40年经验总结：淬火冷却介质的选用

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40年经验总结：淬火冷却介质的选用

作者：赵步青、胡会峰
单位：安徽嘉龙锋钢刀具有限公司

淬火是热处理工艺中最关键的工序，它最终决定淬火件的内在质量及畸变。淬火冷却技术自始至终伴随着热处理技术的发展而不断地进步。但是，由于冷却过程的复杂性和瞬间完成的特点，加之观察和测量的局限性，使淬火冷却带有几分神秘感。长期以来，我国机械行业普遍存在着“重冷轻热”（即重视冷加工、轻视热加工）的弊端，而在热处理行业又普遍存在着“重热轻冷”（即重视加热轻视冷却）现象，这是很不正常的。笔者结合自己长期热处理工作的经验体会，谈谈对淬火冷却介质的认知和选用。

1.淬火冷却介质应具备的基本性能

（1）理想的冷却速度

所谓理想的冷却速度，系指对一定的材质和具体的淬火件而言，希望它在冷却时C曲线鼻部的冷却速度大于临界冷却速度（保证工件能完成马氏体转变的最低冷却速度）。而在其他温度范围，尤其在马氏体转变温度区间（Ms→Mf）则应缓冷，这就是人们常说的“高温要冷得快，低温要冷得慢”。不同钢材和不同工件对上述“快”“慢”有不同的诉求，理论上存在着一个“理想淬火冷却介质”概念，如图1所示。不同钢的“C”曲线是不一样的，要想得到能适合各种钢材及不同尺寸工件淬火的所谓“理想淬火冷却介质”是不可能的，我们只能根据具体情况，选择合适的淬火冷却介质，使淬火件淬得硬、畸变小、金相好。  


图1  理想淬火冷却介质曲线

（2）稳定性好

淬火冷却介质在使用过程中应保持相对稳定，不易分解、变质和老化。各种淬火油和有机溶剂等多存在着不同程度的老化现象，应适时调整、更新和维护。

（3）冷却的均匀性

工件的不同部位及表面尽可能均匀冷却，避免出现淬火软点、软块。

（4）无腐蚀性

淬火后要保持清洁，易清洗，不对工件有腐蚀作用。

（5）对环境友好

淬火时不产生大量烟雾、不产生有毒和有刺激性气体，淬火件带出的废液对环境不造成污染。

（6）安全

淬火冷却介质要不易燃、易爆，使用安全。

（7）经济性

淬火冷却介质要物美价兼，太贵了热处理企业不欢迎。

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2.影响淬火冷却介质冷却性能的因素

影响淬火冷却介质冷却性能的因素很多，概括起来有如下9种。

（1）温度

淬火冷却介质的温度不同，其冷却能力也不同。水和水基淬火冷却介质随温度的升高冷却能力下降，而油、盐浴则相反，随着温度的升高，流动性好，利于散热，冷却能力提高，因此把握好具体工件的冷却温度很重要。

（2）表面张力

表面张力大小直接影响冷却速度，一般地讲表面张力小的淬火冷却介质与淬火件表面接触亲密，因而散热快，冷却能力提高。

（3）搅拌

搅拌会增大淬火冷却介质换热系数，尽早破坏蒸气膜，提高冷却速度，并使淬火件冷却均匀。

（4）热导率

热导率也称热传导系数，表征物质热传导性能的物理量，热导率越大，其冷却能力越强。

（5）比热容

淬火冷却介质的比热容越大，其冷却速度就越大。

（6）粘度

粘度表征液性流动时，液体分子间呈现出的内部摩擦力。粘度大的淬火冷却介质流动性差，不利于对流散热，其冷却能力就差，反之，粘度小者冷却效果就好。

（7）汽化热

汽化热是指单位质量的液体完全变成同温度的气体所需要的热量。水的化学稳定性很高，热容量较大，在室温为钢的8倍，水的沸点低，其汽化热随温度的升高而降低，水随温度的升高，冷却能力急剧下降，但水温升到80℃以后，其冷却能力几乎没有什么变化，淬火烈度维持在0.72左右。

（8）添加剂

加入添加剂的目的是改变冷却性能，如在水中加少量盐或碱，其冷却能力会提高数倍。水中加入聚乙烯醇，会在淬火件表面形成极薄的塑料膜，它的导热性差，降低冷却速度。水中有油、肥皂等形成的悬浊液或乳浊液，会加速蒸汽膜的形成，增加蒸汽膜的稳定性，使冷却能力降低。另外，人们为了改变淬火冷却介质的其他性能，往往有意识地加入氧化剂、光亮剂、防锈剂、防腐剂等会不同程度地影响冷却性能。添加剂的加入，一般都会收到一举多得的效果。

