冷速区。 用上述分析和解决淬火变形问题的方法来认识图4中划定的区域，容易看出，淬火时，进入最低冷速分布曲线以左的区域，就会出现硬度不足并发生较大的淬火变形；而若进入最大冷速分布曲线以右的区域，又会发生淬裂。于是，可以按工件的淬火效果，把图4中两条曲线分割成三个区域，从左到右分别定为第III（即不足）冷速分布区；第II（即适度）冷速分布区以及第I（即过快）冷速分布区，如图6所示。本文把这样的图线叫作工件淬火效果-冷却速度分布图线。
图6 工件的淬火效果-冷却速度分布分区图
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
2 两例分析及选择冷速分布的五原则
例一、某厂在进口的多用炉中对该厂生产的汽车齿轮进行渗碳淬火，开始选用的是美国某公司的一种分级淬火油。一年多以后，开始发现渗碳淬火态齿轮的淬火硬度有明显降低，同时淬火变形也增大。在排除其它因素的影响之后，发现所用的分级淬火油的冷却速度分布与该种新油有较大区别，如图7所示。和未经使用的新油相比，使用一年多（中间做正常补充）后的旧油，蒸气膜阶段变短、最高冷速增大、且出现最高冷速的温度大有提高。如果按过去较普遍的说法，图7中的旧油是符合"高温冷得快，低温冷得慢"的更理想的淬火油。但在这样的旧油中淬火效果却是变形更大，硬度偏低，不如比它"不理想"的新油。
用图6图线所示的方法来分析该厂出现的问题，又可以画出图8所示的图线：旧油在中低温阶段冷速低于新油，以至在这一阶段使其冷却速度曲线进入了第III（即不足）冷速区，所以淬火硬度偏低。北京华立精细化工公司对该厂旧油进行了改性添加，使该厂旧油的冷却速度分布的中低温阶段冷速提高，达到稍高于原用油新油的水平。生产应用表明，在经过这样改性的旧油中淬火后，齿轮的淬火硬度明显提高，变形量也小于或等于原用新油。
例二、辽宁某弹簧厂的一条生产线上发生过一次这样的问题：一向正常的生产线上，突然发生钢板淬火硬度偏低，变形增大事故。在寻找原因的那些天里，板簧淬火硬度又有降低，变形也进一步增大。当该厂意识到可能是淬火油有问题后，经检查，发现上述淬火硬度不足和变形过大的原因是淬火油冷却系统有一处管壁破裂，冷却水渗透进去并部分乳化在油中造成的。乳化进油中的水量高达4%。图9是该厂已进水的旧油和无水的新油之冷却速度对比。含水旧油的GM时间远高于新机油，只因其蒸气膜阶段太长，在高温阶段进入了第Ⅲ冷速分布区，因而引起淬火硬度低、变形大。对该油进行除水处理后，旧油中的水被分离和排除，油的冷却能力又得到了恢复。
从以上两个例子中可以看出，评价液体淬火介质的冷却能力高低，不能简单地看它的总的冷却烈度（H），也不能简单地看它使特定镍球从850℃冷到300℃所需的时间（GM），而应当看供选择的淬火介质的冷速分布与工件及其钢种的关系。关于从淬火介质的冷速分布作选择的原则，本文作者曾做过探讨[4]，再归纳实际生产经验，总结出以下五项选择原则：
一看钢的含碳量多少──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看。含碳量低的钢，因有可能析出先共析铁素体，且它的过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度（即所谓"鼻尖"位置的温度）较高，马氏体起点（Ms）也较高，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸气膜阶段且出现最高冷速的温度应当较高。相反，对含碳量较高的钢，淬火介质的蒸气膜阶段可以更长些，出现最高冷速的温度也相应应当低些。再从允许的最高冷速曲线上看：碳含量少的钢允许的冷速高，碳含量多的钢允许的冷速低。
二看钢的淬透性高低──先从允许的最低冷速曲线看，淬透性差的钢，要求的冷却速度快；淬透性好的钢，要求的冷却速度则慢些。同时，因随着淬透性的提高，钢的"C"曲线会向右下方移动，所以对淬透性差的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度高些；而对淬透性好的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度低些。有些淬透性好的钢，过冷奥氏体也容易发生贝氏体转变。要避开贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。再从允许的最高冷却速度值上看：淬透性低的钢允许的冷速较高，而淬透性高的钢允许的冷速较低。
