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2012-4-7 8:40:34热处理淬火介质的新进展

摘要：论述了淬火介质在热处理生产中的重要性及我国淬火介质的现状，介绍了淬火介质的分类、特性及水、油等常用淬火介质的优缺点，新型淬火介质及其应用。在此基础上，提出了淬火介质的发展方向。 
关键词：热处理　淬火介质　淬火冷却技术 
New　Development　of　Quenching　Medium　for　Heat　TreatmentLi　Maoshan　（Institute　No.52　Ordnance　Industry　of　China，Baotou　014034）Zhang　Kejian　（Beijing　Huali　Fine　Chem.Co.，Beijing　102200） 
【Abstract】　The importance of quenching medium as well as present conditions of quenching medium at home was discussed．Classification and characterization of quenching medium，advantage and disadvantage of oil，water etc．used as quenching medium，a new type of quenching medium and its application were introduced．Based on these analysis，the developing direction of quenching medium　was　recommended．Key　words：heat　treatment，quenching　medium，quenching　technique 
　　多年来，我国在淬火介质的研究和应用方面，做了大量的工作，取得了一定的成绩，基本上满足了热处理生产的需要，但与国外的先进水平相比差距很大。同时，由于在热处理行业中长期存在着“重热轻冷”（即重视工件的加热技术，而轻视淬火冷却技术）的倾向，且淬火冷却的生产实践又滞后于冷却转变的理论研究，致使淬火冷却技术落后于热处理其它技术领域的发展，是热处理行业中的一个薄弱环节。为了缩短我国淬火介质与国外的差距，并能与热处理的其它技术领域同步发展，满足热处理技术进步和对热处理工件质量的更高要求，我们必须重视并大力加强淬火介质的研究和推广应用工作。 
1　淬火介质的分类及特性　　实际使用的淬火介质种类繁多，一般可分为液体（水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、淬火油、熔融金属、熔盐、熔碱等）、气体（空气、压缩空气、液化气等）、固体（流态床、金属板等）3大类。其中，水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、各种淬火油等，在淬火时要发生物态变化，而气体、熔融金属、熔盐、熔碱、金属板等，在淬火时则不发生物态变化［1］。　　工件淬火希望的理想效果是获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，消除淬火裂纹和减小淬火变形。因此，理想的淬火介质应当是，当淬火工件浸入淬火介质中，为了获得马氏体组织，在过冷奥氏体稳定性低的温度范围，即C曲线的鼻温附近，冷却速度应大于临界冷却速度，使工件快速通过珠光体和贝氏体转变区，保证工件淬火后得到足够的硬度；而在Ms点和A1点稍下的温度，希望工件的冷却速度尽量缓慢，以减少由于工件内外温度差而引起的热应力和组织应力，从而可以有效地防止工件的变形和开裂。即通常所说的实现“高温阶段快冷，低温阶段慢冷”的理想冷却。但这样的淬火介质在实践中是很难找到的。　　