如何從淬火冷卻特性選擇淬火介質

時間：2013-06-09 10:41:03 來源：作者：

選擇淬火介質，應當同時兼顧到對淬火介質冷卻特性、穩定性、可操作性、經濟性和環保等方面的要求。在這些要求中，最重要的是淬火介質的冷卻特性。本文將以推理方式入手，通過分析討論，提出一套從冷卻特性選擇淬火介質的可實用的原則方法。鋼件淬火冷卻，希望的效果有三：1.獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度；2.不淬裂；3.淬火變形小。選好用好淬火介質是同時獲得這三項效果的基本保證。當前，國內外多以國際標準方法（ISO9950）測定，并用冷卻速度曲線來表征淬火介質的冷卻特性。但是，對特定工件（即在鋼種、形狀大小和熱處理要求一定）的情況下，如何從冷卻特性上去選擇合適的淬火介質？在生產現場，一個淬火槽中往往要淬多種不同鋼種、形狀、大小和熱處理要求的工件。在這種情況下，如何選定它們共同適用的一種淬火液？一般的熱處理車間，為滿足所有工件的熱處理要求，應當配備幾種淬火液？──關于這類實際生產需要解決的問題，至今研究很少。有人[1、2]做過一些工作，但都提不出系統實用的原則方法。

本文以過去工作為[4、6]基礎，從討論實際生產中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手，通過推理和實例分析，提出了對特定工件按冷卻速度分布選擇淬火介質的方法，并進而確定了能供多種工件淬火的一種淬火液的選擇原則。

1 特定工件淬火的最低和最高冷卻速度分布線

從普通機油和自來水的冷卻速度分布（如圖1）可以看出，普通機油的冷卻速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自來水的冷卻速度又太快，以致于多數鋼種不能在其中淬火。在圖中，自來水和普通機油之間有一個寬廣的"中間地帶"，只有普通機油和自來水的工廠，時常會遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻煩，原因就在這里。可以推知，對于一種這樣的工件，如果將機油的冷卻速度提高，該工件淬火硬度也會相應提高。我們假定，當機油的冷卻速度提高到圖2中帶齒線水平時，該工件剛好可以得到要求的淬火硬度。無疑，冷速更高，淬火硬度還將進一步提高。我們把它叫做允許的最低冷速分布線。同時，研究表明，自來水引起淬裂和變形，是自來水冷卻太快，尤其是鋼件冷到其過冷奧氏體發生馬氏體轉變的溫度范圍時受到的冷卻太快的緣故。

于是又可以推知，如果能降低自來水的冷卻速度，尤其是在工件冷到較低的溫度以后的淬火冷卻速度，就可以減小工件淬裂的危險。假定自來水冷卻速度降到圖3中帶齒線所示的水平時，該類工件便不會再淬裂了，我們把這條線叫做此工件已確定條件下允許的最高冷速分布線。

把圖2和圖3合在一起，可以得到該工件能同時獲得前述三項淬火效果的淬火介質的冷卻速度分布范圍，如圖4所示。圖中，只要所選的淬火介質的冷卻速度分布曲線能全部落入這兩條曲線之間的區域內，不管是快速淬火油還是水溶性淬火液，也不管這些淬火介質的冷卻速度分布有何不同，上述工件在其中淬火都可以同時獲得所希望的淬硬而又不裂的效果。

從另一角度說，有兩種不同的淬火介質，它們的冷卻速度分布有較大的差別。比如一種冷卻速度快，快到接近允許的最高冷卻速度線的水平，而另一種冷卻速度慢，慢到接近圖中最低冷卻速度線的水平。但由于二者的冷卻速度的分布都在允許的區域內，因而，二者都可以選用。或者說，對上述工件淬火冷卻而言，二者能同樣獲得滿意的淬火效果。

事實上，淬火冷卻過程在使鋼淬硬的同時，還會使工件發生一定程度的淬火變形。傳統的觀念認為，淬火冷卻越快，工件的淬火硬度越高，淬火變形也越大；淬火冷卻慢，淬火態硬度不高，工件的淬火變形就越小。但是，實際的情況是大多數和比較大的淬火變形是由淬火冷卻偏慢，工件淬火硬度不足引起的。只有少數和較小的淬火變形是淬火冷卻偏快，淬火硬度偏高引起的。由于這樣的原因，本文把淬火硬度高低和淬火變形大小結合起來加以考慮。本文作者在《解決淬火變形問題的新方法》[5]一文中，把鋼的頂端淬火曲線改成鋼的硬度-冷速曲線，如圖5所示。由鋼件的淬火硬度，可以從圖上確定一個冷卻速度值（指能獲得該淬火態硬度的效果冷卻速度）。根據特定工件淬火后的開裂、變形和硬度情況，圖5中把冷卻速度四個區，分別為過快冷速區，適度冷速區，不足冷速區和過慢冷速區，表中列出了工件獲得的冷速在這些區域內的淬火效果。可以看出，只有在第II，即適度冷速區冷卻，工件淬火后才能獲得希望的淬火三效果。

