軸承熱處理知識：淬火介紹

淬火介紹

（1）鋼的淬火
淬火時將鋼加熱到Ac₃或Ac₁以上，保溫一定時間使其奧氏體化，再以大于臨界冷卻速度快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。淬火鋼得到的組織主要是馬氏體（或下貝氏體），此外，還有少量殘余奧氏體及未溶的第二相。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。
1、 淬火加熱溫度
    碳鋼的淬火加熱溫度可利用Fe-Fe₃C相圖來選擇。

 對于亞共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac₃+30～50℃，使碳鋼完全奧氏體化，淬火后獲得均勻細小的馬氏體組織。對于過共析碳鋼，適宜的淬火溫度為Ac₁+30～50℃。淬火前先進行球化退火，使之得到粒狀珠光體組織，淬火加熱時組織為細小奧氏體晶粒和未溶的細粒狀滲碳體，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細小粒狀滲碳體組織。對于低合金鋼，淬火加熱溫度也根據(jù)臨界點Ac₁或Ac₃來確定，一般為Ac₁或Ac₃以上50～100℃。高合金工具鋼中含有較多的強碳化物形成元素，奧氏體晶粒粗化溫度高，故淬火溫度亦高。

2、淬火加熱時間
　　為了使工件各部分完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱時保溫一定的時間，通常將工件升溫和保溫所需的時間計算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。
    影響淬火加熱時間的因素較多，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式及裝爐量等。
　　鋼在淬火加熱過程中，如果操作不當，會產(chǎn)生過熱、過燒或表面氧化、脫碳等缺陷。
　　過熱是指工件在淬火加熱時，由于溫度過高或時間過長，造成奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。過熱不僅使淬火后得到的馬氏體組織粗大，使工件的強度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆斷，而且容易引起淬火裂紋。對于過熱工件，進行一次細化晶粒的退火或正火，然后再按工藝規(guī)程進行淬火，便可以糾正過熱組織。
　　過燒是指工件在淬火加熱時，溫度過高，使奧氏體晶界發(fā)生氧化或出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，過燒的工件無法補救，只得報廢。

（2）鋼的表面淬火

表面淬火是對工件表層進行淬火的工藝。它是將工件表面進行快速加熱，使其奧氏體化并快速冷卻獲得馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火后需進行低溫回火，以減少淬火應(yīng)力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面層的硬度和耐磨性，達到外硬內(nèi)韌的效果，并可造成表面層壓應(yīng)力狀態(tài)，提高疲勞強度，延長工件的使用壽命。

1.感應(yīng)加熱表面淬火
    感應(yīng)加熱表面淬火法的原理如圖1-66（a）所示。把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)線圈中，當感應(yīng)線圈通以交流電時，便會在工件內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在工件內(nèi)自成回路，故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，如圖1-66（b）所示，表面電流密度最大，心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表面的渦流，幾秒種可使工件表面溫度升至800～1000℃，而心部溫度仍接近室溫，在隨即噴水（合金鋼浸油）快速冷卻后，就達到了表面淬火的目的。
    感應(yīng)加熱時，工件截面上感應(yīng)電流密度的分布與通入感應(yīng)線圈中的電流頻率有關(guān)。電流頻率愈高，感應(yīng)電流集中的表面層愈薄，淬硬層深度愈小。因此可通過調(diào)節(jié)通入感應(yīng)線圈中的電流頻率來獲得工件不同的淬硬層深度，一般零件淬硬層深度為半徑的1／10左右。對于小直徑（10～20mm）的零件，適宜用較深的淬硬層深度，可達半徑的1／5，對于大截面零件可取較淺的淬硬層深度，即小于半徑1／10以下。
2.火焰加熱表面淬火
    火焰加熱表面淬火法是用乙炔一氧火焰（最高溫度3200℃）或煤氣一氧火焰（最高溫度2000℃），對工件表面進行快速加熱，并隨即噴水冷卻。淬硬層深度一般為2～6mm。適用于單件小批量生產(chǎn)以及大型零件（如大型軸類、模數(shù)齒輪等）的表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬膬?yōu)點是設(shè)備簡單，成本低，靈活性大。缺點是加熱溫度不易控制，工件表面易過熱，淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。
3.激光加熱表面淬火
    激光加熱表面淬火是以高能量激光束掃描工件表面，使工件表面快速加熱到鋼的臨界點以上，利用工件基體的熱傳導(dǎo)實現(xiàn)自冷淬火，實現(xiàn)表面相變硬化。
    激光加熱表面淬火加熱速度極度快（105～106℃／s），因此過熱度大，相變驅(qū)動力大，奧氏體形核數(shù)目劇增，擴散均勻化來不及進行，奧氏體內(nèi)碳及合金濃度不均勻性增大，奧氏體中碳含量相似的微觀區(qū)域變小，隨后的快冷（104℃／s）中不同微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大差異，產(chǎn)生細小馬氏體組織。由于快速加熱，珠光體組織通過無擴散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織；由于快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，同時殘余奧氏體量增加，碳來不及擴散，使過冷奧氏體碳含量增加，馬氏體中碳含量增加，硬度提高。
    激光加熱表面淬火后，工件表層獲得極細小的板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合組織，且位錯密度極高，表層硬度比淬火＋低溫回火提高20％，即使是低碳鋼也能提高一定的硬度。
    激光淬火硬化層深度一般為0.3～1mm，硬化層硬度值一致。隨零件正常相對接觸摩擦運動，表面雖然被磨去，但新的相對運動接觸面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不會發(fā)生常規(guī)表面淬火層由于接觸磨損，磨損隨之加劇的現(xiàn)象，耐磨性提高了50％，工件使用壽命提高了幾倍甚至十幾倍。
    激光加熱表面淬火最佳的原始組織是調(diào)質(zhì)組織，淬火后零件變形極小，表面質(zhì)量很高，特別適用于拐角、溝槽、盲孔底部及深孔內(nèi)壁的熱處理，而這些部位是其它表面淬火方法極難做到的。