通常对淬火介质特性的要求是应满足钢的奥氏体冷却转变曲线对冷却速度的要求，避免工件变形和开裂；淬火后工件表面应保持清洁，即使有粘附物也易于清洗，不腐蚀工件；在使用过程中性能稳定，不分解、不变质、不老化、易于控制；工件浸入时不产生大量烟雾和有害气体，以保持良好的劳动条件；便于配制、运输和储存，使用安全；原材料易得，成本低廉。　　淬火介质的冷却能力，主要取决于该介质的组成及其物理化学性能。在实际生产中，要注意淬火介质冷却特性对淬火工件质量的影响，并根据工件含碳量多少、淬透性高低、有效厚度和形状复杂程度等因素，来选择合适的淬火介质。采用同一种淬火介质，如果能够改进冷却方法和适当调整工艺参数，则可以获得最佳的淬火效果。例如，对淬火介质进行循环、搅拌或施以一定的压力通过工件表面时，可提高淬火介质的冷却能力和工件冷却的均匀性，这对于避免形成淬火软点、减少变形和开裂具有良好的作用。 
2　常用淬火介质的优缺点2.1　水　　水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力很强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场作用等，均可以改善水的冷却特性，减少变形和开裂，获得比较理想的淬火效果。但由于这些方法需增加专门设备，且工件淬火后的性能不太稳定，故未能获得推广应用。所以说，纯水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之用。2.2　淬火油　　用于淬火的矿物油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油，它具有闪点高、粘度低、油烟少、油垢少，抗氧化性与热稳定性较好，使用寿命长等优点，适合于作淬火油使用。淬火油只适用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。淬火油对周围环境的污染大，淬火时易引起火灾，需配备必要的清洗、通风和防火安全设施。　　影响淬火油冷却能力的主要因素是其粘度值，在常温下低粘度油比高粘度油冷却能力大，温度升高，油的流动性增加，冷却能力有所提高。适当提高淬火油的使用温度，也能使油的冷却能力提高。普通机油的使用温度一般都控制在60～80℃，最高不超过120℃，以保证使用安全。另外，淬火油在使用过程中，因形成的炭黑及残渣等会使粘度增加，闪点升高，降低其冷却能力，致使淬火油老化和失效。淬火油的闪点、粘度、酸值、皂化值的变化是其临近老化的重要数据，因此，必须进行定期检测和维护，定期沉降过滤，适时补充新油，这对于延长淬火油的使用寿命是很重要的。　　由于各种淬火油的组成不同，其密度、粘度和闪点也不相同，因而具有不同的种类和使用范围。在油中加入各种不同的添加剂（如催化剂、光亮剂、抗氧化剂等），再配合搅拌、喷淋、超声强化和改进淬火设备等，能大幅度提高淬火油的冷却速度，改善冷却的均匀性，或使工件表面光亮洁净，或延长淬火油的使用寿命。随着热处理技术的发展，各种淬火油（如普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等温、分级淬火油等）也得到迅速发展和广泛应用，国外一些先进国家和我国都已形成了完整的淬火油系列产品供用户选用。例如，北京华立精细化工公司生产的今禹Y15快速光亮淬火油、Y15D厚大件快速淬火油、Y35等温快速淬火油、 YG光亮淬火油等，其冷却特性、热稳定性和有效寿命等方面已达到进口淬火油的水平，而价格只有进口淬火油的一半；还生产Y15T、Y15DT、Y35T、 YGT等淬火油添加剂，将其按10％的比例加入到适当的油中，能使油的冷却能力大幅度提高，可获得相应牌号的淬火油。2.3　熔盐、熔碱　　这类淬火介质的特点是在冷却过程中不发生物态变化，工件淬火主要靠对流冷却，通常在高温区域冷却速度快，在低温区域冷却速度慢，淬火性能优良，淬透力强，淬火变形小，基本无裂纹产生，但是对环境污染大，劳动条件差，耗能多，成本高，常用于形状复杂、截面尺寸变化悬殊的工件和工模具的淬火。熔盐有氯化盐、硝酸盐、亚硝酸盐等，工件在盐浴中淬火可以获得较高的硬度，而变形极小，不易开裂，通常用作等温淬火或分级淬火。其缺点是熔盐易老化，对工件有氧化及腐蚀作用。熔碱有氢氧化钠、氢氧化钾等，它具有较大的冷却能力，工件加热时若未氧化，淬火后可获得银灰色的洁净表面，也有一定的应用。但熔碱蒸气具有腐蚀性，对皮肤有刺激作用，使用时应注意通风和采取防护措施。 