三看工件的有效厚度──工件表面一冷到Ms点，立即大大减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火液散失速度也大大减慢，工件表面一定深度以内的过冷奥氏体就很难冷到Ms点以下。其结果，淬火后工件只有很薄一层马氏体组织。由于这样的原因，当工件比较厚大时，为得到足够厚的淬硬层深度，所用的淬火介质应当有较快的低温冷却速度。相反，工件薄小时，则可用低温冷速较小的淬火介质。再从允许的最高冷速分布曲线上看，厚大的工件允许的冷速高，薄小的工件允许的冷速低。
四看工件形状复杂程度──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看，形状复杂的工件，尤其是有内孔或较深凹面的工件，为减小淬火变形或需要把内孔淬硬时，应当选用蒸气膜阶段较短的淬火介质。一般说工件内孔或凹面内部散热较其它部位慢，工件其它部位冷得快，最先进入沸腾阶段而获得快冷，而内孔面尚处于蒸气膜阶段，冷却速度尚很慢。这种冷却上的差异可能引起这类工件较大的淬火变形和内孔或凹面淬火硬度低下。解决这类问题的办法是选用蒸气膜阶段较短的淬火介质。适当加大内孔部分介质的流动速度，也有同样的效果。相反，形状简单的工件，则可以使用蒸气膜阶段稍长的淬火介质。再从允许的最高冷速分布曲线看，形状复杂的工件允许的冷速低，而形状简单的工件允许的冷速高。
五看允许的变形大小──从分析解决变形问题的方法[6]推知，工件要求的变形小，淬火冷却应当有窄的冷却速度带，而允许的变形较大的，可以有宽的冷却速度带。允许的冷却速度带宽的，可以采用一般能达到淬火硬度要求的介质。在能缩短工件冷却速度带的方法中，最简单和有效的是做等温（或分级）淬火[7]。等温淬火介质应当具有的特性，首先是蒸气膜阶段短和液温变化对冷速的影响小，其次，较厚大的工件应当选用冷却速度快的介质，而较魔小的工件则可以选用冷速较慢的介质。 工件种类繁多，对淬火介质的要求是多种多样的。不同工件的要求可能相容，也可能不相容。因此，寻找"一种理想的淬火介质，能同时适用所有不同的工件"的想法，如同想寻找一种药物来包治一切疾病一样，是不现实的。
3 适用于多种工件的同一淬火介质
前面的讨论已说明，任何一种特定的工件都有自己淬火冷却的最低和最高冷速分布曲线划定的第II冷速分布区。当要在同一种淬火液中淬多种不同的工件时，又如何选择它们共同适用的一种淬火介质呢？显然，要能选出一种这样的淬火介质的先决条件，是这些工件淬火冷却的第II区的"交"，即共同适用的第II区存在并且是连贯的。图10是由两种工件的第II冷速区确定它们共同适用的第II冷速区的示意图。无疑，它们共同的第II区必然小于（等于）诸工件中最小的一个第II区。 由于共同的第II区最狭小，生产现场选出共同适用的淬火介质就不容易。
事实上，由于可用的淬火介质就那么两三种，加上又没有做合理的选择，不少工件的淬火质量并不高，尤其是截面硬度分布往往达不到要求。 那么，如何选择多种工件共同适用的同一种淬火介质呢？利用本文前面谈到的道理，下面将分别对淬火油和水性淬火剂加以研究，并提出它们各自适用的选择原则。
3.1 淬火用油的选择原则
淬火用油几乎都是有较高闪点的矿物油，这些油的比热约为自来水的1/2，导热率约为自来水的1/4，对流开始温度高，加上粘度远比水高，使淬火用油的冷却速度，尤其是低温阶段的冷却速度远比水低。 由于这样的原因，绝大多数工件在油中淬火（包括各种快速油中）没有淬裂危险，而通常担心的是油的冷却速度较低，使较厚大的工件或淬透性稍低的钢种达不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此发生较 大的变形。
为此，选用淬火用油时，往往只从各种工件的最低冷却速度分布曲线去加以考虑。
图11是几种工件要求的最低冷却速度分布。显然，只有当选定的淬火油的冷却速度分布曲线能从右边将这几种工件的最低温度冷却速度曲线包围着，这几种工件在其中淬火才能全部获得淬火冷却的三效果。 可以推知，一般说来，所选的油的蒸气膜阶段越短，对流开始温度越低，且最高冷速越大，这样的油的冷却速度曲线可能从右边包围的最低冷却速度分布曲线就越多，即适用的工件（钢种）越多。这就是适于多种工件的淬火油的选择原则。 
