热处理淬火冷却技术（一）

HEATS

    在研究自来水作为淬火介质的两大缺点的文章中，附带提出了液态淬火介质具有两个共性的缺点。 缺点之一是：任何一种确定的液态淬火介质，都只有相当有限的适用范围，用于要求更高冷却速度的工件，将淬不硬；用于要求更低冷却速度的工件，又会淬裂。缺点之二是： 当淬火工件从高于介质的特性温度冷却下来时，往往在工件的局部区域发生冷却速度突变，因此引起很大的内应力，从而可能造成超差的淬火变形。本文将全面讨论液态淬火介质这两个共性的缺点，而重点是介绍克服第一类缺点的各种措施。

    一 关于第一个缺点 

图1 自来水和N32#机油的冷速曲线对比

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    某些工件“油淬不硬，水淬要裂”曾经是困扰热处理生产的一个难题。究其原因，普通机油和自来水都只有有限的适用范围。从冷却速度分布情况看，在自来水和普通机油之间有一个相当宽的空白地带，如图1所示。以填补这一空白为目标，通过几十年的工作，研究开发了多种油性和水性介质，基本上填补了水和普通机油之间的空白。到现在，常用的淬火介质，按冷却速度由慢到快的次序排列：使用温度较高的等温分级淬火油（热油）、普通机油、使用温度较低的等温分级淬火油（半热油）、中快速淬火油、快速淬火油，随后是高浓度的PAG淬火液、中浓度的PAG淬火液、低浓度的PAG淬火液，自来水、低浓度盐（或者碱）水等。它们都有各自的优缺点和各自的适用范围。一种淬火油是一种确定的淬火介质。同种水性淬火剂，配成不同的浓度，就是不同的淬火介质。填补自来水和普通机油之间的空白，需要这么多种不同的淬火介质！这是液态介质共性的第一个缺点所决定的。当今的高压气淬，选定一种适当的气体，通过改变气压，就可以获得从静止空冷到中等快速淬火油的不同冷却效果。相比之下，液态介质的这个缺点也实在太严重了。
    二 克服第一类共性缺点的措施
    由于清水的适用范围很有限，从古至今，人们不得不去寻找各式各样的淬火介质，并摸索出多种巧妙的淬火技术，来满足不同工件的热处理要求。这方面的工作，大致可以归纳成以下几类。 
    1 寻找或者研究开发多种不同适用范围的淬火介质，来满足不同的需要。
    这才有我们现在可以选用的多种淬火介质品种。 
    2 选择适用范围尽可能宽的淬火介质品种，而不是选择适用范围很窄的和特别专用的淬火介质。
    影响淬火介质使用范围宽窄的因素，包括介质的冷却特性对液温的敏感性、对相对流速的敏感性、介质的使用温度范围宽窄，以及介质的粘度对液温的敏感性等。 
    一般说，冷却特性对液温的敏感性越大，介质的适用范围越窄。相反，冷却特性对液温的敏感性越小，介质的适用范围就越宽。这是因为，多个工件同时淬火时，位于不同部位的工件，以及同一工件的不同部位，接触的液温是不相同的。于是，液温对介质冷却特性的影响越大，淬火后工件的性能均匀性就会越差。按这一规律，盐（或者碱）水溶液的适用范围就比自来水要宽。而淬火油的适用范围比相同冷却速度范围的水溶性介质要宽。 
    相对流速对冷却特性的影响越大，介质的适用范围就越窄。相反，相对流速对冷却特性的影响越小，介质的适用范围就越宽。这是因为，同时淬火时，位于不同部位的工件，以及同一工件的不同部位，与之接触的介质的相对流速是不相同的。于是，相对流速对介质冷却特性的影响越大，淬火后工件的性能均匀性就会越差。一般说，淬火油的冷却特性对相对流速的敏感性较小，而自来水的敏感性较大。PAG淬火液主要靠粘附在工件表明的聚合物膜来控制工件冷却速度，只要相对流速控制在不会冲掉那层聚合物膜的程度，流速大小对冷却特性的影响就会比自来水要小。 
    介质的使用温度范围宽是我们所希望的。使用范围宽的介质，可以在更广的范围使用，来满足不同工件的热处理要求。自来水的使用范围窄。淬火油的使用范围相对较宽。对于PAG淬火介质，浊点太低的品种使用的温度范围就很窄，而浊点相对较高的品种使用的温度范围就较宽。 
    当外力使液体发生流动时，其内部分子之间会产生一定的阻力来妨碍这种流动。这种阻力的大小就是液体的粘度。粘度是表征润滑油的流动性的主要指标。在其它条件相同时，粘度不同，液体的流动情况不同。流动情况不同，会进而影响工件获得的冷却效果。尤其是在工件形状较复杂，或者多个工件同时淬火时，冷却效果的差别会更大些。介质的粘度越高，其实际的冷却能力就越差；相反，介质的粘度越低，其实际的冷却能力就越强。因为这一原因，在我们凭冷却特性曲线比较不同油品的冷却能力时，也应同时考虑到油的粘度的影响。