圖5 按淬火冷卻速度大小將端淬曲線分成四個區
分區名稱區內淬火效果
I區過快冷速區硬度高、淬裂、變形
II區適度冷速區硬度高而均勻、無淬裂、變形小
III區不足冷速區硬度不足且高低不均，變形大
IV區過慢冷速區完全未淬硬，變形小

接著，該文又將已發生淬火變形，開裂以及硬度不足的工件參與淬火變形部位中冷卻速度的最高值和最低值所劃定的范圍叫做該工件淬火時的"冷卻速度帶"。根據實際工件的情況和淬火方法之不同，這種冷卻速度帶有寬有窄。工件上各部位獲得的冷卻比較均勻時，其冷卻速度帶就比較窄；當工件上各部位獲得的冷卻很不均勻時，其冷卻速度帶就比較寬。在工件的硬度-冷速曲線上，寬的冷卻速度帶容易跨越不同的冷卻速度區，而窄的冷卻速度帶則往往落入某一冷速區之內。由于冷卻速度帶進入第I冷速區會發生淬裂和變形，而進入第III冷速區會硬度不足且變形嚴重，因此，只有使工件的冷卻速度帶完全落入其第II冷速區，才能獲得希望的淬火三效果。根據這樣的道理，該文提出的解決淬火變形的方法和措施，都是使冷卻速度帶伸出第II區的部分完全移入第II冷速區。用上述分析和解決淬火變形問題的方法來認識圖4中劃定的區域，容易看出，淬火時，進入最低冷速分布曲線以左的區域，就會出現硬度不足并發生較大的淬火變形；而若進入最大冷速分布曲線以右的區域，又會發生淬裂。于是，可以按工件的淬火效果，把圖4中兩條曲線分割成三個區域，從左到右分別定為第III（即不足）冷速分布區；第II（即適度）冷速分布區以及第I（即過快）冷速分布區，如圖6所示。本文把這樣的圖線叫作工件淬火效果-冷卻速度分布圖線。

圖6 工件的淬火效果-冷卻速度分布分區圖
分區名稱區內淬火效果
I區過快冷速區硬度高、淬裂、變形
II區適度冷速區硬度高而均勻、無淬裂、變形小
III區不足冷速區硬度不足且高低不均，變形大

2 兩例分析及選擇冷速分布的五原則

例一、某廠在進口的多用爐中對該廠生產的汽車齒輪進行滲碳淬火，開始選用的是美國某公司的一種分級淬火油。一年多以后，開始發現滲碳淬火態齒輪的淬火硬度有明顯降低，同時淬火變形也增大。在排除其它因素的影響之后，發現所用的分級淬火油的冷卻速度分布與該種新油有較大區別，如圖7所示。和未經使用的新油相比，使用一年多（中間做正常補充）后的舊油，蒸氣膜階段變短、最高冷速增大、且出現最高冷速的溫度大有提高。如果按過去較普遍的說法，圖7中的舊油是符合"高溫冷得快，低溫冷得慢"的更理想的淬火油。但在這樣的舊油中淬火效果卻是變形更大，硬度偏低，不如比它"不理想"的新油。

用圖6圖線所示的方法來分析該廠出現的問題，又可以畫出圖8所示的圖線：舊油在中低溫階段冷速低于新油，以至在這一階段使其冷卻速度曲線進入了第III（即不足）冷速區，所以淬火硬度偏低。北京華立精細化工公司對該廠舊油進行了改性添加，使該廠舊油的冷卻速度分布的中低溫階段冷速提高，達到稍高于原用油新油的水平。生產應用表明，在經過這樣改性的舊油中淬火后，齒輪的淬火硬度明顯提高，變形量也小于或等于原用新油。