（9）环境

环境对冷却能力的影响往往不被人们注意，同样同温的介质，冬天、夏天的冷却效果有异，白天、晚上淬火效果各不同。

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3.选择淬火冷却介质的基本原则

大量现实告诉人们，许多热处理质量事故与淬火冷却介质有关，如果选用不当或操作失误，都会造成淬火件废品。因此，用对淬火冷却介质是确保产品质量的基本条件。不管选用何种淬火冷却介质，都应该得到统一的淬火效果：

①获得高而均匀的表面硬度和足够的淬硬深度。

②不能淬裂。

③淬火畸变小。根据淬火件的热处理技术要求、材料、形状等具体情况选配相应的淬火冷却介质，归纳以下5条基本原则：

（1）根据碳含量高低

碳是一切钢中最重要的元素，碳含量的高低不仅影响到钢的各种性能，同时对淬火效果也有影响。对于碳素钢，其碳含量≤0.5%（质量分数，以下同）多选盐水、碱水、有机溶剂等；对于中低合金结构钢往往采用双液淬火或冷却速度相对缓慢的介质；对于碳素工具钢，因热处理要求高而淬透性差，因此多采用碱浴、硝盐浴分级淬火，很少采用油冷。

（2）根据钢的淬透性

从钢的“C”曲线分析，淬透性差的钢要求的冷却速度要快。相反，淬透性好的钢冷却速度则慢些。根据钢的淬透性选择合适的淬火冷却介质是明智之举。

（3）根据工件的有效直径

每种钢有一个临界淬火直径，当淬火件表面冷到Ms点，立即大幅减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火冷却介质散发的速度也大幅减慢，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。当淬火件比较厚大时，为得到足够的淬硬层深度，应选用较快的低温冷却速度。相反，工件薄小时，则可用低温冷速小的淬火冷却介质。再从允许的最高冷速分布曲线上看，厚大的工件允许高速冷却，薄小的工件应低速冷却。

（4）根据淬火件的复杂程度

先从允许的最低冷却速度分布曲线上分析，形状复杂的工件，尤其是内孔或较深凹面的工件，为减少淬火畸变及需要将内孔也淬硬时，应选用蒸汽膜阶段较短的淬火冷却介质。相反，形状相对简单的工件，则可以使用蒸汽膜阶段稍长的淬火冷却介质。再从允许的最高冷却速度分布曲线看，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。

（5）根据允许的变形量

淬火件要求畸变小，应当有较窄的冷却速度带，而允许的畸变量较大时，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的介质。用等温淬火或分级淬火可以缩短工件的冷却速度带。

由于工件种类繁多，热处理要求各异，淬火冷却介质层出不穷，同种工件淬不同介质也得到同值的表面硬度，因此给选择淬火冷却介质带来一定难度。本着经济、合理的原则，选择相对理想的淬火冷却介质。

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4.淬火冷却介质应用实例

（1）高速钢淬火用中性盐淬火剂

所谓中性盐淬火剂泛指两种配方：

第一种：50%BaC12+30%KCl+20%NaC1（质量分数），熔点560℃，使用温度580～620℃，适用于有效直径≤20mm，能保证工件温度1000～800℃区间内的冷却速度≥7℃/s，防止共晶碳化物析出而影响刀具各项性能。

第二种：48%CaC12+31%BaC12+21%NaC1，熔点435℃，使用温度460～550℃。相图如图2所示。为配料方便，工厂将之改为50%CaC12+30%BaC12+20%NaC1，熔点440℃，使用温度也是460～550℃。适用有效直径＜40mm的高速钢工件。两种配方的中性盐使用有别，一周连续开炉5天以上，建议用Ca基盐，因为Ca基吸温性极强，在空气中很容易潮解；如果淬火件尺寸小且不每天开炉，用钡基盐比较合适。


（a）摩尔分数（%）                 （b）部分放大图

图2  CaC12、BaC12、NaC1三元相图

（2）硝盐浴淬火剂

硝盐系指NaNO3、KNO3、NaNO2、KNO2这四种盐。作为淬火液，使用单一成分极少，常用两种或三种混合盐，配方及熔点如图3所示。用得最多的配方是：55%KNO3+45NaNO2，熔点137℃，使用温度160～550℃；  50%KNO3+50%NaNO2，熔点140℃，使用温度160～550℃。用于低合金钢制产品的淬火和高速钢及高合金钢工件的等温淬火。有的企业用硝盐浴作为大齿轮渗碳后的淬火液，解决了大齿轮热处理难题。


