小議淬火介質(zhì)冷卻性能的相關(guān)研究

李蘭芳

摘要：淬火作為熱處理環(huán)節(jié)的主要技術(shù)，同時冷卻又是淬火必經(jīng)的一步，因此對冷卻性能的研究是非常關(guān)鍵的。由于淬火后通常不能進行機械加工，這時如果發(fā)生了變形或開裂，就會導(dǎo)致機械報廢，因此對淬火介質(zhì)冷卻性能的研究就變得非常重要。

關(guān)鍵詞：淬火介質(zhì);冷卻性能;相關(guān)研究

一、淬火介質(zhì)的相關(guān)研究

（一）淬火介質(zhì)的類別和特點

為滿足各種不同類別、尺寸以及形狀工件的淬火要求，在市場中就出現(xiàn)了各種各樣的淬火介質(zhì)，包括液體、氣體和固體。其中液體的主要包括水、無機物水溶液、淬火油、熔鹽、熔堿等。氣體的主要包括空氣、壓縮空氣以及液化氣。固體的主要為流態(tài)床和金屬板。

1.水。水是最早被使用的淬火介質(zhì)，因為它經(jīng)濟、無害、冷卻性能還強。不過也有缺點，如冷卻性能對水溫的要求較高，當(dāng)水溫過高時，其冷卻性能會嚴重變低。所以水僅適用在含碳少、淬透性小以及簡單形狀的工件淬火當(dāng)中。

2.油。淬火所用的礦物油一般是經(jīng)過精制后的中性石蠟基油，其粘性較小，而且油煙和油垢較少，還有一定的抗氧化能力，因此應(yīng)用的時間較長，非常適合用來當(dāng)淬火介質(zhì)。

3.熔鹽、熔堿。熔鹽、熔堿介質(zhì)在冷卻時不會出現(xiàn)物態(tài)改變，而且此種淬火介質(zhì)在高溫下冷卻比較快，低溫下冷卻較慢，其淬火效果比較好，而且工件的變形小，幾乎不會出現(xiàn)裂縫。不過這種介質(zhì)也具有一定的缺點，主要是污染環(huán)境、能源消耗量大、成本高。因此主要用在形狀復(fù)雜、尺寸變化大的工件淬火當(dāng)中。

4.有機聚合物。目前有機聚合物淬火劑是一種新興的淬火介質(zhì)，此淬火介質(zhì)主要是把有機聚合物溶在水里，然后按照實際情況來調(diào)整溶液的濃度及溫度，其冷卻性能不僅能夠達到所要求的標準，而且還具有無害、無煙、無味、不腐蝕等特點，既安全又可靠。

5.無機物水溶液。由于對淬火介質(zhì)的不斷研究，使得我們開始了向水里加入堿、無機鹽的實驗，發(fā)現(xiàn)能夠形成由無機物所組成的溶液，既能夠提升高溫下其冷卻的速度，還能夠保證冷卻均勻，避免淬火后發(fā)生變形和裂縫。

6.流態(tài)床。流態(tài)床的冷卻性能通常處在空氣與油的中間，并較為類似油。流態(tài)床是先把壓縮空氣或吹動金屬放進特制的淬火冷卻槽里，然后調(diào)整壓縮空氣的流量及流速，選取種類不同的粉末，經(jīng)過對顆粒大小和流態(tài)床深度、溫度的調(diào)整來改善流態(tài)床的冷卻性能。

（二）淬火介質(zhì)的特性

對淬火介質(zhì)的要求應(yīng)該是均勻，并且淬硬深度足夠的，同時還不能給工件造成變形和裂縫。所以對淬火介質(zhì)所希望的特點包括：為取得馬氏體組織，當(dāng)淬火工件浸在淬火介質(zhì)里時，過冷奧氏體穩(wěn)定性低的溫度之內(nèi)，也就是曲線C的鼻溫周圍，冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，這樣才可保證工件迅速經(jīng)過珠光體以及貝氏體的轉(zhuǎn)換區(qū)域，確保工件硬度。在碳鋼與低合金鋼淬火冷卻至650℃以前，奧氏體還較為平穩(wěn)，能夠較慢的冷卻，還可以降低工件由于內(nèi)外溫度差而造成的熱應(yīng)力。當(dāng)介于650～450℃時，要求冷卻的速度要快，當(dāng)?shù)陀?00℃時，則要求冷卻速度應(yīng)慢，避免因為工件內(nèi)外溫差而帶來的熱應(yīng)力，進而防止工件出現(xiàn)變形與裂縫。

（三）對淬火介質(zhì)冷卻性能產(chǎn)生影響的原因

對淬火介質(zhì)冷卻性能產(chǎn)生影響的原因有兩個，分別是淬火介質(zhì)的物理性及淬火過程的工作條件。其中，介質(zhì)物理性的影響因素主要包括：蒸汽壓和汽化熱、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力、粘度以及添加劑。工作條件主要是攪動和溫度的影響因素。

