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1、自来水做淬火介质的两大缺点 从自来水淬火时工件容易淬裂、硬度不均且畸变大等现象， 列出了自来水作为淬火介质的两大缺点：一是低温冷却速 度太快，二是冷却特性对水温变化太敏感。分析了自来水 第二大缺点引起淬火硬度不均和畸变的原因。通过与气态 介质的对比，指出了液态淬火介质共同的两类缺点：一是 任何确定的液态介质，其冷却速度的可调节范围都很有限， 以致同一个车间必须配备普通淬火油、中速淬火油和高速 淬火油，才能满足不同工件的需要；二是工件从蒸汽膜阶 段到沸腾阶段期间，冷却速度突然增大，可能引起较大的 淬火变形。提供了克服液态淬火介质第二类缺点的七类技 术方法。 关键词：水；淬火介质；淬火冷却；淬火冷
2、却畸变 1 自来水的两大缺点 多数工件用自来水淬火会开裂，淬裂的原因是众所周知的：自来水的低温冷却速度太快。 这 是自来水的一大缺点。 用水作冷却介质，还遇到另外的问题。 例如，多个工件采取比较密集的方式同时入水时，淬 火后会有显著的硬度差异。 为此，现在的多用炉基本不用水性淬火介质。 又如，工件上有较 深的内孔、 工件为大薄片状、 以及形状复杂时，水淬后往往出现严重的硬度不均和较大的淬 火畸变。 同样的情况，在油中淬火时，则不会发生这样严重的问题。 引起这些问题的原因是， 水的冷却特性对水温变化太敏感。 图 1a 是温度对自来水冷却特性的影响曲线1。 容易推知， 当单个工件在自来水中淬火时，
3、由于形状或所处位置的原因，工件不同部位的表面接触的 水温是不同的：工件上的凹进部分接触的水温高，而突出部分接触的水温则相对要低些。 位 于下面部分接触的水温较低，上面部位接触的水温较高。 当多个工件以比较密集装挂的方式 同时入水时，位于外面的工件接触的水温较低，而内部的工件接触的水温则较高。 再加上同 一工件朝外的面接触的水温较低，朝里的面接触水温则较高。 不同的水温对应不同的冷却特 性，其结果就引起了上述种种问题。 图1b 为温度对油的冷却特性的影响曲线。 由图1 的对比， 可以看出水温对冷却特性的影响是很大的。 我们把冷却特性对液温变化太敏感列为自来水的 第二大缺点。 有机聚合物水溶液，比
4、如PAG 淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺点。图1c为不同 液温的10硫酸钠水溶液的冷却特性曲线。由图1c可见，10的无机盐（或碱）溶入水中， 可以大大减小冷却特性对水温的敏感性程度。与单纯自来水相比，直到水温达到 70，其 冷却特性对液温的敏感程度还是比较小的。 表1 为自来水、 PAG 淬火液和淬火油等液体介质 的上述两项特性。 上述对液温的敏感性，主要是通过液温对冷却过程中蒸汽膜阶段长短的影 响，而最终反映在同一工件的不同部位之间、 不同工件之间、 以及不同批次淬火工件之间出 现大的硬度差异和严重的淬火中畸变上。 表1 不同种类液体介质的两大特点对比 Table 1 Compari
5、son of two main features of different liquid quenching medium 介质名称 自来 水 油 PAG 淬火液 10%无机盐(或碱)的水溶液 熔融盐浴(如硝盐浴) 防止钢件淬裂的能力 差 好 浓度适当时相当好 差 好 冷却特性对液温的稳定性 差 好 较差 较好 好 2 冷却速度曲线上出现 3 个区段的条件 在研究无机盐水溶液时，曾经有过一种错误的说法： “在任何液体介质中淬火冷却，都会出现蒸汽膜（膜 沸腾）阶段、 （泡）沸腾阶段和对流冷却阶段”。 即便 在采用 1000张/s 的快速摄影也没有发现蒸汽膜阶段 时，也仍然坚持这一看法。 为了说明