（3）淬火處理的常見問題

Ms點隨C%的增加而降低,淬火時，過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度稱之為Ms點，轉(zhuǎn)變完成之溫度稱之為Mf點。C%含量愈高，Ms點溫度愈降低。0.4%C碳鋼的Ms溫度約為350℃左右，而0.8%C碳鋼就降低至約200℃左右。

淬火液可添加適當?shù)奶砑觿?span lang="EN-US">

1、水中加入食鹽可使冷卻速率加倍：鹽水淬火之冷卻速率快，且不會有淬裂及淬火不均勻之現(xiàn)象，可稱是最理想之淬硬用冷卻劑。食鹽的添加比例以重量百分比10%為宜。

2、水中有雜質(zhì)比純水更適合當淬火液：水中加入固體微粒，有助於工件表面之洗凈作用，破壞蒸氣膜作用，使得冷卻速度增加，可防止淬火斑點的發(fā)生。因此淬火處理，不用純水而用混合水之淬火技術(shù)是很重要的觀念。

3、聚合物可與水調(diào)配成水溶性淬火液：聚合物淬火液可依加水程度調(diào)配出由水到油之冷卻速率之淬火液，甚為方便，且又無火災(zāi)、污染及其他公害之慮，頗具前瞻性。

4、干冰加乙醇可用於深冷處理溶液：將干冰加入乙醇中可產(chǎn)生-76℃之均勻溫度，是很實用的低溫冷卻液。

（4）鋼淬火冷卻介質(zhì)

淬火冷卻時，既要快速冷卻以保證淬火工件獲得馬氏體組織，又要減少變形，防止裂紋產(chǎn)生。因此，冷卻是關(guān)系到淬火質(zhì)量高低的關(guān)鍵操作。

1、理想淬火冷卻速度　

由共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線得知，要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個冷卻過程中并不需要都進行快速冷卻。關(guān)鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下，特別是300～200℃以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內(nèi)外溫度差會引起熱應(yīng)力。另外，由于鋼中的比容（單位質(zhì)量物質(zhì)的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此，馬氏體的轉(zhuǎn)變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內(nèi)外溫度差將增大，使馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時進行而造成相變應(yīng)力。冷卻速度越大，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力越大，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中便容易引起變形與裂紋。

2、常用淬火介質(zhì)　

工件淬火冷卻時，要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用的冷卻介質(zhì)是水和油。當冷卻介質(zhì)為20℃的自來水，工件溫度在200～300℃時，平均冷卻速度為450℃/s；工件溫度在340℃時，平均冷卻速度為775℃/s；工件溫度在500～650℃時，平均冷卻速度為135℃/s。因此，水的冷卻特性并不理想，在需要快冷的500～650℃溫度范圍內(nèi)，它的冷卻速度很小，而在200～300℃需要慢冷時，它的冷卻速度反而很大。

水
　　水是應(yīng)用最早、最廣泛、最經(jīng)濟的淬火介質(zhì)，它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、冷卻能力強。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環(huán)水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設(shè)備，且工件淬火后性能不是很穩(wěn)定，所以沒有能得到廣泛推廣應(yīng)用。所以說。純水只適合于少數(shù)含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。 

淬火油
　　用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎(chǔ)油，它具有閃點高、粘度低、油煙少，抗氧化性與熱穩(wěn)定性較好，使用壽命長等優(yōu)點，適合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環(huán)境的污染大，淬火時容易引起火災(zāi)。
影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。

熔鹽，熔堿
　　這類淬火介質(zhì)的特點是在冷卻過程中不發(fā)生物態(tài)變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區(qū)域冷卻速度快，在低溫區(qū)域冷卻速度慢，淬火性能優(yōu)良，淬透力強，淬火邊形小，基本無裂紋產(chǎn)生，但是對環(huán)境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復(fù)雜，截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鈉，硝酸鹽，亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕的作用。熔堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應(yīng)用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時要注意通風(fēng)和采取防護措施。