3　新型淬火介质及其应用3.1　有机聚合物淬火剂　　近年来，新型淬火介质最引人注目的进展是有机聚合物淬火剂的研究和应用。这类淬火介质是将有机聚合物溶解于水中，并根据需要调整溶液的浓度和温度，配制成冷却性能满足要求的水溶液，它在高温阶段冷却速度接近于水，在低温阶段冷却速度接近于油。其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠，且冷却性能好，冷却速度可调，适用范围广，工件淬硬均匀，可明显减少变形和开裂倾向，因此，能提高工件的质量，改善工作环境和劳动条件，给工厂带来节能、环保、技术和经济效益。目前有机聚合物淬火剂在大批量、单一品种的热处理上用得较多，尤其对于水淬开裂，变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂更是成功的选择。采用有机聚合物淬火剂比用淬火油更经济、高效、节能。从提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾和节能的角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势（原用于淬火油的循环冷却系统在改用有机聚合物淬火剂时，可不必修改更换），是淬火介质的主要发展方向。　　有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度、使用温度和搅拌程度3个基本参数的影响。一般说来，浓度越高，冷却速度越慢；使用温度越高，冷却速度越慢；搅拌程度越激烈，冷却速度越快。搅拌的作用很重要：①使溶液浓度均匀；②加强溶液的导热能力，从而保证淬火后工件硬度高且分布均匀，减少产生淬火软点和变形、开裂的倾向。通过控制上述这些因素，可以调整有机聚合物淬火剂的冷却速度，从而达到理想的淬火效果。一般说来，夏季使用的浓度可低些，冬季使用的浓度可高些，而且要有充分的搅拌。有机聚合物淬火剂大多制成含水的浓缩液出售，在使用时可根据工件的特点和技术要求，加水稀释成不同的浓度，便可以得到具有多种淬火烈度的淬火液，以适应不同的淬火需要。另外，注意精心维护，防止污染，尽量保持淬火液的良好清洁度，对长期稳定地用好有机聚合物淬火剂是相当重要的。　　不同种类的有机聚合物淬火剂具有显著不同的冷却特性和稳定性，能适合不同淬火工艺的需要［2］。目前世界上使用最稳定、应用面最广的有机聚合物淬火剂是聚烷撑二醇（PAG）类淬火剂。这类淬火剂具有逆溶性，可以配成比盐水慢而比较接近矿物油的不同淬火烈度的淬火液，其浓度易测易控，可减少工件的变形和开裂，避免淬火软点的产生，使用寿命长，适合于各类感应加热淬火和整体淬火。此外，聚丙烯酸盐（ACR）类淬火剂和聚氧化吡咯烷酮（PVP）类淬火剂，属无逆溶性品种，其300℃冷却速度较慢，也有人使用。曾经得到大力宣传推广的聚乙基恶唑啉（PEO）类淬火剂，也有逆溶性，其300℃冷却速度可以降到与油相当的程度，但因生产应用中存在一些问题［3］，在国外实际应用得不多，在我国的情况也大体如此。　　有机聚合物淬火剂在国外已有40多年的发展历史，美国、日本和原苏联等国家都进行了大量深入的研究，并得到了广泛的应用。近年来在我国也开展了试验研究工作，已有多种有机聚合物淬火剂研制成功，如北京机电研究所研制的聚醚-乙二醇、江西工学院研制的羟乙基纤维素、沈阳工业大学研制的XL水溶性淬火介质等［4］，并有多家工厂提供系列产品用于生产，例如，由北京华立精细化工公司开发生产的今禹8-20和8-50水溶性淬火剂，系选用国外优质原材料和添加剂精制而成，属PAG类淬火剂，具有冷却特性可调，浓度易测易控，热稳定性好，抗污染性强，使用寿命长，对淬火槽和工件有很好的防腐防锈性，淬火时无烟气、不燃烧，生产环境清洁，带出量少，淬火后工件可不清洗而直接回火等一系列优点，是一种优良的水溶性淬火介质品牌，适用于碳素钢、合金钢的淬火冷却，到目前为止，已在全国20多个省市自治区、200多家工厂得到成功应用。