作者：趙步青、胡會峰

單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

淬火是熱處理工藝中最關(guān)鍵的工序,，它最終決定淬火件的內(nèi)在質(zhì)量及畸變,。淬火冷卻技術(shù)自始至終伴隨著熱處理技術(shù)的發(fā)展而不斷地進步。但是,，由于冷卻過程的復(fù)雜性和瞬間完成的特點,，加之觀察和測量的局限性,，使淬火冷卻帶有幾分神秘感,。長期以來，我國機械行業(yè)普遍存在著“重冷輕熱”（即重視冷加工,、輕視熱加工）的弊端,，而在熱處理行業(yè)又普遍存在著“重?zé)彷p冷”（即重視加熱輕視冷卻）現(xiàn)象,，這是很不正常的。筆者結(jié)合自己長期熱處理工作的經(jīng)驗體會,，談?wù)剬Υ慊鹄鋮s介質(zhì)的認知和選用,。

1.淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具備的基本性能

（1）理想的冷卻速度

所謂理想的冷卻速度,，系指對一定的材質(zhì)和具體的淬火件而言,，希望它在冷卻時C曲線鼻部的冷卻速度大于臨界冷卻速度（保證工件能完成馬氏體轉(zhuǎn)變的最低冷卻速度）。而在其他溫度范圍,，尤其在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（Ms→Mf）則應(yīng)緩冷,，這就是人們常說的“高溫要冷得快，低溫要冷得慢”,。不同鋼材和不同工件對上述“快”“慢”有不同的訴求,，理論上存在著一個“理想淬火冷卻介質(zhì)”概念，如圖1所示,。不同鋼的“C”曲線是不一樣的,，要想得到能適合各種鋼材及不同尺寸工件淬火的所謂“理想淬火冷卻介質(zhì)”是不可能的，我們只能根據(jù)具體情況,，選擇合適的淬火冷卻介質(zhì),，使淬火件淬得硬,、畸變小、金相好,。  

圖1  理想淬火冷卻介質(zhì)曲線

（2）穩(wěn)定性好

淬火冷卻介質(zhì)在使用過程中應(yīng)保持相對穩(wěn)定,，不易分解、變質(zhì)和老化,。各種淬火油和有機溶劑等多存在著不同程度的老化現(xiàn)象,，應(yīng)適時調(diào)整、更新和維護,。

（3）冷卻的均勻性

工件的不同部位及表面盡可能均勻冷卻,，避免出現(xiàn)淬火軟點、軟塊,。

（4）無腐蝕性

淬火后要保持清潔,，易清洗，不對工件有腐蝕作用,。

（5）對環(huán)境友好

淬火時不產(chǎn)生大量煙霧,、不產(chǎn)生有毒和有刺激性氣體，淬火件帶出的廢液對環(huán)境不造成污染,。

（6）安全

淬火冷卻介質(zhì)要不易燃,、易爆，使用安全,。

（7）經(jīng)濟性

淬火冷卻介質(zhì)要物美價兼,，太貴了熱處理企業(yè)不歡迎。

2.影響淬火冷卻介質(zhì)冷卻性能的因素

影響淬火冷卻介質(zhì)冷卻性能的因素很多,，概括起來有如下9種,。

（1）溫度

淬火冷卻介質(zhì)的溫度不同，其冷卻能力也不同,。水和水基淬火冷卻介質(zhì)隨溫度的升高冷卻能力下降,，而油、鹽浴則相反,，隨著溫度的升高,，流動性好，利于散熱,，冷卻能力提高,，因此把握好具體工件的冷卻溫度很重要。

（2）表面張力

表面張力大小直接影響冷卻速度,，一般地講表面張力小的淬火冷卻介質(zhì)與淬火件表面接觸親密,，因而散熱快，冷卻能力提高。

（3）攪拌

攪拌會增大淬火冷卻介質(zhì)換熱系數(shù),，盡早破壞蒸氣膜,，提高冷卻速度，并使淬火件冷卻均勻,。

（4）熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率也稱熱傳導(dǎo)系數(shù),，表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量，熱導(dǎo)率越大,，其冷卻能力越強,。