例二、遼寧某彈簧廠的一條生產線上發生過一次這樣的問題：一向正常的生產線上，突然發生鋼板淬火硬度偏低，變形增大事故。在尋找原因的那些天里，板簧淬火硬度又有降低，變形也進一步增大。當該廠意識到可能是淬火油有問題后，經檢查，發現上述淬火硬度不足和變形過大的原因是淬火油冷卻系統有一處管壁破裂，冷卻水滲透進去并部分乳化在油中造成的。乳化進油中的水量高達4%。圖9是該廠已進水的舊油和無水的新油之冷卻速度對比。含水舊油的GM時間遠高于新機油，只因其蒸氣膜階段太長，在高溫階段進入了第Ⅲ冷速分布區，因而引起淬火硬度低、變形大。對該油進行除水處理后，舊油中的水被分離和排除，油的冷卻能力又得到了恢復。

從以上兩個例子中可以看出，評價液體淬火介質的冷卻能力高低，不能簡單地看它的總的冷卻烈度（H），也不能簡單地看它使特定鎳球從850℃冷到300℃所需的時間（GM），而應當看供選擇的淬火介質的冷速分布與工件及其鋼種的關系。關于從淬火介質的冷速分布作選擇的原則，本文作者曾做過探討[4]，再歸納實際生產經驗，總結出以下五項選擇原則：

一看鋼的含碳量多少──先從允許的最低冷卻速度分布曲線上看。含碳量低的鋼，因有可能析出先共析鐵素體，且它的過冷奧氏體最易發生珠光體轉變的溫度（即所謂"鼻尖"位置的溫度）較高，馬氏體起點（Ms）也較高，為了使這類鋼制的工件充分淬硬，所用的淬火介質應當有較短的蒸氣膜階段且出現最高冷速的溫度應當較高。相反，對含碳量較高的鋼，淬火介質的蒸氣膜階段可以更長些，出現最高冷速的溫度也相應應當低些。再從允許的最高冷速曲線上看：碳含量少的鋼允許的冷速高，碳含量多的鋼允許的冷速低。

二看鋼的淬透性高低──先從允許的最低冷速曲線看，淬透性差的鋼，要求的冷卻速度快；淬透性好的鋼，要求的冷卻速度則慢些。同時，因隨著淬透性的提高，鋼的"C"曲線會向右下方移動，所以對淬透性差的鋼，要求介質出現最高冷卻速度的溫度高些；而對淬透性好的鋼，要求介質出現最高冷卻速度的溫度低些。有些淬透性好的鋼，過冷奧氏體也容易發生貝氏體轉變。要避開貝氏體轉變，也要求有足夠快的低溫冷卻速度。再從允許的最高冷卻速度值上看：淬透性低的鋼允許的冷速較高，而淬透性高的鋼允許的冷速較低。

三看工件的有效厚度──工件表面一冷到Ms點，立即大大減慢介質的冷卻速度，則工件內部的熱量向淬火液散失速度也大大減慢，工件表面一定深度以內的過冷奧氏體就很難冷到Ms點以下。其結果，淬火后工件只有很薄一層馬氏體組織。由于這樣的原因，當工件比較厚大時，為得到足夠厚的淬硬層深度，所用的淬火介質應當有較快的低溫冷卻速度。相反，工件薄小時，則可用低溫冷速較小的淬火介質。再從允許的最高冷速分布曲線上看，厚大的工件允許的冷速高，薄小的工件允許的冷速低。

四看工件形狀復雜程度──先從允許的最低冷卻速度分布曲線上看，形狀復雜的工件，尤其是有內孔或較深凹面的工件，為減小淬火變形或需要把內孔淬硬時，應當選用蒸氣膜階段較短的淬火介質。一般說工件內孔或凹面內部散熱較其它部位慢，工件其它部位冷得快，最先進入沸騰階段而獲得快冷，而內孔面尚處于蒸氣膜階段，冷卻速度尚很慢。這種冷卻上的差異可能引起這類工件較大的淬火變形和內孔或凹面淬火硬度低下。解決這類問題的辦法是選用蒸氣膜階段較短的淬火介質。適當加大內孔部分介質的流動速度，也有同樣的效果。相反，形狀簡單的工件，則可以使用蒸氣膜階段稍長的淬火介質。再從允許的最高冷速分布曲線看，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。

五看允許的變形大小──從分析解決變形問題的方法[6]推知，工件要求的變形小，淬火冷卻應當有窄的冷卻速度帶，而允許的變形較大的，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要求的介質。在能縮短工件冷卻速度帶的方法中，最簡單和有效的是做等溫（或分級）淬火[7]。等溫淬火介質應當具有的特性，首先是蒸氣膜階段短和液溫變化對冷速的影響小，其次，較厚大的工件應當選用冷卻速度快的介質，而較魔小的工件則可以選用冷速較慢的介質。工件種類繁多，對淬火介質的要求是多種多樣的。不同工件的要求可能相容，也可能不相容。因此，尋找"一種理想的淬火介質，能同時適用所有不同的工件"的想法，如同想尋找一種藥物來包治一切疾病一樣，是不現實的。