新型淬火介質(zhì)及其應(yīng)用
 有機聚合物淬火劑
　　近年來，新型淬火介質(zhì)最引人注目的  進展是有機聚合物淬火劑的研究和應(yīng)用。這類淬火介質(zhì)是將有機聚合物溶解于水中，并根據(jù)需要調(diào)整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優(yōu)點是無毒，無煙無臭，無腐蝕，不燃燒，抗老化，使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可以調(diào)節(jié)，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質(zhì)量，改善工作環(huán)境和勞動條件，給工廠帶來節(jié)能、環(huán)保、技術(shù)和經(jīng)濟效益。目前有機聚合物淬火劑更在大批量、單一品種的熱處理上用得較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機聚合物淬火劑比淬火油更經(jīng)濟、高效、節(jié)能。從提高工件質(zhì)量、改善勞動條件、避免火災(zāi)和節(jié)能得角度考慮，有機聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢，是淬火介質(zhì)的主要發(fā)展方向。
　　有機聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度，使用溫度和攪拌程度3個基本參數(shù)的影響。一般來說，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要；1使溶液濃度均勻；2加強溶液的導(dǎo)熱能力從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產(chǎn)生淬火軟點和變形，開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調(diào)整有機聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達到理想的淬火效果。一般來說，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機聚合物淬火劑大多制成含水的溶液，在使用時可根據(jù)工件的特點和技術(shù)要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應(yīng)不同的淬火需要。 
　　不同種類的有機聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩(wěn)定性，能適合不同淬火工藝需要。目前世界上使用最穩(wěn)定，應(yīng)用面最廣的有機聚合物淬火劑是聚烷二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點的產(chǎn)生，使用壽命長，適合于各類感應(yīng)加熱淬火和整體淬火。

（5）如何從淬火冷卻特性選擇淬火介質(zhì)

選擇淬火介質(zhì)，應(yīng)當同時兼顧到對淬火介質(zhì)冷卻特性、穩(wěn)定性、可操作性、經(jīng)濟性和環(huán)保等方面的要求。在這些要求中，最重要的是淬火介質(zhì)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(zhì)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(zhì)是同時獲得這三項效果的基本保證。當前，國內(nèi)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(zhì)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(zhì)？在生產(chǎn)現(xiàn)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(yīng)當配備幾種淬火液？──關(guān)于這類實際生產(chǎn)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(tǒng)實用的原則方法。

本文以過去工作為[4、6]基礎(chǔ)，從討論實際生產(chǎn)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(zhì)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(shù)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(yīng)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(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)的冷卻速度分布曲線能全部落入這兩條曲線之間的區(qū)域內(nèi)，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(zhì)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(zhì)，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(qū)域內(nèi)，因而，二者都可以選用?；蛘哒f，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(fā)生一定程度的淬火變形。傳統(tǒng)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(tài)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(shù)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(shù)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(jié)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(tài)硬度的效果冷卻速度）。根據(jù)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(qū)，分別為過快冷速區(qū)，適度冷速區(qū)，不足冷速區(qū)和過慢冷速區(qū)，表中列出了工件獲得的冷速在這些區(qū)域內(nèi)的淬火效果。可以看出，只有在第II，即適度冷速區(qū)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(qū)
分區(qū) 名稱 區(qū)內(nèi)淬火效果
I區(qū) 過快冷速區(qū) 硬度高、淬裂、變形
II區(qū) 適度冷速區(qū) 硬度高而均勻、無淬裂、變形小
III區(qū) 不足冷速區(qū) 硬度不足且高低不均，變形大
IV區(qū) 過慢冷速區(qū) 完全未淬硬，變形小

接著，該文又將已發(fā)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(jù)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(qū)，而窄的冷卻速度帶則往往落入某一冷速區(qū)之內(nèi)。由于冷卻速度帶進入第I冷速區(qū)會發(fā)生淬裂和變形，而進入第III冷速區(qū)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(qū)，才能獲得希望的淬火三效果。根據(jù)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(qū)的部分完全移入第II冷速區(qū)。 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(qū)域，容易看出，淬火時，進入最低冷速分布曲線以左的區(qū)域，就會出現(xiàn)硬度不足并發(fā)生較大的淬火變形；而若進入最大冷速分布曲線以右的區(qū)域，又會發(fā)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(qū)域，從左到右分別定為第III（即不足）冷速分布區(qū)；第II（即適度）冷速分布區(qū)以及第I（即過快）冷速分布區(qū)，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(qū)圖
分區(qū) 名稱 區(qū)內(nèi)淬火效果
I區(qū) 過快冷速區(qū) 硬度高、淬裂、變形
II區(qū) 適度冷速區(qū) 硬度高而均勻、無淬裂、變形小
III區(qū) 不足冷速區(qū) 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(chǎn)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(fā)現(xiàn)滲碳淬火態(tài)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(fā)現(xiàn)所用的分級淬火油的冷卻速度分布與該種新油有較大區(qū)別，如圖7所示。和未經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)，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(chǎn)應(yīng)用表明，在經(jīng)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(chǎn)線上發(fā)生過一次這樣的問題：一向正常的生產(chǎn)線上，突然發(fā)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(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)上述淬火硬度不足和變形過大的原因是淬火油冷卻系統(tǒng)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(qū)，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(fù)。