（5）比熱容

淬火冷卻介質(zhì)的比熱容越大，其冷卻速度就越大,。

（6）粘度

粘度表征液性流動時,，液體分子間呈現(xiàn)出的內(nèi)部摩擦力。粘度大的淬火冷卻介質(zhì)流動性差,，不利于對流散熱,，其冷卻能力就差，反之,，粘度小者冷卻效果就好,。

（7）汽化熱

汽化熱是指單位質(zhì)量的液體完全變成同溫度的氣體所需要的熱量。水的化學(xué)穩(wěn)定性很高,，熱容量較大,，在室溫為鋼的8倍，水的沸點低,，其汽化熱隨溫度的升高而降低,，水隨溫度的升高，冷卻能力急劇下降,，但水溫升到80℃以后,，其冷卻能力幾乎沒有什么變化，淬火烈度維持在0.72左右,。

（8）添加劑

加入添加劑的目的是改變冷卻性能,，如在水中加少量鹽或堿，其冷卻能力會提高數(shù)倍,。水中加入聚乙烯醇,，會在淬火件表面形成極薄的塑料膜,，它的導(dǎo)熱性差,，降低冷卻速度。水中有油,、肥皂等形成的懸濁液或乳濁液,，會加速蒸汽膜的形成，增加蒸汽膜的穩(wěn)定性，使冷卻能力降低,。另外,，人們?yōu)榱烁淖兇慊鹄鋮s介質(zhì)的其他性能，往往有意識地加入氧化劑,、光亮劑,、防銹劑、防腐劑等會不同程度地影響冷卻性能,。添加劑的加入,，一般都會收到一舉多得的效果。

（9）環(huán)境

環(huán)境對冷卻能力的影響往往不被人們注意,，同樣同溫的介質(zhì),，冬天、夏天的冷卻效果有異,，白天,、晚上淬火效果各不同。

3.選擇淬火冷卻介質(zhì)的基本原則

大量現(xiàn)實告訴人們,，許多熱處理質(zhì)量事故與淬火冷卻介質(zhì)有關(guān),，如果選用不當(dāng)或操作失誤，都會造成淬火件廢品,。因此,，用對淬火冷卻介質(zhì)是確保產(chǎn)品質(zhì)量的基本條件。不管選用何種淬火冷卻介質(zhì),，都應(yīng)該得到統(tǒng)一的淬火效果：

①獲得高而均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度,。

②不能淬裂。

③淬火畸變小,。根據(jù)淬火件的熱處理技術(shù)要求,、材料、形狀等具體情況選配相應(yīng)的淬火冷卻介質(zhì),，歸納以下5條基本原則：

（1）根據(jù)碳含量高低

碳是一切鋼中最重要的元素,，碳含量的高低不僅影響到鋼的各種性能，同時對淬火效果也有影響,。對于碳素鋼,，其碳含量≤0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同）多選鹽水,、堿水,、有機溶劑等；對于中低合金結(jié)構(gòu)鋼往往采用雙液淬火或冷卻速度相對緩慢的介質(zhì),；對于碳素工具鋼,，因熱處理要求高而淬透性差,，因此多采用堿浴、硝鹽浴分級淬火,，很少采用油冷,。

（2）根據(jù)鋼的淬透性

從鋼的“C”曲線分析，淬透性差的鋼要求的冷卻速度要快,。相反,，淬透性好的鋼冷卻速度則慢些。根據(jù)鋼的淬透性選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)是明智之舉,。

（3）根據(jù)工件的有效直徑

每種鋼有一個臨界淬火直徑,，當(dāng)淬火件表面冷到Ms點，立即大幅減慢介質(zhì)的冷卻速度,，則工件內(nèi)部的熱量向淬火冷卻介質(zhì)散發(fā)的速度也大幅減慢,，工件表面一定深度以內(nèi)的過冷奧氏體就很難冷到Ms點以下。當(dāng)淬火件比較厚大時,，為得到足夠的淬硬層深度,，應(yīng)選用較快的低溫冷卻速度。相反,，工件薄小時,，則可用低溫冷速小的淬火冷卻介質(zhì)。再從允許的最高冷速分布曲線上看,，厚大的工件允許高速冷卻,，薄小的工件應(yīng)低速冷卻。

