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浆状冷却介质的特性和用途 |
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内容摘要 研究了以水和细小粘土粉末等固体颗粒混合而成的浆状介质的稳定性、冷却特性及其影响因素。比较发现，浆状介质具有高于风冷而又低于普通机油的冷却速度，可用于一些高合金钢的淬火冷却、铝合金固溶处理，也可用于结构钢工件做等温正火的冷却。提出了两种新的淬火冷却方法：(1)先水或水溶液而后浆状介质的双介质淬火方法，(2)工件在浆状介质中先做摆动以加快冷却，而后再停止摆动以防止淬裂的淬火方法。浆状介质完全不污染环境，使用浆状介质成本极低，值得推广应用
本文所指的浆状介质，是在水（或其他液体）中加入质量比例达20％以上的不溶解的固体粉末，并经搅拌而成的悬浊液，本文中也简称为浆液。这种介质的冷却特性是，蒸汽膜冷却阶段可以持续到相当低的温度，而后的沸腾阶段的冷却速度又远比自来水相同温度的冷却速度低。这种介质的冷却特性可以在一定范围内调整。当处于静止状态时，浆状介质总的冷却速度大致可以降低到风冷和油冷之间，这正好填补了常用冷却介质中，冷却速度低于普通机油而又快于普通风冷中间的空白。浆状介质不燃烧，淬火时无烟气，淬火后的工件一般可不清洗或只用清水稍做冲洗就十分干净。使用中除补充一些水外，浆状介质几乎没有什么消耗。浆状介质可以直接排放，完全不污染环境。
本文介绍了作者研究浆状介质的成果，包括浆状介质的组成和配制，浆状介质的冷却特性及其影响因素。文章最后把浆状介质单独用或与其他介质配合用，开发了几类全新的热处理冷却技术，包括能获得高于风冷但又低于普通机油的冷却速度的技术，能部分代替淬火油和水溶性淬火液的技术，快速正火技术和能代替水淬油冷的技术等。浆状介质的应用涉及高速钢、固溶加热铝合金、合金结构钢、碳素钢直到低碳钢。 我们认为，浆状介质的使用，可能把淬火油和PAG淬火介质等水溶性介质部分地代换下来。
1 对浆状介质的研究经过
10年前，在研究不同介质的冷却特性时，作者曾经配制了几种水的黄泥浆和油的黄泥浆，用ivf仪测量过它们的冷却特性。从测量结果看，它们都以蒸汽膜阶段特别长，沸腾出现的温度特别低为特点。因为当时未遇到合适的用途，就没有做进一步的研究。
近几年来，随着对冷却介质研究面加宽，我们发现，在一般条件下容易获得的冷却介质 ，如果按由慢到快的冷速排列，可以得到如下的排序：
静止空气－风冷－普通机油－快速油－水溶性介质－自来水－低浓度碱水或盐水－喷流水。
比较发现，在这一排序中，一般能够获得的风冷冷速总是远低于普通机油的冷速。也就是说，在风冷到普通机油之间，还存在一段空缺。在向各地用户工厂作技术咨询中，也常有人问到：是否能提供比普通机油慢而又比一般风 冷快的介质？出于这方面的需要，从2000年初起，我们再次把注意力转到泥浆上， 从而对浆状介质做了进一步较全面的研究。
2 浆状介质的组成和特性
这里所说的浆状介质是由液体和在其中不溶解的固体粉末混和而成的悬浊液。可用的液体首选自来水，也可以用矿物油或其他液体。可选用的固体粉末的材料应当有很高的化学稳定性，保证在使用过程中不发生化学变化。在使用过程中，这些粉末的颗粒应当不会互相粘连，且也不会粘连到钢件和所接触的容器和管道上。同时要求粉体材料价廉，且不污染环境。
