淬火冷卻介質(zhì)

1、 職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫金屬材料與熱處理課程淬火冷卻介質(zhì)主講教師：雷偉斌西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院淬火冷卻介質(zhì)一、淬火介質(zhì)的分類與要求根據(jù)物理特性，淬火介質(zhì)可分為如下兩大類：(1) 淬火時(shí)發(fā)生物態(tài)變化的淬火介質(zhì) 包括水、油和水溶液等，其沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于工件的淬火加熱溫度，赤熱工件淬入其中后會(huì)汽化沸騰，使工件強(qiáng)烈散熱，此外，在工件與介質(zhì)的界面上還可以以輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流等方式進(jìn)行熱交換；(2) 淬火時(shí)不發(fā)生物態(tài)變化的淬火介質(zhì) 包括各種熔鹽、熔融金屬等，其沸點(diǎn)高于工件的淬火加熱溫度，赤熱工件淬入其中時(shí)不會(huì)汽化沸騰，而只以輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流的方式進(jìn)行熱交換。對(duì)淬火介質(zhì)一般的要求是：無毒、無味、經(jīng)濟(jì)

2、、安全可靠；不易腐蝕工件，淬火后易清洗；成分穩(wěn)定，使用過程中不易變質(zhì)；在過冷奧氏體不穩(wěn)定的中溫區(qū)有足夠的冷卻速度，在低溫馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)有較緩慢的冷卻速度，以保證淬火質(zhì)量；在使用時(shí)，介質(zhì)粘度應(yīng)較小，以增加對(duì)流傳熱能力和減少損耗。二、有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)1冷卻特性與冷卻機(jī)理淬火介質(zhì)的冷卻特性是指試樣溫度與冷卻時(shí)間或試樣溫度與冷卻速度之間的關(guān)系。測定冷卻特性通常采用熱導(dǎo)率很高、尺寸一定的銀球試樣，將其加熱到一定溫度后迅速置入淬火介質(zhì)中，利用安放在銀球中心的熱電偶測出其心部溫度隨冷卻時(shí)間的變化，再根據(jù)這種溫度時(shí)間曲線換算求得冷卻速度溫度關(guān)系曲線。赤熱工件進(jìn)入淬火介質(zhì)（以水為例）后，其冷卻過程大致可分為三

3、個(gè)階段：(1) 蒸汽膜階段 當(dāng)工件進(jìn)入淬火介質(zhì)后，工件周圍介質(zhì)立即被加熱汽化，并在工件表面形成一層蒸汽膜，將工件與液體介質(zhì)隔離。由于蒸汽膜的導(dǎo)熱性較差，故使工件的冷卻速度較慢，如圖1中的AB段。冷卻開始時(shí)，由于工件向淬火介質(zhì)放出的熱量大于通過蒸汽膜向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量，圖1 淬火過程的冷卻機(jī)理溫度IIIIIIDCABO時(shí)間故蒸汽膜的厚度不斷增加。隨著冷卻的進(jìn)行，工件溫度不斷降低，膜的厚度及其穩(wěn)定性也逐漸變小，直至破裂消失，這是冷卻的第I階段。蒸汽膜開始破裂的溫度（圖1中的B點(diǎn)）稱為淬火介質(zhì)的“特性溫度”，是評(píng)價(jià)淬火介質(zhì)的重要指標(biāo)。對(duì)20的水，其特性溫度約為300C。(2) 沸騰階段 蒸汽膜破裂

4、后，冷卻介質(zhì)與工件直接接觸，在工件表面激烈沸騰而帶走大量熱量，故冷卻速度很快，如圖1中的BC段。沸騰階段前期冷卻速度很大，隨工件溫度下降而逐漸減慢，直到介質(zhì)的沸點(diǎn)為止，這是冷卻的第II階段。(3) 對(duì)流階段 工件冷至低于介質(zhì)的沸點(diǎn)后，主要靠對(duì)流傳熱方式進(jìn)行冷卻，這時(shí)工件的冷速甚至比蒸汽膜階段還要緩慢，如圖1中的CD段。隨工件與介質(zhì)溫差的不斷減小，冷卻速度越來越小，這是冷卻的第III階段。三、無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)這類淬火介質(zhì)主要指熔鹽、熔堿及熔融金屬，多用于分級(jí)淬火及等溫淬火。這類介質(zhì)的傳熱方式是傳導(dǎo)和對(duì)流，因此其冷卻能力除取決于介質(zhì)本身的物理性質(zhì)（如比熱容、導(dǎo)熱性、流動(dòng)性等）外，還和工件與介質(zhì)

5、間的溫度差有關(guān)。工件溫度較高時(shí)，介質(zhì)的冷卻速度很高，工件溫度接近介質(zhì)溫度時(shí)，冷卻速度迅速降低。表1為常用熔鹽與熔堿的成分和使用溫度范圍。表1 常用的熔鹽與熔堿的成分和使用溫度序號(hào)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）熔化溫度/°C使用溫度/°C150KNO350NaNO3220245500255KNO345NaNO3137150500372KOH19NaOH2KNO22NaNO25H2O1401603004100NaNO3308350500575CaCl225NaCl500540800四、淬火常用冷卻介質(zhì)1.水 圖2為水在靜止與流動(dòng)狀態(tài)的冷卻特性?？梢姡o止水的蒸汽膜階段溫度范圍很寬，在8003