（4）根據(jù)淬火件的復(fù)雜程度

先從允許的最低冷卻速度分布曲線上分析,，形狀復(fù)雜的工件,，尤其是內(nèi)孔或較深凹面的工件，為減少淬火畸變及需要將內(nèi)孔也淬硬時,，應(yīng)選用蒸汽膜階段較短的淬火冷卻介質(zhì),。相反，形狀相對簡單的工件,，則可以使用蒸汽膜階段稍長的淬火冷卻介質(zhì),。再從允許的最高冷卻速度分布曲線看，形狀復(fù)雜的工件允許的冷速低,，而形狀簡單的工件允許的冷速高,。

（5）根據(jù)允許的變形量

淬火件要求畸變小，應(yīng)當(dāng)有較窄的冷卻速度帶,，而允許的畸變量較大時,，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的介質(zhì),。用等溫淬火或分級淬火可以縮短工件的冷卻速度帶,。

由于工件種類繁多,，熱處理要求各異,，淬火冷卻介質(zhì)層出不窮，同種工件淬不同介質(zhì)也得到同值的表面硬度,，因此給選擇淬火冷卻介質(zhì)帶來一定難度,。本著經(jīng)濟、合理的原則,，選擇相對理想的淬火冷卻介質(zhì),。

4.淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)用實例

（1）高速鋼淬火用中性鹽淬火劑

所謂中性鹽淬火劑泛指兩種配方：

第一種：50%BaC1₂+30%KCl+20%NaC1（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），熔點560℃,，使用溫度580～620℃,，適用于有效直徑≤20mm，能保證工件溫度1000～800℃區(qū)間內(nèi)的冷卻速度≥7℃/s,，防止共晶碳化物析出而影響刀具各項性能,。

第二種：48%CaC1₂+31%BaC1₂+21%NaC1，熔點435℃,，使用溫度460～550℃,。相圖如圖2所示。為配料方便,，工廠將之改為50%CaC1₂+30%BaC1₂+20%NaC1,，熔點440℃，使用溫度也是460～550℃,。適用有效直徑＜40mm的高速鋼工件,。兩種配方的中性鹽使用有別，一周連續(xù)開爐5天以上,，建議用Ca基鹽,，因為Ca基吸溫性極強，在空氣中很容易潮解,；如果淬火件尺寸小且不每天開爐,，用鋇基鹽比較合適。

（a）摩爾分?jǐn)?shù)（%）                 （b）部分放大圖

圖2  CaC1₂,、BaC1₂,、NaC1三元相圖

（2）硝鹽浴淬火劑

硝鹽系指NaNO₃、KNO₃,、NaNO₂,、KNO₂這四種鹽。作為淬火液,，使用單一成分極少,，常用兩種或三種混合鹽,，配方及熔點如圖3所示。用得最多的配方是：55%KNO₃+45NaNO₂,，熔點137℃,，使用溫度160～550℃；  50%KNO₃+50%NaNO₂,，熔點140℃,，使用溫度160～550℃。用于低合金鋼制產(chǎn)品的淬火和高速鋼及高合金鋼工件的等溫淬火,。有的企業(yè)用硝鹽浴作為大齒輪滲碳后的淬火液,，解決了大齒輪熱處理難題。

圖3 硝鹽系熔化曲線

（3）硝鹽水溶液淬火劑

主要有兩硝水和三硝水,。

①兩硝水即25%NaNO₃+25%NaNO₂+50%水,，使用溫度＜60℃。由于45鋼制小規(guī)格絲錐,、板牙及小工件淬火,，不僅解決了淬裂難題，而且淬火硬度相對均勻,。

②三硝水即25%NaNO₃+20%NaNO₂+20%KNO₃+35%水,。三硝水在650～550℃區(qū)間時，其冷卻速度比水還要快,，而在300～200℃區(qū)間,，冷卻速度比水要慢。它已成功用于球墨鑄鐵,、形狀簡單的中碳鋼,、高碳鋼及低合金鋼件的淬火，使用溫度不宜超過60℃,。