细粒粘土，尤其是重质粘土都可以选用。对新取的粘土须作一次烘烧，以去除其中的草根等有机杂质。然后将粘土打成细粉。最后是过筛，选用粒度适合部分作为配制浆状介质的粉体材料。为保证粒度均匀稳定，在没有合适粘土粉体材料时，也可以采用滑石粉等。
浆状介质中粉体材料的量（按质量分数计）通常在20％～60％范围内选用。粉末含量过低，冷却的蒸汽膜阶段过短，得不到低于普通机油的冷却速度。粉末含量过高，浆状介质的流动性差，不利于使用。
配制浆状介质的办法很简单，按质量比备料，在槽子中通过搅拌混合成浆状就成了。可以用液体比重仪测量和控制浆状介质的固体粉末含量。
混合好的浆状介质是选定的液体中不溶固体颗粒的悬浊液。液体是它的分散介质，不溶颗粒是它的分散相。悬浊液不同于真溶液，也不同于胶体。悬浊液中分散相颗粒的一般大小在10－7～10－3m范围。胶体中分散相微粒大小在 10－9～10－7m；而真溶液溶解的是溶质的分子。真溶液和胶体都是透明而稳定的，而悬浊液则是不透明而易分层的。悬浊液中的固体颗粒是通过搅拌而悬浮起来的。颗粒比较细时，悬浊液分层慢些。
固体颗粒的质量分数比不太高时，悬浊液有较好的流动性，可以通过泵和管道象水一样进行输送。这一特点使悬浊液可以象油和水一样做搅动、循环和加热或冷却。由于它的分散介质是水，循环冷却中也就不会象融熔盐那样发生凝固而堵塞管路。
3 浆状介质的冷却特性
3.1 在浆状介质中冷却
观察在浆状介质中冷却红热钢件的过程，我们能够看到的状况是： 浸入介质后，钢件冷却的初期，浆状介质表面会显得很平静。如果钢件上部露在介质外，此时在浆状介质与红热钢件相接触部位，可以看到介质完全不能浸润钢件，钢件是被一层气体包围着的。在这一阶段把钢件从浆状介质中提出来，钢件会非常干净，表面完全不会带粉末污迹。一旦到发现有气体从介质表面突然冲出，这一阶段就结束了。
从有气体冲出起就进入了在浆状介质中冷却的第二阶段。从表面看，气体冲出与玉米面糊糊沸腾时的状况很相似。气体冲出一旦开始就迅速加剧。经过其最激烈冲气沸腾后，冲出的气体逐渐减少，直至停止冲气。在这一阶段把钢件提出，工件会有介质粉末带出。
冲气停止后，继续冷却钢件 ，介质表面又归于平静。这时候提出钢件，看到的将是粘满粉末浆的表面。由于配制浆状介质用的固体颗粒不会相互粘连，也不会粘连到钢件表面，用少量的水一冲，就能将附在表面的粉浆冲掉。
图1是用ivf仪测量出的，典型的浆状介质的冷却特性曲线，可以用它来介绍在浆状介质中的冷却的特点。
图1的冷却特性与普通的淬火油、自来水和水溶性淬火液的冷却特性有很大差异。其特点是：蒸汽膜冷却阶段从高温延伸到约400℃，随后进入沸腾冷却阶段，最后在100℃附近进入对流冷却阶段。其蒸汽膜阶段的冷却速度不高，且是随钢件的温度降低而逐渐减慢的。沸腾开始后，冷却速度再增大。在图1中，沸腾的最大冷却速度出现在300℃附近，但最大冷却速度只有35℃/s,仍然远低于相同条件下在自来水中淬火时的300℃冷却速度（大约90℃/s）。沸腾期结束后，进入冷却的对流阶段。由于浆液流动性差，其对流阶段的冷却速度也低于自来水的对流阶段的冷却速度。
图1所示的冷却特性曲线上，有几个指标可以说明它的特征。这几个指标是：首要指标是蒸汽膜阶段与沸腾阶段交界点的温度，即蒸汽膜阶段的长度；第二是蒸汽膜阶段的冷却速度大小。第三是沸腾阶段的最高冷却速度及其对应的温度。
和上面外观描述的状况相对照，图1中的蒸汽膜阶段对应的是冷却初期比较平静的阶段，沸腾阶段对应的是从浆状介质中冲出气体的阶段，而对流阶段对应的是停止冲出气体后继续冷却的阶段。