從以上兩個例子中可以看出，評價液體淬火介質(zhì)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(yīng)當看供選擇的淬火介質(zhì)的冷速分布與工件及其鋼種的關(guān)系。關(guān)于從淬火介質(zhì)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(chǎn)經(jīng)驗，總結(jié)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(fā)生珠光體轉(zhuǎn)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(zhì)應(yīng)當有較短的蒸氣膜階段且出現(xiàn)最高冷速的溫度應(yīng)當較高。相反，對含碳量較高的鋼，淬火介質(zhì)的蒸氣膜階段可以更長些，出現(xiàn)最高冷速的溫度也相應(yīng)應(yīng)當?shù)托Ｔ購脑试S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(zhì)出現(xiàn)最高冷卻速度的溫度高些；而對淬透性好的鋼，要求介質(zhì)出現(xiàn)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(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。要避開貝氏體轉(zhuǎn)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(zhì)的冷卻速度，則工件內(nèi)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(nèi)的過冷奧氏體就很難冷到Ms點以下。其結(jié)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(zhì)應(yīng)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(zhì)。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(fù)雜程度──先從允許的最低冷卻速度分布曲線上看，形狀復(fù)雜的工件，尤其是有內(nèi)孔或較深凹面的工件，為減小淬火變形或需要把內(nèi)孔淬硬時，應(yīng)當選用蒸氣膜階段較短的淬火介質(zhì)。一般說工件內(nèi)孔或凹面內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhì)。適當加大內(nèi)孔部分介質(zhì)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(zhì)。再從允許的最高冷速分布曲線看，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。

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(yīng)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(zhì)。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(zhì)應(yīng)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(yīng)當選用冷卻速度快的介質(zhì)，而較魔小的工件則可以選用冷速較慢的介質(zhì)。工件種類繁多，對淬火介質(zhì)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(zhì)，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(xiàn)實的。

3 適用于多種工件的同一淬火介質(zhì)

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(qū)。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(zhì)呢？顯然，要能選出一種這樣的淬火介質(zhì)的先決條件，是這些工件淬火冷卻的第II區(qū)的"交"，即共同適用的第II區(qū)存在并且是連貫的。圖10是由兩種工件的第II冷速區(qū)確定它們共同適用的第II冷速區(qū)的示意圖。無疑，它們共同的第II區(qū)必然小于（等于）諸工件中最小的一個第II區(qū)。 由于共同的第II區(qū)最狹小，生產(chǎn)現(xiàn)場選出共同適用的淬火介質(zhì)就不容易。

事實上，由于可用的淬火介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(shù)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(fā)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?？梢酝浦话阏f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(qū)的右邊界線，得到的也是這樣的結(jié)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(wěn)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(qū)，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(yīng)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(chǎn)中還可以通過調(diào)節(jié)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(yīng)生產(chǎn)的需要。這方面的規(guī)律和方法可參考其它有關(guān)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(yīng)當配備哪幾種淬火液，才能滿足大多數(shù)工件的淬火需要呢？根據(jù)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(yīng)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(wěn)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(wěn)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

如果所處理的工件種類不太多，也可以用一種300℃冷速在30～50℃/s之間的水溶性淬火液代替2、3兩種淬火液，即共配制三種淬火液（槽）。

4 結(jié)論──從冷卻速度選擇淬火介質(zhì)的原則

通過本文的分析可以說明：

1.為什么同一種工件可以在多種不同冷卻特性的淬火介質(zhì)中淬火而都達到該工件的熱處理要求。

2.為什么多種不同的工件可以在同一種淬火介質(zhì)中淬火而都達到各自的熱處理要求。

3.特定工件選擇淬火介質(zhì)應(yīng)同時從五方面加以考慮：一看鋼的碳含量多少，二看鋼的淬透性高低，三看工件的有效厚度，四看工件的形狀復(fù)雜程度，五看允許的變形大小。

4.對淬火用油，從冷卻速度分布上看，它的蒸氣膜階段越短，對流開始溫度越低，最高冷速越大，則該種油適用的鋼種和工件就越多。

5.對水性淬火液，從冷卻速度分布曲線上看，它的300℃冷卻速度越低，則它適用的鋼種和工件就越多。

（6）自來水做淬火介質(zhì)的兩大缺點

從自來水淬火時工件容易淬裂、硬度不均且畸變大等現(xiàn)象，列出了自來水作為淬火介質(zhì)的兩大缺點：一是低溫冷卻速度太快，二是冷卻特性對水溫變化太敏感。分析了自來水第二大缺點引起淬火硬度不均和畸變的原因。通過與氣態(tài)介質(zhì)的對比，指出了液態(tài)淬火介質(zhì)共同的兩類缺點：一是任何確定的液態(tài)介質(zhì)，其冷卻速度的可調(diào)節(jié)范圍都很有限，以致同一個車間必須配備普通淬火油、中速淬火油和高速淬火油，才能滿足不同工件的需要；二是工件從蒸汽膜階段到沸騰階段期間，冷卻速度突然增大，可能引起較大的淬火變形。提供了克服液態(tài)淬火介質(zhì)第二類缺點的七類技術(shù)方法。