二、試驗材料及方法

（一）試驗材料

本試驗的主要材料為42CrMo鋼，其機械性能極其強，具有高強度、大韌性、強淬透性的特點，處于高溫情況下具有高強度、耐久性的優(yōu)點。42CrMo鋼總被用來制造齒輪、螺栓等零件。同時還被用在制造高強度、大調(diào)面的鍛件，像大型壓縮機的活塞桿、連桿以及鉆井的鉆桿接頭等部位。

（二）試驗的淬火介質(zhì)

本試驗的淬火介質(zhì)有四種分別為：14.5%水基高聚物水溶液（WP1）、N32機械油（N32）、快速淬火油（FQO）以及水基高聚物淬火液（WP2）。第一，14.5%水基高聚物水溶液（WP1）。WP1具有良好的熱穩(wěn)定性和剪切性，其淬火冷卻速度不會由時間變化而變化。第二，N32機械油。我們用礦物油當(dāng)淬火介質(zhì)是從二十世紀五十年代開始的，以機械油為主，其作用為潤滑和冷卻。第三，快速淬火油（FQO）。將FQO做淬火介質(zhì)時，當(dāng)處于高溫狀態(tài)時，其冷卻速度均勻而且非?？臁Ｔ趯α骼鋮s過程中，冷卻的速度均勻并緩慢，不僅能保障工件的淬硬，還能防止工件變形。第四，水基高聚物淬火液（WP2）。WP2的淬火冷卻性能和油相似，在淬火過程中不會發(fā)生煙氣而污染環(huán)境，對操作人員和設(shè)施起到了保護的作用。

（三）試驗儀器

所用的試驗儀器主要包括：SX2-8-10箱式電阻爐、Olympus BX-51M 型光學(xué)顯微鏡、HR-150 型洛氏硬度儀以及AG-IC100kN 系列島津電子萬能試驗機。

（四）試驗的方法

（1）主要使用42CrMo鋼作為試驗的材料，其工藝流程是：淬火加熱溫度850℃，保溫的時間6h，淬火介質(zhì)溫度是30℃。回火溫度600℃，保溫的時間6h。采用冷卻特性測試儀描繪N32、WP1、FQO（新）和使用一個月后的（舊）冷卻特性曲線，對使用后淬火介質(zhì)的冷卻性能進行分析。

（2）將高聚物基淬火液（WP2）調(diào)制出5%、10%、15%、20%濃度的溶液當(dāng)作試驗的淬火介質(zhì)。將18mm直徑的棒材截為125～140mm的圓柱24段，不同濃度的淬火介質(zhì)各6個。再采用箱式電阻爐對工件加熱到850℃，保溫0.5h，用5%、10%、15%、20%的WP2分別在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃淬火，不同的溫度中淬火一個試樣，然后做好標記，進行回火處理，回火溫度550℃，保溫1h。在試驗中，應(yīng)注意淬火介質(zhì)的濃度及溫度。

三、結(jié)論

我們主要以42CrMo鋼材為材料，取幾樣淬火介質(zhì)來進行試驗，分析其在淬火介質(zhì)中的變化，給今后淬火介質(zhì)的使用打下基礎(chǔ)。主要以機械油（N32）、14.5%水基高聚物水溶液（WP1）和快速淬火油（FQO）為淬火介質(zhì)，總結(jié)如下：（1）機械油（N32）和14.5%水基高聚物水溶液（WP1）經(jīng)過一段時期的應(yīng)用后其冷卻性能明顯降低。2.快速淬火油（FQO）在應(yīng)用一段時期后會發(fā)生老化，同時出現(xiàn)大量的水和雜質(zhì)。3.舊N32和WP1的處理強度較差，舊FQO 的處理強度還算高一些。4.濃度及溫度對WP2的冷卻性能影響較大。如果加大WP2的濃度及溫度會增長蒸汽膜的時間，使冷卻速度變低。因此對這2個參數(shù)進行調(diào)整能夠使WP2改變其冷卻性能，以滿足不同的淬火需求。5.經(jīng)過本次試驗，得到了溫度和濃度對WP2冷卻性能的影響，發(fā)現(xiàn)WP2最好的濃度大概為10%，最好的時間為40～50℃。因此能夠調(diào)節(jié)這些根本指標，借助調(diào)整濃度和溫度的方法來改變淬火介質(zhì)的冷卻速度。

參考文獻：

[1] R.T.von，Bergeo. 淬火介質(zhì)的選擇和控制對工程用鋼零件變形的影響. 國外機車車輛工藝，1995，）（3）：38-44.

[2] 王路順，邢振平. 淬火介質(zhì)應(yīng)用及試驗評價 [J]. 哈爾濱軸承，2004，25（1）：22-26.

[3] 楊淑范，陳守介. 淬火介質(zhì)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1990：1-94.

[4] 陳乃錄，潘健生，廖波. 淬火冷卻技術(shù)進展 [A]. 中國熱處理（熱處理學(xué)會成40周年專輯）[C].北京：中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.2003，260-262.

[5] 陳志宏，吳季恂. 冷卻介質(zhì)性能評定方法的進展-冷卻曲線的發(fā)展和應(yīng)用 [J]. 金屬熱處理.1998，（6）：4-8.