3 適用于多種工件的同一淬火介質

前面的討論已說明，任何一種特定的工件都有自己淬火冷卻的最低和最高冷速分布曲線劃定的第II冷速分布區。當要在同一種淬火液中淬多種不同的工件時，又如何選擇它們共同適用的一種淬火介質呢？顯然，要能選出一種這樣的淬火介質的先決條件，是這些工件淬火冷卻的第II區的"交"，即共同適用的第II區存在并且是連貫的。圖10是由兩種工件的第II冷速區確定它們共同適用的第II冷速區的示意圖。無疑，它們共同的第II區必然小于（等于）諸工件中最小的一個第II區。由于共同的第II區最狹小，生產現場選出共同適用的淬火介質就不容易。

事實上，由于可用的淬火介質就那么兩三種，加上又沒有做合理的選擇，不少工件的淬火質量并不高，尤其是截面硬度分布往往達不到要求。那么，如何選擇多種工件共同適用的同一種淬火介質呢？利用本文前面談到的道理，下面將分別對淬火油和水性淬火劑加以研究，并提出它們各自適用的選擇原則。

3.1 淬火用油的選擇原則

淬火用油幾乎都是有較高閃點的礦物油，這些油的比熱約為自來水的1/2，導熱率約為自來水的1/4，對流開始溫度高，加上粘度遠比水高，使淬火用油的冷卻速度，尤其是低溫階段的冷卻速度遠比水低。由于這樣的原因，絕大多數工件在油中淬火（包括各種快速油中）沒有淬裂危險，而通常擔心的是油的冷卻速度較低，使較厚大的工件或淬透性稍低的鋼種達不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此發生較大的變形。

為此，選用淬火用油時，往往只從各種工件的最低冷卻速度分布曲線去加以考慮。

圖11是幾種工件要求的最低冷卻速度分布。顯然，只有當選定的淬火油的冷卻速度分布曲線能從右邊將這幾種工件的最低溫度冷卻速度曲線包圍著，這幾種工件在其中淬火才能全部獲得淬火冷卻的三效果。可以推知，一般說來，所選的油的蒸氣膜階段越短，對流開始溫度越低，且最高冷速越大，這樣的油的冷卻速度曲線可能從右邊包圍的最低冷卻速度分布曲線就越多，即適用的工件（鋼種）越多。這就是適于多種工件的淬火油的選擇原則。

3.2 水溶性淬火液的選擇原則

在水（及水溶液）中淬火的主要危險是淬裂，而降低水性淬火液的"300℃冷速"則可以減小這種危險。水性淬火劑（液）的"300℃冷速"越低，防止淬裂的能力就越強，因而適用的鋼種和工件就越多[5]。如果將多種工件的最高冷速分布曲線畫在一起，同樣可以畫出它們共同的第II區的右邊界線，得到的也是這樣的結論。當水或水溶液液溫過高時，比如通常超過60℃后，淬火冷卻的蒸氣膜階段顯著增長，蒸氣膜相當穩定，這時用于工件淬火，冷卻速度曲線容易從上方進入其第Ⅲ冷速區，從而引起淬火硬度不足和大的變形。所以，使用水性淬火液應當控制好液溫，一般以平均液溫不超過60℃為宜。當淬火液的品種確定后，生產中還可以通過調節淬火液濃度、液溫和與工件的相對流速來改變工件淬火時的冷卻速度分布，以適應生產的需要。這方面的規律和方法可參考其它有關資料。

由上述分析可知，普通機油（如32號機油）冷卻能力并不高，卻可適于某些類工件淬火；普通自來水冷卻很快，卻仍可適于另外某些類工件淬火。由于在普通機油與自來水的冷卻速度分布曲線之間有很寬廣的空白地帶，只配備普通機油和自來水是不夠的。那么，一般機械廠的熱處理車間應當配備哪幾種淬火液，才能滿足大多數工件的淬火需要呢？根據前面的分析討論，建議為普通熱處理車間配備以下四種淬火液（槽）：

1.將普通機油換成一種快速淬火油，其冷卻特性應為：淬火冷卻的蒸氣膜階段短，對流開始溫度低，且最高冷速大。
2.一種性能穩定、可操作性強的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動情況下的300℃冷速在20～30℃/s之間。
3.一種性能穩定、可操作性強的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動情況下的300℃冷速在50～70℃/s之間。
4.自來水