    關(guān)鍵詞：水；淬火介質(zhì)；淬火冷卻；淬火冷卻畸變

    1 自來水的兩大缺點

多數(shù)工件用自來水淬火會開裂，淬裂的原因是眾所周知的：自來水的低溫冷卻速度太快。這是自來水的一大缺點。

用水作冷卻介質(zhì)，還遇到另外的問題。例如，多個工件采取比較密集的方式同時入水時，淬火后會有顯著的硬度差異。為此，現(xiàn)在的多用爐基本不用水性淬火介質(zhì)。又如，工件上有較深的內(nèi)孔、工件為大薄片狀、以及形狀復(fù)雜時，水淬后往往出現(xiàn)嚴重的硬度不均和較大的淬火畸變。同樣的情況，在油中淬火時，則不會發(fā)生這樣嚴重的問題。引起這些問題的原因是，水的冷卻特性對水溫變化太敏感。圖1a是溫度對自來水冷卻特性的影響曲線^[1]。容易推知，當單個工件在自來水中淬火時，由于形狀或所處位置的原因，工件不同部位的表面接觸的水溫是不同的：工件上的凹進部分接觸的水溫高，而突出部分接觸的水溫則相對要低些。位于下面部分接觸的水溫較低，上面部位接觸的水溫較高。當多個工件以比較密集裝掛的方式同時入水時，位于外面的工件接觸的水溫較低，而內(nèi)部的工件接觸的水溫則較高。再加上同一工件朝外的面接觸的水溫較低，朝里的面接觸水溫則較高。不同的水溫對應(yīng)不同的冷卻特性，其結(jié)果就引起了上述種種問題。圖1b為溫度對油的冷卻特性的影響曲線。由圖1的對比，可以看出水溫對冷卻特性的影響是很大的。我們把冷卻特性對液溫變化太敏感列為自來水的第二大缺點。

有機聚合物水溶液，比如PAG淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺點。圖1c為不同液溫的10％硫酸鈉水溶液的冷卻特性曲線。由圖1c可見，10％的無機鹽（或堿）溶入水中，可以大大減小冷卻特性對水溫的敏感性程度。與單純自來水相比，直到水溫達到70℃，其冷卻特性對液溫的敏感程度還是比較小的。表1為自來水、PAG淬火液和淬火油等液體介質(zhì)的上述兩項特性。上述對液溫的敏感性，主要是通過液溫對冷卻過程中蒸汽膜階段長短的影響，而最終反映在同一工件的不同部位之間、不同工件之間、以及不同批次淬火工件之間出現(xiàn)大的硬度差異和嚴重的淬火中畸變上。

表1  不同種類液體介質(zhì)的兩大特點對比
Table 1 Comparison of two main features of different liquid quenching medium 介質(zhì)名稱 自來水 油 PAG淬火液 10%無機鹽(或堿)的水溶液熔融鹽浴(如硝鹽浴) 防止鋼件淬裂的能力 差 好 濃度適當時相當好差 好 冷卻特性對液溫的穩(wěn)定性 差 好 較差 較好 好

2 冷卻速度曲線上出現(xiàn)3個區(qū)段的條件

在研究無機鹽水溶液時，曾經(jīng)有過一種錯誤的說法：“在任何液體介質(zhì)中淬火冷卻，都會出現(xiàn)蒸汽膜（膜沸騰）階段、（泡）沸騰階段和對流冷卻階段”。即便在采用1000張/s的快速攝影也沒有發(fā)現(xiàn)蒸汽膜階段時，也仍然堅持這一看法。

為了說明上述說法的錯誤所在，我們簡單分析一下上述3個階段的成因。在冷卻的蒸汽膜階段，紅熱工件被水蒸氣包裹著，如圖2所示。此時，工件表面向外部散熱是通過熱輻射和水蒸氣的對流來實現(xiàn)的。其中，熱輻射的作用最大?？枯椛錈嵋约皩α鱾鬟f的熱使包裹蒸汽膜的汽－液界面發(fā)生沸騰。沸騰產(chǎn)生的水蒸氣充實進蒸汽膜中，使膜內(nèi)的蒸汽壓足以抵擋外部液體的壓力，則蒸汽膜得以維持。我們知道，物體表面向外輻射的熱量與該表面的絕對溫度的4次方成正比。因此，工件表面溫度越高，汽－液界面上的沸騰就越激烈。其結(jié)果蒸汽膜就越厚，也越穩(wěn)定。由于穩(wěn)定的蒸汽膜階段幾乎沒有氣泡進入液相中，我們可以把氣液界面包裹著的部分看成一個體系。這個體系的外部是氣體，里面包裹著的是固體。這個體系對外的熱散失主要是靠對流來進行。接觸上述體系的液體被加熱，再通過對流把熱量帶到更遠處。其情形就像始終保持在100℃的工件在水中的散熱情況一樣。隨著冷卻的進行，工件表面溫度降低，汽－液界面上沸騰的激烈程度會迅速降低。蒸汽膜階段的冷卻速度隨之減小。由于沸騰區(qū)域的汽－液界面上發(fā)生著的是水蒸汽?水的雙向變化，當水沸騰產(chǎn)生的水蒸氣的量少于膜內(nèi)的水蒸氣變成水所損失的量時，包裹工件的蒸汽膜就會變薄。當蒸汽膜內(nèi)保有的水蒸氣少到不能抵擋外部液體的壓力時，蒸汽膜就會破裂。蒸汽膜階段也就終止了。工件上該部位也就進入了沸騰冷卻階段。綜上所述，工件（或探棒）冷卻過程中是否出現(xiàn)蒸汽膜階段，完全決定于工件表面的溫度高低。只有工件表面溫度超過一定程度后，冷卻過程中才會出現(xiàn)蒸汽膜階段。這個特定的溫度值是隨工件的特點、所用介質(zhì)的特性和其它有關(guān)條件而變的。只有工件的表面溫度高于上述特定的溫度值時，才可能出現(xiàn)和維持冷卻的蒸汽膜階段。低于這個值，就形不成完整而穩(wěn)定的蒸汽膜，也就見不到冷卻的蒸汽膜階段。我們把這個特定溫度叫做該介質(zhì)在當時的使用條件下的特性溫度。和在統(tǒng)一約定的條件下，評價不同介質(zhì)品種的冷卻特性的標準相比，上述特定溫度應(yīng)當是廣義的特性溫度；而標準中的則是狹義的特性溫度。狹義的特性溫度的測定條件大多是：在介質(zhì)不攪動的條件下，水性樣品用30℃的液溫，快速油用50℃的油溫，熱油用100℃的油溫。同時要說明的是，采用熱電偶熱端位于探頭中心的測定標準側(cè)出的特性溫度值，總是低于工件表面實際的特性溫度值。此外，我們從道理上討論特性溫度問題時，用的是工件表面的實際的特性溫度，也就是廣義的特性溫度。實際工件淬火時，表面的不同部位在不同的時間接觸的介質(zhì)的特性溫度是不相同的，并且是在變化的。