此外，由深圳好富顿公司生产的AQ251、AQ364属PAG类淬火剂，AQ3610属 PEO类淬火剂，由美国联合碳化公司生产的UCON　A、UCON　E属PAG类淬火剂等，也得到了一定的应用。3.2　无机物水溶液淬火剂　　向水中加入适量的某些无机盐、碱或其混合物，形成各种不同的无机物水溶液，可提高工件在高温区的冷却速度，改善冷却均匀性，使工件淬火后获得较高的硬度，减少淬火开裂和变形，且无毒、无污染，工件易清洗，使用管理方便。　　常用的无机物水溶液淬火剂有：　　（1）　氯化钠水溶液：常用的浓度为10％～15％，盐水温度为20～40℃，其冷却均匀性好，淬透能力强，淬火硬度高，能减少淬火裂纹、变形和软点的产生，无污染，成本低，广泛用于碳素工具钢及部分结构钢工件的淬火。但盐水对工件有锈蚀作用，所以淬火后要进行清洗。　　（2）　氢氧化钠水溶液：常用的浓度有10％和50％两类。当浓度为10％时，在高温区的冷却速度比纯水和盐水都高，而在低温区的冷却速度比纯水和盐水稍低，因而工件淬火后硬度高又均匀，不易产生裂纹和变形，且工件表面光亮美观，适用于淬透性较低的钢的淬火；当浓度为50％时，在高温区和低温区的冷却速度都显著降低，适用于易产生变形和裂纹的钢的淬火。但氢氧化钠水溶液腐蚀性较强，使用时要注意防护。　　（3）　氯化钙水溶液：可代替水-油双介质淬火，适用于碳钢和低合金结构钢的淬火。　　（4）　氯化镁水溶液：高浓度时，沸点和粘度较高，低温阶段（100～300℃）的冷却速度明显降低，而在高温区（～600℃）保持较高的冷却速度，能使工件淬火后获得较高的硬度，并可减少变形和开裂。　　（5）　过饱和硝盐水溶液：主要是三硝水溶液，其冷却能力较为理想，而且能减少变形和开裂，可代替水-油双介质淬火，适用于碳钢和低淬透性合金钢的淬火。　　（6）　碳酸钠水溶液：常用浓度为3％～15％，其冷却能力在同样浓度下比氯化钠水溶液略低一些。　　（7）　水玻璃水溶液：将水玻璃用水稀释，并添加一些盐、碱，可提高其冷却速度，用来代替水-油双介质淬火，也可代替淬火油。　　目前我国已研制成功了一些新品种的无机物水溶液淬火剂，并在热处理生产中获得了一定程度的应用，例如，氯化锌、氯化钙水溶液淬火剂，具有良好的淬硬淬透冷却能力，工件淬火开裂小、变形小，且无毒无害，可用于45钢、T10、40Cr、GCr15等钢材的淬火，是值得推广的新型无机物水溶液淬火剂。3.3　流态床冷却　　流态床淬火槽的冷却能力一般介于空气和油之间，而比较接近油。其优点为冷却能力在一定范围内稳定可调，冷却均匀，工件变形和开裂倾向小，表面光洁，淬火后不需清洗，流态床不老化、污染少、使用安全、可实现程序控制。采用流态床冷却可取代盐浴淬火，为双液淬火、贝氏体等温淬火、马氏体分级淬火提供了可供选用的方法，适合于用高淬透性合金钢制作的形状复杂和截面不大的工件的淬火。近年来，人们对流态床的冷却特性和机理进行了大量的试验研究工作，并已在钢铁和铝合金热处理的淬火冷却中得到应用，其发展前景令人瞩目。 
4　淬火介质的发展方向4.1　加强淬火冷却的基础理论研究　　淬火冷却是一个非常复杂的过程，钢的奥氏体连续冷却转变机理，新型淬火介质的原理，水溶性淬火剂的浓度、液温和搅拌程度对淬火烈度的影响，淬火介质冷却特性对淬火工件质量的影响，淬火烈度与淬火工件硬度分布的相互关系，淬火工件的最佳内应力及其控制方法，淬火介质冷却能力的测定和评价，淬火介质的污染过程及其维护，淬火过程的计算机模拟和数学模型的建立等方面的研究要加强。这些对于发展新型淬火介质，改进和提高原有淬火介质的性能，完善淬火工艺，减少工件变形和开裂，提高工件的性能和质量，都具有重要的指导意义。