6、上述说法的错误所在，我们简单分析一下上 述3 个阶段的成因。在冷却的蒸汽膜阶段，红热工件被水蒸气包裹着，如图 2所示。此时， 工件表面向外部散热是通过热辐射和水蒸气的对流来实现的。 其中，热辐射的作用最大。 靠 辐射热以及对流传递的热使包裹蒸汽膜的汽液界面发生沸腾。 沸腾产生的水蒸气充实进蒸 汽膜中，使膜内的蒸汽压足以抵挡外部液体的压力，则蒸汽膜得以维持。 我们知道，物体表 面向外辐射的热量与该表面的绝对温度的 4 次方成正比。 因此，工件表面温度越高，汽液 界面上的沸腾就越激烈。 其结果蒸汽膜就越厚，也越稳定。 由于稳定的蒸汽膜阶段几乎没有 气泡进入液相中，我们可以把气液界面包裹着的部分看成
7、一个体系。 这个体系的外部是气体， 里面包裹着的是固体。 这个体系对外的热散失主要是靠对流来进行。 接触上述体系的液体被 加热，再通过对流把热量带到更远处。其情形就像始终保持在 100的工件在水中的散热情 况一样。 随着冷却的进行，工件表面温度降低，汽液界面上沸腾的激烈程度会迅速降低。 蒸汽膜阶段的冷却速度随之减小。由于沸腾区域的汽液界面上发生着的是水蒸汽?水的双 向变化，当水沸腾产生的水蒸气的量少于膜内的水蒸气变成水所损失的量时，包裹工件的 蒸汽膜就会变薄。 当蒸汽膜内保有的水蒸气少到不能抵挡外部液体的压力时，蒸汽膜就会破 裂。 蒸汽膜阶段也就终止了。 工件上该部位也就进入了沸腾冷却阶段。
8、综上所述，工件（或探 棒）冷却过程中是否出现蒸汽膜阶段，完全决定于工件表面的温度高低。 只有工件表面温度 超过一定程度后，冷却过程中才会出现蒸汽膜阶段。 这个特定的温度值是随工件的特点、 所 用介质的特性和其它有关条件而变的。只有工件的表 面温度高于上述特定的温度值时，才可能出现和维持 冷却的蒸汽膜阶段。低于这个值，就形不成完整而稳 定的蒸汽膜，也就见不到冷却的蒸汽膜阶段。我们把 这个特定温度叫做该介质在当时的使用条件下的特性温度。 和在统一约定的条件下，评价不 同介质品种的冷却特性的标准相比，上述特定温度应当是广义的特性温度；而标准中的则 是狭义的特性温度。 狭义的特性温度的测定条件大多是：
9、在介质不搅动的条件下，水性样品 用30的液温，快速油用 50的油温，热油用100的油温。 同时要说明的是，采用热电偶 热端位于探头中心的测定标准侧出的特性温度值，总是低于工件表面实际的特性温度值。 此 外，我们从道理上讨论特性温度问题时，用的是工件表面的实际的特性温度，也就是广义 的特性温度。 实际工件淬火时，表面的不同部位在不同的时间接触的介质的特性温度是不相 同的，并且是在变化的。 工件表面温度低于介质的上述特性温度，就进入沸腾冷却阶段。 在沸腾冷却阶段，工件的散 热途径更为多样，既包含介质与工件表面直接接触的热转递散热、 介质变成蒸汽的吸热，也 包括所有情况下的表面热辐射散热和对流传热散
10、热。 当表面温度降低到稍高于介质的沸点温 度时，沸腾冷却阶段就结束了。 继续冷却就主要靠介质接触工件的热转递和介质的对流散热 来完成，直至工件表面温度与介质温度相同为止。 综上所述，在液体介质中做淬火冷却，当介质的平均温度低于介质的沸点温度时，可能出 现的冷却阶段为：如果淬入工件的表面温度高于所用介质的特性温度，冷却过程将出现 蒸汽膜阶段、 沸腾阶段和对流阶段。 当淬入工件的表面温度处于介质的特性温度和介质的 沸点温度之间时，出现沸腾阶段和对流阶段。 当淬入工件的表面温度等于低于介质的沸点 温度时，就只有对流冷却阶段了。图 3 概括了上述 3种情况的冷却速度曲线的形状特点。 3 发生超差畸变的