3.2 特殊冷却特性的成因
和自来水或油中冷却相比，在浆状介质中冷却有：蒸汽膜阶段特别长，蒸汽膜阶段的冷却速度更快，和沸腾阶段的冷却速度比自来水慢等三个特点。可以认为，这种特殊性是由以下几方面的原因引起的：A.浆状介质的流动性差，通过对流散热速度慢。这将使蒸汽膜更稳定，并使沸腾阶段的冷却速度降低。B.在蒸汽膜冷却阶段，来自工件的热辐射在浆液层受到固体颗粒的反射和遮挡，其结果，使辐射加热层的温差加大，且被加热层变薄。这些都有稳定蒸汽膜的作用。C.形成蒸汽膜失去水份后，包围蒸汽膜的浆液表面层浓度会增高。浓度增高引起的遮挡作用增大，并使表层粘度增大而流动性更差。这都有稳定蒸汽膜的作用。D.由于固体粉末的存在，单位体积中水的量必然比单纯自来水少。由于固体粉末材料的比热远小于水，使单位体积的热容比水低。这样，在蒸汽膜阶段和沸腾阶段，受到工件接触加热和辐射加热的浆液的温度容易升高。其结果，蒸汽膜将会更稳定，沸腾阶段的冷却速度会更低。E.浆液的密度也大于水，在相同介质深度上，浆液的压强必然高于水和水溶液。压强高，水沸腾温度会有所提高，水汽化就更困难些。因压强大的原因，在蒸汽膜阶段，相同深度的蒸汽膜要薄一些，蒸汽膜内的水蒸气密度要大一些。其结果，工件获得的冷却速度就高一些。在沸腾冷却阶段，由于气泡涨大要做更多的功，随着深度的增加，水的沸点增高，沸腾的激烈程度变弱，沸腾阶段的冷却速度就低一些。
4 浆状介质的稳定性
用自来水和泥土或其他无机矿物粉末配制的浆状介质，作为淬火介质在化学上都是非常稳定的。这里所说的稳定性专指的是悬浊液中固体颗粒必然发生的沉降所引起的问题。
悬浊液不稳定，放置中悬浮的固体颗粒会发生沉降。发生沉降后，不同深度上的介质浓度不同将造成相应的冷却特性差异。
一般都用自来水配制浆状介质。组成分散介质的粉状物质，它的密度高低和粒度大小对浆状介质的稳定性也有重要影响。
如果作为自由沉降来处理，则液体的密度ρ1、粒子的密度ρ2、粒子的直径d 、液体的粘度η和粒子的沉降深度V之间有以下关系：
V ∝ d2（ρ2- ρ1）/η （1）
因为沉降速度与粒子直径的平方成正比，粒子的大小对沉降速度影响最大。减小粒子直径则可以大大提高介质的稳定性。（ρ2- ρ1）是液体和粒子材料的密度差。密度差越小，沉降速度越低。液体的粘度越大，粒子的沉降速度就越慢。
满足各方面要求的粉体都是一些无机矿物，它们的密度一般多在2.2～3.0g/cm3范围。表1列出了几种典型固体物料的密度值。它们的密度都比水大，因此发生的总是分散相下沉。白土容易分散在水中，因此它的浆液稳定性较好。一般说，选用较细的泥或粉体作为分散相，浆状介质就有足够的稳定性，在正常生产条件下，即使几十分钟不搅动，也看不出明显的分层现象。只有因停止生产，浆状介质较长时间不搅动，才可能发生明显的分层。加入少量分散剂也能提高浆液的稳定性。表1 典型固体物料的密度值
| 固体名称 | 碳酸钙 | 滑石粉 | 粘土 | 高岭土（白土） | | 密度/g·cm-3 | 2.93 | 2.7-2.8 | 2.2 | 2.5-2.6 |
5 影响浆状介质冷却特性的因素
5.1 分散相粒子大小对冷却特性的影响