4.2　不断改进和提高原有淬火介质的性能　　水和油等常用淬火介质的使用效果并不理想，通常有“水淬开裂，油淬不硬”的说法，已越来越不能满足热处理生产的要求，为此要对原有的淬火介质进行改进。例如，在水中加入无机盐和有机聚合物，可以不同程度地降低工件淬火时的低温冷却速度，因而能防止工件淬裂和变形，或获得更高的淬火硬度和更深的淬硬深度，从而提高淬火工件的质量。对于淬火油在保留其原来优点的基础上，提高其冷却速度和改善其某些特性后，仍然是很有前途的淬火介质。如开发添加有催冷剂、抗氧化剂、光亮剂等的高效多用淬火油，可以获得更强的冷却能力和更合理的冷却速度分布和更长的使用寿命，或者更能保持工件表面的光亮性，更能减少工件的变形和开裂，从而实现一油多用。此外，改进淬火设备，用物理方法（搅拌、喷淋、超声等）来强化冷却，都可以提高淬火油的冷却速度，满足淬火工艺的要求。4.3　大力研究开发和应用新型淬火介质　　无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是我国淬火介质的发展重点，特别是要加强对有机聚合物淬火剂的研究，并扩大其应用。随着研究工作的深入，有机聚合物淬火剂的适用性、稳定性和经济性进一步提高，应用也越来越广泛。我们要密切注视和分析研究国外的发展动态，跟踪国外新型有机聚合物淬火剂的研究和应用成果，研制生产出立足于国内、符合于国情，冷却速度介于水和油之间，并可根据需要调整冷却速度的新型有机聚合物淬火剂。对已经研制成功并投产的有机聚合物淬火剂，要增加品种、提高质量、降低成本、稳定货源、保证供应，搞好售前咨询和售后技术服务，争创名牌产品，以满足大批量、低成本淬火工艺的要求。大力推广应用新型淬火介质，加强生产现场的使用管理与维护，则是用好新型淬火介质的前提。上述这些应成为我国今后新型淬火介质的研究方向和工作重点。4.4　新型淬火介质与新的淬火冷却方法密切配合　　为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火效果，除根据实际情况选用新型淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方法，并采用新的淬火方法。这些新的淬火方法有［5］：　（1）　高压气冷淬火法：工件在强惰性气流中快速均匀冷却，可防止表面氧化，避免开裂，减少变形，保证达到所要求的硬度，主要用于工模具钢的淬火。这项技术最近进展较快，应用范围也有很大扩展。　（2）　强烈淬火法：采用高压喷射淬火介质，使其强烈地喷射在工件表面上，通过控制喷射淬火介质的压力、流量和配比，调整其冷却能力，促进均匀冷却，能获得表面硬度均匀且变形小的优质工件。　（3）　水-空气混合剂冷却法：通过调节水和空气的压力以及雾化喷嘴到工件表面之间的距离，可以改变水-空气混合剂的冷却能力，并使冷却均匀。该法已成功地应用于表面感应加热淬火。　（4）　沸腾水淬火法：采用100℃的沸腾水冷却，可获得较好的硬化效果，用于钢的淬火或正火。　（5）　热油淬火法：采用热的淬火油，使工件在进一步冷却之前的温度等于或接近Ms点的温度，以便把温度差减至最小，能有效地防止淬火工件的变形和开裂。　（6）　深冷处理法：将淬火工件由常温继续冷却到更低的温度，使残留奥氏体继续转变为马氏体，其目的是提高钢的硬度和耐磨性，改善工件的组织稳定性和尺寸稳定性，有效地提高工模具的使用寿命。 
5　结论　　综上所述，淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证，对热处理后工件的质量有着很大的影响。但我国在淬火介质应用方面与国外的差距很大，是热处理行业中的薄弱环节，应给予重视和加强。发展新型的淬火介质和改进原有淬火介质的性能，是淬火介质的重要发展方向。优良的新型淬火介质，是集当代先进科技成果之大成的高科技产品，它不仅应有优质的实物产品（硬件产品），还应有与之相配套的使用维护技术（软件产品），以满足热处理生产发展的需要。积极研究开发和推广应用新型淬火介质，已成为改变我国热处理生产落后面貌，提高机械产品质量的当务之急，在热处理生产中可以收到事半功倍的效果。