6、80°C溫度范圍，此階段的冷速很慢，不超過180°C/s；溫度低于380°C才進(jìn)入沸騰階段使冷卻速度急劇上升，在280°C左右冷速達(dá)最大值，約770°C/s。水的冷卻特性與理想淬火介質(zhì)的冷卻特性恰恰相反。水作為淬火介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉、安全、清潔，而且具有比較強(qiáng)烈的冷卻能力，因此是應(yīng)用最早、也是最廣的淬火介質(zhì)。水作為淬火介質(zhì)的主要缺點(diǎn)是：冷卻能力對(duì)水溫的變化很敏感，水溫升高，冷卻能力便急劇下降，并使最大冷速對(duì)應(yīng)的溫度移向低溫（圖3-13），故使用溫度一般為1040°C，最高不超過60°C；在碳素鋼過冷奧氏體的最不穩(wěn)定區(qū)（50

7、0600°C左右），水處在蒸汽膜階段，冷卻速度較低，奧氏體易發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，因此工件在淬入水中后應(yīng)不斷晃動(dòng)以破壞蒸汽膜，盡快進(jìn)入沸騰階段。而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速太大，易使工件嚴(yán)重變形甚至開裂；不溶或微溶雜質(zhì)（如油、肥皂等）會(huì)顯著降低其冷卻能力，使工件淬火后易產(chǎn)生軟點(diǎn)。圖2 水的冷卻特性 a)靜止水 b)循環(huán)水2.鹽水與堿水 為了提高水的冷卻能力，往往在水中添加一定量（一般為5%10%）的鹽或堿，例如食鹽水溶液、苛性鈉水溶液等。溶入水中的鹽、堿等，淬火時(shí)隨著水的汽化在工件表面析出并爆裂，使蒸汽膜提早破裂，沸騰階段提前。常用的NaCl鹽水溶液濃度為510，在500650°C區(qū)間的

8、冷卻能力約為水的10倍。在200300°C區(qū)間內(nèi)，冷速比水快，但在200°C以下時(shí)，冷速和水相同。因此，在鹽水中淬火，其變形、開裂傾向比水小。此外鹽水冷卻能力受溫度的影響也較純水為小。鹽水的使用溫度為60°C以下，已廣泛用于碳鋼的淬火。常用的堿水為濃度515的苛性鈉（NaOH）水溶液，它在高溫區(qū)的冷卻速度比鹽水高，而在低溫區(qū)的冷速比鹽水低。堿水濃度越高，低溫區(qū)的冷卻速度越小。因此在堿水中淬火，不僅可得到高而均勻的硬度，且工件變形、開裂的傾向也較小。此外，工件表面的氧化皮在苛性鈉的作用下可脫落，淬火后的工件表面潔凈，呈銀灰色。但是，堿水的價(jià)格較高。另外，由于鹽和堿附

9、著在工件表面，使工件在空氣中極易產(chǎn)生銹蝕，因此淬火以后必須將工件清洗干凈。鹽水與堿水的缺點(diǎn)是在低溫（100300°C）區(qū)間冷速仍很大，并對(duì)工件、設(shè)備有一定腐蝕作用等。3.有機(jī)物的水溶液及乳化液 這類淬火介質(zhì)主要指熔鹽、熔堿及熔融金屬，多用于分級(jí)淬火及等溫淬火。這類介質(zhì)的傳熱方式是傳導(dǎo)和對(duì)流，因此其冷卻能力除取決于介質(zhì)本身的物理性質(zhì)（如比熱容、導(dǎo)熱性、流動(dòng)性等）外，還和工件與介質(zhì)間的溫度差有關(guān)。工件溫度較高時(shí)，介質(zhì)的冷卻速度很高，工件溫度接近介質(zhì)溫度時(shí)，冷卻速度迅速降低。表2為常用熔鹽與熔堿的成分和使用溫度范圍。表2 常用的熔鹽與熔堿的成分和使用溫度序號(hào)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）熔化溫度/

10、76;C使用溫度/°C150KNO350NaNO3220245500255KNO345NaNO3137150500372KOH19NaOH2KNO22NaNO25H2O1401603004100NaNO3308350500575CaCl225NaCl5005408004.油 常用的淬火油有L-AN15、L-AN32、L-AN46全損耗系統(tǒng)用油（10號(hào)、20號(hào)、30號(hào)機(jī)械油）等，號(hào)數(shù)越高，粘度越大。用油作為淬火介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：油的沸點(diǎn)一般比水高150300°C，其對(duì)流階段的開始溫度比水高得多。由于在一般鋼的Ms點(diǎn)附近已進(jìn)入對(duì)流階段，故馬氏體相變區(qū)的冷速遠(yuǎn)小于水，這對(duì)減小鋼的