11、 3 要素 在热处理生产现场，说工件发生了变形指的是工件的畸变量超过了技术指标规定的程度， 也就是发生了超差畸变。 产生热处理超差畸变的 3要素为：足够大的应力，足够好的塑性以 及足够长的作用时间。 任何热处理超差变形都需要这三个要素，只是 3者的大小关系是可以 互补的。 如果应力很大，材料的塑性好，作用时间虽短，也会引起大的畸变。 比如红热工件 在转移中受到冲撞引起的畸变。 塑性好，作用时间很长，即便应力不大，也可能引起大的畸 变。 比如淬火加热时，工件堆放不当，叠压或者自重引起的应力虽然不大，但因加热时间长， 也容易造成超差畸变。 又如，在淬火冷却初期，因工件的塑性好，介质搅动过于强烈，液
12、流 冲击到细长工件，也会引起超差的弯曲变形。 这些都是外力引起的变形。 一般说，因外力引 起的畸变问题，其解决办法相对比较简单。 高温时，过冷奥氏体的塑性较好，而冷到能发生 马氏体转变时，奥氏体的塑性就相当差了。 同时，马氏体转变经历的时间也相当的短。 虽然 如此，马氏体转变前后的比容差引起的应力非常之大，仍有可能造成超差的畸变。 这是内应 力引起的畸变。 因内应力引起的畸变，情况要复杂得多。 内应力的来源比较多，但通常可以归为热应力和组 织转变应力两类。 冷却过程中，组织转变应力又常常和热应力共同存在，相互叠加或对消。 内应力都是在变化着大小和分布中起作用。 加上工件的形状因素，它们的作用情
13、况就更加复 杂。 其中，值得注意的有 3点：在液体介质中淬火冷却时，形状较复杂的工件不同部位表 面温度差别会很大。 冷得快的部分一旦冷到所用液体介质的特性温度以下，表面附近就立即 从蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段。 这部分表面获得的冷却速度会突然大增，与附近仍然处于 蒸汽膜阶段部分的温度差异就会急剧增大。 温差大，热应力也就大。 如果该介质的特性温度 偏低，冷得慢的部分将长期处于蒸汽膜阶段，使上述热应力长期起作用。 在介质特性温度附 近，过冷奥氏体的塑性一般较好。 应力大，材料塑性好，加上作用时间长，就容易引起超差 畸变。 冷却速度过快时，工件不同部位的温差较大，过冷奥氏体转变成马氏体时的体积膨
14、胀，可能引起很大的内应力，使还未发生马氏体转变的过冷奥氏体产生一定量的塑性变形。 淬火冷却的速度不足时，在相当于端淬曲线上马氏体组织的百分比急剧变化的区域，不 大的冷却速度差异，常常也引起较大的内应力，最终引起大的畸变，且淬火硬度不足。 材料的塑性与材料的温度密切相关。 高温下，材料的塑性好，容易发生变形。 此外，在材料 发生相变过程中，因出现相变超塑性，使塑性变形更容易。 因为装放不当，在淬火加热过程 中由外力引起的热处理畸变，就有一部分是珠光体转变成奥氏体过程中增加的超塑性引起 的。 工件加热中由珠光体转变成奥氏体时有超塑性。 过冷奥氏体发生马氏体转变时有超塑性。 就连马氏体发生回火转变时
15、也有超塑性。 大薄片工件的淬火冷却畸变，用加压回火来加以校 正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。 这种办法只在第一次回火时有效，原因就在这里。 在热处理中，为了减小畸变量，凡需要比较长的时间才能完成的过程，比如，工件加热过 程，应当设法把可能出现的内外应力减至最小。 为了缩短热应力引起的畸变，使用液体冷却 介质时，要设法缩短介质的蒸汽膜阶段，以便缩短工件冷却过程中不同部位的表面温度跨 在介质特性温度上下的时间。 在制定工艺时，应同时从上述3 要素上采取措施来减小热处理变形。 其原则是：减小内外因 素引起的应力，缩短应力的作用时间，尤其是在工件处于塑性好的时期。 在分析已发生的热 处理畸变时，注意应力大、 塑性好和作用时间长等诸因素，会比较容易找到引起畸变的主要 原因。