3.2 水溶性淬火液的选择原则
在水（及水溶液）中淬火的主要危险是淬裂，而降低水性淬火液的"300℃冷速"则可以减小这种危险。水性淬火剂（液）的"300℃冷速"越低，防止淬裂的能力就越强，因而适用的钢种和工件就越多[5]。如果将多种工件的最高冷速分布曲线画在一起，同样可以画出它们共同的第II区的右边界线，得到的也是这样的结论。 当水或水溶液液温过高时，比如通常超过60℃后，淬火冷却的蒸气膜阶段显著增长，蒸气膜相当稳定，这时用于工件淬火，冷却速度曲线容易从上方进入其第Ⅲ冷速区，从而引起淬火硬度不足和大的变形。所以，使用水性淬火液应当控制好液温，一般以平均液温不超过60℃为宜。 当淬火液的品种确定后，生产中还可以通过调节淬火液浓度、液温和与工件的相对流速来改变工件淬火时的冷却速度分布，以适应生产的需要。这方面的规律和方法可参考其它有关资料。
由上述分析可知，普通机油（如32号机油）冷却能力并不高，却可适于某些类工件淬火；普通自来水冷却很快，却仍可适于另外某些类工件淬火。由于在普通机油与自来水的冷却速度分布曲线之间有很宽广的空白地带，只配备普通机油和自来水是不够的。那么，一般机械厂的热处理车间应当配备哪几种淬火液，才能满足大多数工件的淬火需要呢？根据前面的分析讨论，建议为普通热处理车间配备以下四种淬火液（槽）：
1.将普通机油换成一种快速淬火油，其冷却特性应为：淬火冷却的蒸气膜阶段短，对流开始温度低，且最高冷速大。
2.一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液，其30℃液温，不搅动情况下的300℃冷速在20～30℃/s之间。
3.一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液，其30℃液温，不搅动情况下的300℃冷速在50～70℃/s之间。
4.自来水
如果所处理的工件种类不太多，也可以用一种300℃冷速在30～50℃/s之间的水溶性淬火液代替2、3两种淬火液，即共配制三种淬火液（槽）。
4 结论──从冷却速度选择淬火介质的原则
通过本文的分析可以说明：
1.为什么同一种工件可以在多种不同冷却特性的淬火介质中淬火而都达到该工件的热处理要求。
2.为什么多种不同的工件可以在同一种淬火介质中淬火而都达到各自的热处理要求。
3.特定工件选择淬火介质应同时从五方面加以考虑：一看钢的碳含量多少，二看钢的淬透性高低，三看工件的有效厚度，四看工件的形状复杂程度，五看允许的变形大小。
4.对淬火用油，从冷却速度分布上看，它的蒸气膜阶段越短，对流开始温度越低，最高冷速越大，则该种油适用的钢种和工件就越多。
5.对水性淬火液，从冷却速度分布曲线上看，它的300℃冷却速度越低，则它适用的钢种和工件就越多。
参考文献：
[1]Karl-Erik Thelning.所测淬火烈度与淬火件硬度分布的关系-IFHT的任务之四.第五届国际材料热处理年会译文集，《金属热处理》编辑部选译，机械工人出版社，1988，（9）：366-368.
[2]S.O.Segerberg.Classification of quench oils:a method of comparison.Heat Treating,1989,No.12:30-33.
[3]Chartes E.Bates.ASM HandbookTM,Volume 4,Heat Treating,1990:96-98.
[4]张克俭.淬火用油的分型定级[J].金属热处理，1992，（8）：50-53上有部分内容，全文登在北京华立精细化工公司.淬火介质的特性和用法技术，第一辑.1993，10.
[5]张克俭.水溶性淬火剂定级方法探讨[J].金属热处理，1995，（3）：23-24.
[6]张克俭.解决淬火变形问题的新方法[J].金属热处理，1997，（6）.该论文经修改完善后定名为"解决淬火变形问题的硬度差异法".
[7]张克俭.解决淬火变形问题的硬度差异法.汽车齿轮，2000，（2）：16-32(end)
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(6/27/2005) |
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