11、變形與開裂傾向十分有利。油作為淬火介質(zhì)的主要缺點(diǎn)是：中溫區(qū)間的冷卻能力太小，僅為水的1/51/6，只能用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。此外，油經(jīng)長期使用后還會(huì)發(fā)生老化，故需定期過濾或更換新油等。粘度是影響淬火油冷卻能力的一個(gè)重要因素。適當(dāng)提高油溫可降低粘度，增加流動(dòng)性，從而提高其冷卻能力。通常油溫應(yīng)控制在6080°C，在這一溫度范圍冷卻能力最好，又不致使油老化。閃點(diǎn)是指油表面上的蒸汽和空氣自然混合時(shí)與火接觸而出現(xiàn)火苗閃光的溫度。常用礦物油的閃點(diǎn)為：L-ANl5（10號(hào)機(jī)油），165°C；L-AN32（20號(hào)機(jī)油），170°C；L-AN46（30號(hào)機(jī)油），180&

12、#176;C；L-AN68（40號(hào)機(jī)油），190°C。油溫一般應(yīng)保持在閃點(diǎn)以下100°C左右，以免著火。閃點(diǎn)高的油，可用于等溫淬火或分級(jí)淬火。在油中添加油溶性高分子添加劑可獲得光亮淬火油，滿足淬火后工件表面光亮的需要。此外還發(fā)展了真空淬火油用于真空淬火，其飽和蒸汽壓很低，不易揮發(fā)，不易污染爐膛并很少影響真空度，有較好的冷卻特性，淬火后工件表面光亮，熱穩(wěn)定性好。5.新型淬火冷卻介質(zhì) 作為淬火介質(zhì)，水的主要缺點(diǎn)是低溫區(qū)的冷卻速度過大，易引起工件的變形與開裂，而油的主要缺點(diǎn)則是中溫區(qū)的冷卻能力太小，易造成過冷奧氏體的分解，兩者都不夠理想。為此廣大熱處理工作者都在致力于尋求新的淬火

13、介質(zhì)，力圖使其兼有水和油的優(yōu)點(diǎn)，并且可以調(diào)節(jié)其成分以調(diào)整冷卻速度?，F(xiàn)就幾種新型淬火介質(zhì)簡要介紹如下。(1)過飽和硝鹽水溶液這類淬火介質(zhì)的典型成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為25NaNO3、20NaNO2、20KNO3和35H2O，最佳使用溫度為70。該介質(zhì)在中溫區(qū)冷卻能力比鹽水小，但比油大，而在低溫區(qū)冷卻能力與油相近，綜合了鹽水和油的優(yōu)點(diǎn)。(2)水玻璃淬火劑它是用水稀釋成不同濃度的水玻璃（Na2SiO3）溶液。水玻璃水溶液中加入鹽和堿后，蒸汽膜不穩(wěn)定而使蒸汽膜階段縮短，冷卻速度加快；但由于水玻璃的作用又較鹽（堿）水為小，因此，在沸騰階段冷卻能力較水差，較油強(qiáng)。在低溫，由于表面覆蓋一層水玻璃膜，故冷卻較慢。調(diào)

14、節(jié)成分可使之具有不同的冷卻速度，水玻璃含量低時(shí)冷卻快；含量高時(shí)冷卻變慢。例如，“351”淬火劑的配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為79的水玻璃、1114的NaCl、1114的Na2CO3、0.5的NaOH，其余為水。它的使用溫度為3065°C，冷卻速度介于油與水之間。(3)氯化鋅堿水溶液這種淬火劑的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：49ZnCl249NaOH2肥皂粉，再加300倍水稀釋。使用時(shí)要攪拌均勻，使用溫度為2060°C。其特點(diǎn)是：中溫區(qū)冷速比水快，低溫區(qū)冷速比水慢，淬火后工件變形小，表面光亮，適用于中小尺寸、形狀復(fù)雜的中、高碳鋼制工模具的噴射淬火。(4)有機(jī)聚合物水溶液這是近年來興起的新型淬火介

15、質(zhì)，如聚乙烯醇水溶液、聚醚水溶液等。在水中加入聚乙烯醇，不僅增加了水的粘度，而且在冷卻過程中在工件表面形成一層粘的塑性膜。這層塑性薄膜在冷卻過程中的蒸汽膜階段出現(xiàn)，使蒸汽膜冷卻階段的冷速進(jìn)一步降低；但更重要的是能大大降低對(duì)流冷卻階段的冷速，聚乙烯醇含量（體積）為0.05時(shí)，已有明顯效果。在生產(chǎn)上，聚乙烯醇含量一般控制在0.10.3范圍內(nèi)。理想的使用溫度為1540°C。可用于噴射冷卻，也可用以浸沒冷卻。溶液中聚乙烯醇含量越多，溶液粘度越大，冷卻特性越接近油。這種淬火介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是可以用不同的聚乙烯醇含量得到不同的冷卻速度，而且冷卻特性比較好，此外，這種介質(zhì)無毒、不燃燒、不侵蝕工件、對(duì)人體安全，供應(yīng)方便，