工件表面溫度低于介質(zhì)的上述特性溫度，就進入沸騰冷卻階段。在沸騰冷卻階段，工件的散熱途徑更為多樣，既包含介質(zhì)與工件表面直接接觸的熱轉(zhuǎn)遞散熱、介質(zhì)變成蒸汽的吸熱，也包括所有情況下的表面熱輻射散熱和對流傳熱散熱。當表面溫度降低到稍高于介質(zhì)的沸點溫度時，沸騰冷卻階段就結(jié)束了。繼續(xù)冷卻就主要靠介質(zhì)接觸工件的熱轉(zhuǎn)遞和介質(zhì)的對流散熱來完成，直至工件表面溫度與介質(zhì)溫度相同為止。

綜上所述，在液體介質(zhì)中做淬火冷卻，當介質(zhì)的平均溫度低于介質(zhì)的沸點溫度時，可能出現(xiàn)的冷卻階段為：①如果淬入工件的表面溫度高于所用介質(zhì)的特性溫度，冷卻過程將出現(xiàn)蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段。② 當淬入工件的表面溫度處于介質(zhì)的特性溫度和介質(zhì)的沸點溫度之間時，出現(xiàn)沸騰階段和對流階段。③當淬入工件的表面溫度等于低于介質(zhì)的沸點溫度時，就只有對流冷卻階段了。圖3概括了上述3種情況的冷卻速度曲線的形狀特點。

3 發(fā)生超差畸變的3要素

在熱處理生產(chǎn)現(xiàn)場，說工件發(fā)生了變形指的是工件的畸變量超過了技術(shù)指標規(guī)定的程度，也就是發(fā)生了超差畸變。產(chǎn)生熱處理超差畸變的3要素為：足夠大的應(yīng)力，足夠好的塑性以及足夠長的作用時間。任何熱處理超差變形都需要這三個要素，只是3者的大小關(guān)系是可以互補的。如果應(yīng)力很大，材料的塑性好，作用時間雖短，也會引起大的畸變。比如紅熱工件在轉(zhuǎn)移中受到?jīng)_撞引起的畸變。塑性好，作用時間很長，即便應(yīng)力不大，也可能引起大的畸變。比如淬火加熱時，工件堆放不當，疊壓或者自重引起的應(yīng)力雖然不大，但因加熱時間長，也容易造成超差畸變。又如，在淬火冷卻初期，因工件的塑性好，介質(zhì)攪動過于強烈，液流沖擊到細長工件，也會引起超差的彎曲變形。這些都是外力引起的變形。一般說，因外力引起的畸變問題，其解決辦法相對比較簡單。高溫時，過冷奧氏體的塑性較好，而冷到能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，奧氏體的塑性就相當差了。同時，馬氏體轉(zhuǎn)變經(jīng)歷的時間也相當?shù)亩?。雖然如此，馬氏體轉(zhuǎn)變前后的比容差引起的應(yīng)力非常之大，仍有可能造成超差的畸變。這是內(nèi)應(yīng)力引起的畸變。