图3 硝盐系熔化曲线

（3）硝盐水溶液淬火剂

主要有两硝水和三硝水。

①两硝水即25%NaNO3+25%NaNO2+50%水，使用温度＜60℃。由于45钢制小规格丝锥、板牙及小工件淬火，不仅解决了淬裂难题，而且淬火硬度相对均匀。

②三硝水即25%NaNO3+20%NaNO2+20%KNO3+35%水。三硝水在650～550℃区间时，其冷却速度比水还要快，而在300～200℃区间，冷却速度比水要慢。它已成功用于球墨铸铁、形状简单的中碳钢、高碳钢及低合金钢件的淬火，使用温度不宜超过60℃。

现实生产中经常会遇到带有尖角、孔槽、截面尺寸变化的碳素工具钢制模具，硬度要求59～63HRC，水淬易裂，油淬不硬，水淬油冷很难保证质量，而采用硝水——硝盐浴等温淬火解决了问题。即在硝水中按1s/5mm估算，工件表面有白色硝盐泡即可，此时温度约200℃，立即投入180℃硝盐浴中等温30～60min，这样淬火，工件不会开裂，变形小，硬度也达到要求。

（4）沸水淬火

国内有人用45钢沸水淬火代替调质，收到良好效果，φ40～φ80mm45钢加热温度840℃，淬入沸水，得到约250HBW的硬度，而且很均匀。沸水淬火可以代替45钢正火处理，作为最终的热处理。高速钢在850～870℃沸水淬火，代替原调质处理。

轴承钢双细化处理——沸水淬火，由于沸水的冷却速度比油还慢，所以不必担心沸水淬火致裂。具体操作如下：轴承钢终锻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，出炉后空冷，可得到超细晶粒，碳化物又细小。

沸水淬火还有许多应用，不逐一列举，只要应用得当，就能节能增效。

（5）发蓝淬火剂

工厂自配的一种淬火冷却介质，淬火后工件美观耐蚀。有两种配方淬出的颜色各不同。①70%NaNO3+20%KNO3+10%NaNO2，淬火后工件呈黑色。②70%NaNO2+20%KNO3+10%NaNO3，淬火后工件呈蓝色。将三种硝盐按比例均匀混合后加入适量的水使之成为过饱和溶液，加热至40～60℃使用。

（6）水溶性聚合物淬火剂——聚烷撑乙二醇（PAG）

PAG具有独特的逆溶性，即在水中的溶解度随温度的升高而降低。通过改变浓度、温度、搅拌可以对其冷却速度进行调整。PAG系列冷却剂淬火能力覆盖了水—油之间的全部领域，自20世纪60年代美国开始生产PAG以来，在热处理行业得到了广泛的应用，目前已成功代替碱水、油，用于碳钢、低合金钢的淬火冷却。

（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、分级淬火油和等温淬火油等。尽管淬火油作为淬火冷却介质有很多优点，但缺点也非常突出，比如油烟污染环境并危害人体健康、易于老化还会引起火灾，废油的处理也是比较头疼的事。在工模具行业，笔者建议尽快淘汰淬火油，开发应用节能环保的新型淬火冷却介质。

（8）气淬

对于高淬透性的钢且尺寸较小时，可以气淬，气体的冷却能力与气体的种类、压力、流速等有关。

高速钢机械刀片（厚度＜20mm）感应加热后直接空冷，可达到63HRC以上的高硬度。

对于Cr12型高合金钢，可以在空气中吹风淬硬，为提高冷却速度可以吹冷，有效尺寸＞50mm模板，甚至可以放在通水冷却的铜板上冷。

近年来真空高压气淬发展迅速，常用的冷却气体有N2、He、H2和Ar等。H2的导热能力最好，但与空气混合易发生爆炸，安全性差，在1000℃以上还会引起钢脱碳，使其应用受到限制。而N2的冷却效果虽然较差，但物美价廉、安全，故使用广泛。

5.结语

选好用好热处理淬火冷却介质，不仅影响到产品质量、经济效益，而且危及企业的生存与发展。我们应当根据本企业淬火工件所用的材料、产品性能要求，选择最佳的淬火冷却介质，保证淬得硬、少变形、性能佳。

机械Dr.B

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yandawht

好文章    赞赞赞            谢谢楼主

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