現(xiàn)實生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到帶有尖角,、孔槽、截面尺寸變化的碳素工具鋼制模具,，硬度要求59～63HRC,，水淬易裂，油淬不硬,，水淬油冷很難保證質(zhì)量,，而采用硝水——硝鹽浴等溫淬火解決了問題。即在硝水中按1s/5mm估算,，工件表面有白色硝鹽泡即可,，此時溫度約200℃，立即投入180℃硝鹽浴中等溫30～60min,，這樣淬火,，工件不會開裂,，變形小，硬度也達到要求,。

（4）沸水淬火

國內(nèi)有人用45鋼沸水淬火代替調(diào)質(zhì),，收到良好效果，φ40～φ80mm45鋼加熱溫度840℃,，淬入沸水,，得到約250HBW的硬度,，而且很均勻,。沸水淬火可以代替45鋼正火處理，作為最終的熱處理,。高速鋼在850～870℃沸水淬火,，代替原調(diào)質(zhì)處理。

軸承鋼雙細化處理——沸水淬火,，由于沸水的冷卻速度比油還慢,，所以不必擔(dān)心沸水淬火致裂。具體操作如下：軸承鋼終鍛后立即投入沸水中淬火,，工件冷至500～400℃出水空冷,，然后（730～740℃）×（3～4h）退火，出爐后空冷,，可得到超細晶粒,，碳化物又細小。

沸水淬火還有許多應(yīng)用,，不逐一列舉,，只要應(yīng)用得當(dāng)，就能節(jié)能增效,。

（5）發(fā)藍淬火劑

工廠自配的一種淬火冷卻介質(zhì),，淬火后工件美觀耐蝕。有兩種配方淬出的顏色各不同,。①70%NaNO₃+20%KNO₃+10%NaNO₂,，淬火后工件呈黑色。②70%NaNO₂+20%KNO₃+10%NaNO₃,，淬火后工件呈藍色,。將三種硝鹽按比例均勻混合后加入適量的水使之成為過飽和溶液，加熱至40～60℃使用,。

（6）水溶性聚合物淬火劑——聚烷撐乙二醇（PAG）

PAG具有獨特的逆溶性,，即在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。通過改變濃度,、溫度,、攪拌可以對其冷卻速度進行調(diào)整,。PAG系列冷卻劑淬火能力覆蓋了水—油之間的全部領(lǐng)域，自20世紀(jì)60年代美國開始生產(chǎn)PAG以來,，在熱處理行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,，目前已成功代替堿水、油,，用于碳鋼,、低合金鋼的淬火冷卻。

（7）淬火油

淬火油已系列化,，它包括普通淬火油,、光亮淬火油、快速淬火油,、快速光亮淬火油,、超速淬火油、真空淬火油,、分級淬火油和等溫淬火油等,。盡管淬火油作為淬火冷卻介質(zhì)有很多優(yōu)點，但缺點也非常突出,，比如油煙污染環(huán)境并危害人體健康,、易于老化還會引起火災(zāi)，廢油的處理也是比較頭疼的事,。在工模具行業(yè),，筆者建議盡快淘汰淬火油，開發(fā)應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新型淬火冷卻介質(zhì),。

（8）氣淬

對于高淬透性的鋼且尺寸較小時,，可以氣淬，氣體的冷卻能力與氣體的種類,、壓力,、流速等有關(guān)。

高速鋼機械刀片（厚度＜20mm）感應(yīng)加熱后直接空冷,，可達到63HRC以上的高硬度,。

對于Cr12型高合金鋼，可以在空氣中吹風(fēng)淬硬,，為提高冷卻速度可以吹冷,，有效尺寸＞50mm模板，甚至可以放在通水冷卻的銅板上冷,。

近年來真空高壓氣淬發(fā)展迅速,，常用的冷卻氣體有N₂、He、H₂和Ar等,。H₂的導(dǎo)熱能力最好,，但與空氣混合易發(fā)生爆炸，安全性差,，在1000℃以上還會引起鋼脫碳,，使其應(yīng)用受到限制。而N₂的冷卻效果雖然較差,，但物美價廉,、安全，故使用廣泛,。

5.結(jié)語

選好用好熱處理淬火冷卻介質(zhì),，不僅影響到產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益,，而且危及企業(yè)的生存與發(fā)展,。我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)本企業(yè)淬火工件所用的材料,、產(chǎn)品性能要求,，選擇最佳的淬火冷卻介質(zhì)，保證淬得硬,、少變形,、性能佳。