因內(nèi)應(yīng)力引起的畸變，情況要復(fù)雜得多。內(nèi)應(yīng)力的來源比較多，但通?？梢詺w為熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力兩類。冷卻過程中，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力又常常和熱應(yīng)力共同存在，相互疊加或?qū)ο?。?nèi)應(yīng)力都是在變化著大小和分布中起作用。加上工件的形狀因素，它們的作用情況就更加復(fù)雜。其中，值得注意的有3點：①在液體介質(zhì)中淬火冷卻時，形狀較復(fù)雜的工件不同部位表面溫度差別會很大。冷得快的部分一旦冷到所用液體介質(zhì)的特性溫度以下，表面附近就立即從蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段。這部分表面獲得的冷卻速度會突然大增，與附近仍然處于蒸汽膜階段部分的溫度差異就會急劇增大。溫差大，熱應(yīng)力也就大。如果該介質(zhì)的特性溫度偏低，冷得慢的部分將長期處于蒸汽膜階段，使上述熱應(yīng)力長期起作用。在介質(zhì)特性溫度附近，過冷奧氏體的塑性一般較好。應(yīng)力大，材料塑性好，加上作用時間長，就容易引起超差畸變。②冷卻速度過快時，工件不同部位的溫差較大，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時的體積膨脹，可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使還未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體產(chǎn)生一定量的塑性變形。③淬火冷卻的速度不足時，在相當于端淬曲線上馬氏體組織的百分比急劇變化的區(qū)域，不大的冷卻速度差異，常常也引起較大的內(nèi)應(yīng)力，最終引起大的畸變，且淬火硬度不足。

材料的塑性與材料的溫度密切相關(guān)。高溫下，材料的塑性好，容易發(fā)生變形。此外，在材料發(fā)生相變過程中，因出現(xiàn)相變超塑性，使塑性變形更容易。因為裝放不當，在淬火加熱過程中由外力引起的熱處理畸變，就有一部分是珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體過程中增加的超塑性引起的。工件加熱中由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體時有超塑性。過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時有超塑性。就連馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變時也有超塑性。大薄片工件的淬火冷卻畸變，用加壓回火來加以校正，靠的主要是回火轉(zhuǎn)變時的相變超塑性。這種辦法只在第一次回火時有效，原因就在這里。

在熱處理中，為了減小畸變量，凡需要比較長的時間才能完成的過程，比如，工件加熱過程，應(yīng)當設(shè)法把可能出現(xiàn)的內(nèi)外應(yīng)力減至最小。為了縮短熱應(yīng)力引起的畸變，使用液體冷卻介質(zhì)時，要設(shè)法縮短介質(zhì)的蒸汽膜階段，以便縮短工件冷卻過程中不同部位的表面溫度跨在介質(zhì)特性溫度上下的時間。

在制定工藝時，應(yīng)同時從上述3要素上采取措施來減小熱處理變形。其原則是：減小內(nèi)外因素引起的應(yīng)力，縮短應(yīng)力的作用時間，尤其是在工件處于塑性好的時期。在分析已發(fā)生的熱處理畸變時，注意應(yīng)力大、塑性好和作用時間長等諸因素，會比較容易找到引起畸變的主要原因。

4 水的第二大缺點引起畸變的原因

在測量的冷卻曲線上，從蒸汽膜階段到沸騰階段的過渡期，是冷卻速度由慢到快的突變期。通常把這種突變對應(yīng)的探棒溫度，稱為所測冷卻介質(zhì)的特性溫度。如圖1a所示。需要說明的是，我們見的冷卻特性曲線，是用熱電偶熱端位于探棒的中心的儀器測量出來的。事實上，工件表面的溫度一降低到介質(zhì)的特性溫度，表面附近的介質(zhì)就立刻進入沸騰階段。在液體介質(zhì)的沸騰冷卻階段，工件的表面溫度越高，沸騰就越激烈，表面獲得的冷卻速度就越快。 圖4a中進入沸騰階段后的冷卻速度是逐漸加大的，最高冷卻速度出現(xiàn)在特性溫度以下，這是熱電偶熱端位于探棒中心，加上探棒形狀為圓柱形的緣故。如果均勻圓球在完全均勻條件下冷卻，熱電偶又位于其表面，則有另一種圖形形式，如圖4b所示。由蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段，表面冷卻速度總是沸騰階段的最高值，而不是通過一段時間才增加至最高值。在實際工件冷卻中，不同部位按降溫的快慢，先后進入沸騰階段。同一工件的不同部位，有的在特性溫度之上，有的已經(jīng)冷到了特性溫度之下，它們之間的冷卻速度差異，往往會引起大的內(nèi)應(yīng)力。當從介質(zhì)的特性溫度以上冷卻下來時，所有液體介質(zhì)都存在這一缺點。我們把這個缺點簡單稱為液體介質(zhì)的特性溫度麻煩，或者特性溫度問題。

與氣體冷卻介質(zhì)相比，液體冷卻介質(zhì)的冷卻速度的可調(diào)節(jié)范圍不太寬，這使確定的任何一種液體介質(zhì)都只能適用一定范圍的工件。用于要求更高冷卻速度的工件，將淬不硬，用于要求更低冷卻速度的工件，又要淬裂。我們把這一特點稱為液體冷卻介質(zhì)的第一缺點。在此又把上面討論的，“可能在工件局部區(qū)域發(fā)生冷卻速度突變，從而引起大的內(nèi)應(yīng)力”，也就是特性溫度問題稱為液體冷卻介質(zhì)的第二個缺點。相比之下，單純的氣體冷卻介質(zhì)，既可以改變流速來調(diào)節(jié)冷卻速度，又可以利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)不同氣壓的高壓氣淬，從而能在很寬的范圍改變冷卻速度。表2為不同介質(zhì)的有關(guān)特性。由表2可見，改變流速可以在一定范圍調(diào)節(jié)冷卻速度，改變介質(zhì)的壓力，也能在一定程度內(nèi)調(diào)節(jié)介質(zhì)的冷卻速度。液體介質(zhì)具有流動性，因此可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其冷卻速度。氣體介質(zhì)同時具有好的流動性和可壓縮性，能在更寬的范圍調(diào)節(jié)其冷卻速度。加上沒有特性溫度麻煩，使氣體沒有上述液體介質(zhì)的兩個缺點。固體介質(zhì)由于沒有流動性，也沒有可壓縮性，作為淬火冷卻介質(zhì)的用途就很少。