分散相粉末的粒度大小对浆状介质的冷却特性有较大影响。在相同的质量分数比浓度下，固体颗粒大的和固体颗粒小的浆液，冷却特性的差别为：颗粒大的，冷却的蒸汽膜阶段短，沸腾开始温度高，且沸腾的冷却速度也高；而颗粒小的蒸汽膜阶段长，沸腾开始温度低，沸腾的冷却速度也低。图2是3种粒度的浆状介质在相同浓度和相同液温下的冷却 特性曲线。容易看出，颗粒大小 对蒸汽膜阶段长短和沸腾冷却的 快慢有很大影响。随着颗粒直径 的减小，沸腾开始温度会持续下降。
此外，固体颗粒越细，悬浊液就越不容易分层，不同部位的冷却特性差就越小。
为了排除粉体颗粒大小对浆液稳定性和冷却特性的影响，我们选定了有确定粒度（1250目）的滑石粉来配制试验用浆状介质。因此，以下选用的试验数据，都出自粒度为1250目的滑石粉配制的浆液。
5.2 分散相浓度高低的影响
图3和图4分别是粒度为1250目的滑石粉配制的浆状介质，在液温20℃和80℃时，分散相质量百分比（即浓度）对冷却特性的影响。图中， a图是冷却速度曲线对比，b图是冷却过程曲线对比，。可以看出，浓度越高，蒸汽膜阶段越长。浓度越高，蒸汽膜阶段的冷却速度越低。同时，浓度越高，沸腾阶段的开始温度越低，沸腾的最高冷却速度值也越小。
浓度变化对浆状介质冷却特性有明显影响。这说明改变浓度可以获得不同冷却特性的浆状介质，去适应不同的需要。
5.3 介质温度对冷却特性的影响
滑石粉粒度为1250目的浆状介质 ，当浓度为35％和50％时，液温度变化对冷却特性的影响分别如图5和图6所示。容易看出，这种影响的大致趋势是：液温升高蒸汽膜阶段就增长。但值得注意的是，液温不相同时，蒸汽膜阶段的冷却速度值却相差不大。另外，沸腾阶段的冷却特性变化趋势是：随液温增高，冷却速度是降低的，但变化也不大。而沸腾阶段最高冷却速度出现的温度则基本不受液温高低的影响。
总的说：液温变化对浆状介质冷却特性的影响相当小。应当说，这是浆状介质的一大优点。它表明，使用中浆状介质的浓度一定时，介质的平均液温高低，以及同一槽中不同部位的液温差别对冷却的均匀性影响不大。这个特性使我们容易获得均匀的冷却效果。
5.4 相对流速对冷却特性的影响
通过搅动或使介质流动，都能使介质与工件之间发生相对运动，造成一定的相对流速。轻微搅动对浆状介质的冷却特性影响很小。但是，当搅动速度加大时，会使包围工件的蒸汽膜变薄，因而能加快蒸汽膜阶段的冷却速度。如图7中曲线3 所示。容易看出，静止和中等强力搅动获得的冷却速度差别很大。更大的相对流速会将包围工件的蒸汽膜会冲破而提早进入沸腾阶段，从而使冷却速度大大提高。如果采取先强力搅动而后再静止下来的方法在浆状介质中冷却工件，就可以获得高温冷得快而低温冷得慢的理想效果。因为浆状介质的粒度、浓度和可以采取的搅动强力程度可以调整，把搅动和静止结合，可以创造出很多种特性各异的冷却介质。
5.5 其他因素对冷却特性的影响
除了用水外，如果有特殊要求，也可以选用其他液体。所选液体的密度、饱和蒸汽压大小、粘度和沸点高低等可能影响浆状介质的冷却特性。密度和粘度的影响已在全面讨论过。 在浆状介质中加入少量的起泡剂，可以使产生的蒸汽膜更稳定，从而大大延长冷却的蒸汽膜阶段。相反，加入少量的消泡剂，则有缩短冷却的蒸汽膜阶段的作用。所用液体材料的沸点高低对浆状介质的冷却特性也有影响。沸点高的，介质冷却的对流开始温度就越低。相反，就越高。液体中溶解一定量的盐，可以提高它的沸点温度，结果将缩短浆状介质的蒸汽膜阶段，并提高沸腾阶段的冷却速度。
6 浆状介质的用途简介
6.1 浆状介质的冷却特性填补了一项空白