表2  固、液、氣介質(zhì)的基本特性
Table 2 The basic properties of solid, liquid and gas quenchant 介質(zhì)類型 固體 液體 氣體 流動性 無 好 很好 可壓縮性 無 無 很好 冷卻速度的可調(diào)節(jié)范圍 極小 不寬 寬 特性溫度麻煩無 有 無

本文開頭提到的自來水的第二大缺點，實際上包含了液體介質(zhì)的第二個缺點，以及自來水的特性溫度對水溫特別敏感兩個特性。因為都是有關(guān)其特性溫度的缺點，為簡單起見，我們把它們統(tǒng)稱為自來水的第二大缺點。自來水不僅有液體介質(zhì)的第二缺點，而且因為水溫升高，冷卻的蒸汽膜階段會迅速延長，使這種因素引起的內(nèi)應(yīng)力長期存在，為產(chǎn)生變形提供了塑性好，應(yīng)力大和作用時間長的條件，因此不僅引起嚴重的硬度不均，更會加大工件的淬火畸變。說它是大缺點，“大”就大在自來水的冷卻特性對水溫特別敏感上。

5 克服第二類缺點的技術(shù)方法

綜合上述討論，推廣開來，我們建議用以下七類辦法，來克服液體介質(zhì)的上述第二類缺點。

⑴ 在單一的冷卻階段內(nèi)冷卻。選用那些特性溫度高于工件的淬火加熱溫度的介質(zhì)，使整個冷卻過程都在沸騰階段進行。比如，通常使用硝鹽浴冷卻屬于這類。或者完全在介質(zhì)的特性溫度以上冷卻，使整個冷卻過程都在蒸汽膜階段進行。比如，在慢速的漿狀介質(zhì)中冷卻高合金鋼工件，屬于此類。我們認為，這是上等的解決辦法。

圖5為160℃硝鹽浴與40℃的快速淬火油今禹Y15-II的冷卻速度曲線對比。由圖5可見，今禹Y15-II是冷卻速度很快的淬火油。而在整個冷卻過程中，硝鹽浴的冷卻速度都比今禹15-II要快。按現(xiàn)在還流行的一種觀點“在冷卻速度快的介質(zhì)中淬火，工件的淬火畸變會更大”，油中的淬火畸變應(yīng)當更小。但生產(chǎn)證明，硝鹽浴中淬火變形更小。有人用200℃的硝鹽浴與100℃熱油作了畸變大小試驗對比，結(jié)果見圖6^[2]。 油中淬火的工件，變形更大而且更分散。究其原因，是硝鹽浴的特性溫度高于工件的入液溫度，從而實現(xiàn)了在單一的冷卻階段（沸騰冷卻階段）冷卻的緣故。圖7是高合金鋼的剔齒刀的分級鹽浴冷卻工藝。圖8為高合金鋼的3次分級冷卻工藝曲線與只有蒸汽膜階段的慢速漿狀介質(zhì)的冷卻過程曲線^[3]的對比。與漿狀介質(zhì)相比，在分級冷卻過程中，每次放入鹽浴時，都會因冷卻速度快而引起較大的內(nèi)應(yīng)力?？梢酝浦月贊{狀介質(zhì)冷卻，將會進一步減小工件的淬火畸變。

⑵ 選用蒸汽膜階段長短對液溫變化不敏感的介質(zhì)，比如各種淬火油。采用油淬火時，工件堆放得稍微密集一點，使不同部位的工件接觸的油有一定的溫度差異時，各部位接觸的油的特性溫度基本上沒有差別，如圖1b所示。這就可以減小不同部位的冷卻差異，從而減小工件的淬火畸變。

⑶ 加入能減小介質(zhì)液溫敏感性的添加劑，如自來水中溶入一定量的無機鹽或堿。

⑷ 選用蒸汽膜階段短的介質(zhì)。形狀復(fù)雜的工件，尤其是帶較深內(nèi)孔的工件，為減小淬火畸變，選用淬火油時，必須考慮到這一點。

⑸ 降低水性介質(zhì)的使用溫度，來提高水的特性溫度，并降低水的最高溫升程度。如果能將水的特性溫度提高到工件的加熱溫度以上，還可以免除特性溫度麻煩。

⑹ 降低工件的加熱（或入液）溫度，以縮短工件處于蒸汽膜階段的時間。

⑺ 通過增大工件之間的距離和加大介質(zhì)的攪拌烈度等措施，減小工件周圍的液溫升高程度，以減小上述內(nèi)應(yīng)力。