在一般生产现场，要获得高于风冷而又低于普通机油的冷却速度是不容易的，而浆状介质则正好填补了这一空白。图8是中速风冷、N32普通机油冷却以及液温20℃时55％的细滑石粉和液温40℃的45％的细滑石粉浆液的冷却特性对比。可以看出，不同浓度的浆状介质，可以获得风冷到普通机油之间的不同的冷却速度，能满足冷却速度在这一范围的不同需要。
用水配制的浆状介质化学稳定性高，使用中完全不会变质。除在冷却特性方面能满足上述要求外，还具备了使用中几乎没有消耗，生产成本低，根本不会燃烧，生产中只产生一些水蒸气，完全不污染环境等一系列的优点。
6.2 浆状介质的使用特点
（1） 只用它的蒸汽膜冷却阶段：和其他淬火介质的冷却特性不同，浆状介质的冷却特性以蒸汽膜阶段特别长为特点，因此，我们首先 考虑使用它的蒸汽膜阶段来冷却钢件。选用较细的粉体和较高的粉体浓度，蒸汽膜阶段可以延长到钢 件冷却到300℃以下温度，其冷却速度比油冷低比风冷高。这可能适合于某些高合金钢类工件淬火冷却之用。考虑到蒸汽膜阶段之后的沸腾冷却阶段冷速较高，在这种用途中，工件冷却到开始沸腾的温度 之前，必须从浆状介质中提取出来在空气中缓冷，以免发生淬裂。好在浆状介质中冷却较油缓慢，有足够的时间进行这种操作。在发生沸腾之前取出工件的另一个好处是，提出时工件表面非常干净，完全没有泥粉粘连。
（2）只用它的沸腾冷却阶段： 浆状介质的沸腾阶段出现在相当低的温度，且沸腾阶段的冷却速度远低于自来水相同工件温度时的冷却速度。这一特点使浆状介质可以作为淬火冷却的较低温度阶段的冷却介质来使用。
（3）全程使用 ：有些场合，经过高温阶段在蒸汽膜包围下冷却后，钢的组织转变已经完成，沸腾阶段的却速度高低也无关紧要了。这种情况下，可以在浆状介质中一冷到底。
后两种用途中，因工件在沸腾冷却阶段之后才从浆状介质中取出，工件表面难免要带出一些浆液。但这些浆液用少量自来水一冲就能去除干净。用水冲洗能把带出的浆液回收进冷却槽中。
6.3 浆状介质的可能用途
在可能查阅到的书刊中，一直没有使用到浆状介质的热处理方法[1－3]的报道，最近国外才有人提到与本文相似的浆状介质，但指出仅可能用于高合金钢的淬火冷却[4]。
（1） 求高中温阶段冷却缓慢的高合金钢的淬火冷却：比如，高速钢冷作模具钢等类材料制的工件，它们需要比普通机油慢的冷却介质。这类用途中，工件必须在进入沸腾冷却阶段之前从浆液中取出。这一用途国外已有介绍（4 ）。
（2） 对某些种类的高合金钢，浆状介质还可以作为分级冷却的替代品，而得到简化操作并减小变形的效果。
（3） 铝合金的淬火冷却。沸腾开始温度在约500℃附近，而最高冷速出现在300℃～400℃之间的浆状介质，适于这类场合使用。
（4） 用水淬－浆液冷却代替水淬－油冷 水淬油冷是众所周知热处理方法。水淬油冷存在的问题有：出水时间不好掌握，早了淬不硬，迟了又怕淬裂；油的冷却速度过慢，不宜淬较大的工件；工件把水带进油中会使油的特性变坏。如果采用水淬－浆液冷却代替水淬油冷，可以根据所处理工件的情况，选择浆液的浓度，以获得适快的沸腾阶段冷却速度，使工件出水的时间就可以再早一点，也同样可以淬硬。这样，工件的出水时间范围就可以放宽些，操作上也就容易些。由于水是浆状介质的组份，不会影响浆状介质的特性。少量水的带入正好补充了浆液在使用中的部分水消耗，也是一件好事。按同样的道理，再把这种方法扩展成水溶液－浆液的双介质淬火方法，可以用不同的水性淬火液，以获得浆液冷却之前不同的冷却速度，以适应不同的热处理需要。可选用的水溶液包括低浓度的盐水或低浓度的碱水，用以获得超过自来水的高温阶段冷却速度，然后在在选定的浆液中冷却。盐的加入还可以减小液温变化对冷却特性的影响，使适合于处理形状较复杂和有较深内孔的工件。水溶液也包括不同浓度的PAG淬火液，可以使高温阶段的冷却速度不至太高。因为浆液中的水可以是盐水，这类方法也适宜盐浴炉加热后工件淬火，即采用先水后浆液淬火法。
（5） 结构钢件的快速正火 为了获得好而又均匀的预备组织，现在正推广使用的等温正火（也叫等温退火）方法。当前使用的等温退火炉中，快速冷却采用的是风冷。风冷有它的优点，但风冷的速度不够快，且均匀性也不一定很好。
浆状介质冷却可以获得比风冷快的冷却速度，冷却的均匀性也好，使用中不会有大的声响，因此可以采用浆状介质冷却，来代替当前采用的风冷。
在热处理车间，可以配备一个带搅拌装置和循环冷却装置的浆状介质冷却槽。对原来出炉后通过零散或堆放冷却作正火的工件，改在浆状介质槽中冷却，既可以提高正火的质量，又能提高生产效率。
（6） 采用搅动加停止的方法使用浆状介质用一定的方法，在淬火冷却的高温和高温阶段，通过搅动浆液或工件自身运动，使浆液处于相对流动状态，而到了停止搅动，使工件得以缓慢冷却。不同浓度的浆液，通过动停结合，可以工件冷却的低温阶段，比如到了所处理钢材过冷奥氏体的Ms温度附近，获得相当于普通机油到快速淬火油的冷却效果。这种淬火方法，既能保证工件淬硬，又能防止工件淬裂并减小变形。
在某些能够满足使用条件的场合，通过选择浆液的液体成分，比如用自来水、盐水等，可能把当前广泛使用的淬火油和水溶性淬火机取代掉。
6.4 浆状介质的用途覆盖范围
如果只在静止状态使用浆状介质，常用介质冷却速度由低到高的次序排列为： 静止空气－风冷－静止的浆状介质－普通机油－快速油－水溶性介质－ 自来水－低浓度碱水或盐水－喷流水 其中，浆状介质只填补了风冷到普通机油冷却之间的空白。如果把本文上面发明的处理方法加上去，浆状介质涉及到的冷却速度范围和应用范围将大大加宽，如表2所示。表2 浆状介质的使用可能覆盖的范围
| 冷却速度大小 | 冷却介质的种类 | 淬火方法 | | 浆状介质单独用 | 与其它介质配合用 | | 冷却速度排序 | 小
∣
↓
大 | 静止空气
风冷
浆状介质（静止）
普通机油
快速油
PAG淬火液
自来水
低浓度盐水 | 搅动加静止 | 先水溶液后浆状介质 |
本公司郝学志、肖金山、邵一泉和范青乐参加了部分试验测试工作，在此一并表示感谢。
参考文献:
[1] 雷廷权，傅家骐编，金属热处理工艺方法500种[M]，北京，机械工业出版社，1998·10
[2] 中国机械工程学会热处理专业分会热处理手册编委会编，热处理手册[M]，第3版，第1卷，北京，机械工业出版社，2001，2，98～148.
[3] 中国机械工程学会热处理专业分会热处理手册编委会编，热处理手册[M]，第3版，第3卷，北京，机械工业出版社，2001，4，710～733.
[4] Paul Stratton .A Water-based Quenchant for High Alloy Steels, Metallurgia[J],2001(2);9(end)
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(6/27/2005) |
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