在研究自來(lái)水作為淬火介質(zhì)的兩大缺點(diǎn)的文章中，附帶提出了液態(tài)淬火介質(zhì)具有兩個(gè)共性的缺點(diǎn)。 缺點(diǎn)之一是：任何一種確定的液態(tài)淬火介質(zhì)，都只有相當(dāng)有限的適用范圍，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，又會(huì)淬裂。缺點(diǎn)之二是： 當(dāng)淬火工件從高于介質(zhì)的特性溫度冷卻下來(lái)時(shí)，往往在工件的局部區(qū)域發(fā)生冷卻速度突變，因此引起很大的內(nèi)應(yīng)力，從而可能造成超差的淬火變形。本文將全面討論液態(tài)淬火介質(zhì)這兩個(gè)共性的缺點(diǎn)，而重點(diǎn)是介紹克服第一類(lèi)缺點(diǎn)的各種措施。
一 關(guān)于第一個(gè)缺點(diǎn)
自來(lái)水和N32#機(jī)油的冷速曲線對(duì)比
某些工件“油淬不硬，水淬要裂”曾經(jīng)是困擾熱處理生產(chǎn)的一個(gè)難題。究其原因，普通機(jī)油和自來(lái)水都只有有限的適用范圍。從冷卻速度分布情況看，在自來(lái)水和普通機(jī)油之間有一個(gè)相當(dāng)寬的空白地帶，如圖1所示。以填補(bǔ)這一空白為目標(biāo)，通過(guò)幾十年的工作，研究開(kāi)發(fā)了多種油性和水性介質(zhì)，基本上填補(bǔ)了水和普通機(jī)油之間的空白。到現(xiàn)在，常用的淬火介質(zhì)，按冷卻速度由慢到快的次序排列：使用溫度較高的等溫分級(jí)淬火油（熱油）、普通機(jī)油、使用溫度較低的等溫分級(jí)淬火油（半熱油）、中快速淬火油、快速淬火油，隨后是高濃度的PAG淬火液、中濃度的PAG淬火液、低濃度的PAG淬火液，自來(lái)水、低濃度鹽（或者堿）水等。它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍。一種淬火油是一種確定的淬火介質(zhì)。同種水性淬火劑，配成不同的濃度，就是不同的淬火介質(zhì)。填補(bǔ)自來(lái)水和普通機(jī)油之間的空白，需要這么多種不同的淬火介質(zhì)！這是液態(tài)介質(zhì)共性的第一個(gè)缺點(diǎn)所決定的。當(dāng)今的高壓氣淬，選定一種適當(dāng)?shù)臍怏w，通過(guò)改變氣壓，就可以獲得從靜止空冷到中等快速淬火油的不同冷卻效果。相比之下，液態(tài)介質(zhì)的這個(gè)缺點(diǎn)也實(shí)在太嚴(yán)重了。
二 克服第一類(lèi)共性缺點(diǎn)的措施
由于清水的適用范圍很有限，從古至今，人們不得不去尋找各式各樣的淬火介質(zhì)，并摸索出多種巧妙的淬火技術(shù)，來(lái)滿足不同工件的熱處理要求。這方面的工作，大致可以歸納成以下幾類(lèi)。
1 尋找或者研究開(kāi)發(fā)多種不同適用范圍的淬火介質(zhì)，來(lái)滿足不同的需要。
這才有我們現(xiàn)在可以選用的多種淬火介質(zhì)品種。
2 選擇適用范圍盡可能寬的淬火介質(zhì)品種，而不是選擇適用范圍很窄的和特別專(zhuān)用的淬火介質(zhì)。
影響淬火介質(zhì)使用范圍寬窄的因素，包括介質(zhì)的冷卻特性對(duì)液溫的敏感性、對(duì)相對(duì)流速的敏感性、介質(zhì)的使用溫度范圍寬窄，以及介質(zhì)的粘度對(duì)液溫的敏感性等。
一般說(shuō)，冷卻特性對(duì)液溫的敏感性越大，介質(zhì)的適用范圍越窄。相反，冷卻特性對(duì)液溫的敏感性越小，介質(zhì)的適用范圍就越寬。這是因?yàn)椋鄠�(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，位于不同部位的工件，以及同一工件的不同部位，接觸的液溫是不相同的。于是，液溫對(duì)介質(zhì)冷卻特性的影響越大，淬火后工件的性能均勻性就會(huì)越差。按這一規(guī)律，鹽（或者堿）水溶液的適用范圍就比自來(lái)水要寬。而淬火油的適用范圍比相同冷卻速度范圍的水溶性介質(zhì)要寬。
相對(duì)流速對(duì)冷卻特性的影響越大，介質(zhì)的適用范圍就越窄。相反，相對(duì)流速對(duì)冷卻特性的影響越小，介質(zhì)的適用范圍就越寬。這是因?yàn)椋瑫r(shí)淬火時(shí)，位于不同部位的工件，以及同一工件的不同部位，與之接觸的介質(zhì)的相對(duì)流速是不相同的。于是，相對(duì)流速對(duì)介質(zhì)冷卻特性的影響越大，淬火后工件的性能均勻性就會(huì)越差。一般說(shuō)，淬火油的冷卻特性對(duì)相對(duì)流速的敏感性較小，而自來(lái)水的敏感性較大。PAG淬火液主要靠粘附在工件表明的聚合物膜來(lái)控制工件冷卻速度，只要相對(duì)流速控制在不會(huì)沖掉那層聚合物膜的程度，流速大小對(duì)冷卻特性的影響就會(huì)比自來(lái)水要小。
介質(zhì)的使用溫度范圍寬是我們所希望的。使用范圍寬的介質(zhì)，可以在更廣的范圍使用，來(lái)滿足不同工件的熱處理要求。自來(lái)水的使用范圍窄。淬火油的使用范圍相對(duì)較寬。對(duì)于PAG淬火介質(zhì)，濁點(diǎn)太低的品種使用的溫度范圍就很窄，而濁點(diǎn)相對(duì)較高的品種使用的溫度范圍就較寬。
當(dāng)外力使液體發(fā)生流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部分子之間會(huì)產(chǎn)生一定的阻力來(lái)妨礙這種流動(dòng)。這種阻力的大小就是液體的粘度。粘度是表征潤(rùn)滑油的流動(dòng)性的主要指標(biāo)。在其它條件相同時(shí)，粘度不同，液體的流動(dòng)情況不同。流動(dòng)情況不同，會(huì)進(jìn)而影響工件獲得的冷卻效果。尤其是在工件形狀較復(fù)雜，或者多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，冷卻效果的差別會(huì)更大些。介質(zhì)的粘度越高，其實(shí)際的冷卻能力就越差；相反，介質(zhì)的粘度越低，其實(shí)際的冷卻能力就越強(qiáng)。因?yàn)檫@一原因，在我們憑冷卻特性曲線比較不同油品的冷卻能力時(shí)，也應(yīng)同時(shí)考慮到油的粘度的影響。
3 改進(jìn)已有介質(zhì)，以擴(kuò)展它們的適用范圍。
比如，純凈水的適用范圍窄。水中溶解適量的鹽或者堿，配成鹽水或堿水后，可以擴(kuò)大水的使用溫度上限和下限；而且可以獲得更快的高溫冷卻速度和濃度較高時(shí)稍慢的低溫冷卻速度。
4 開(kāi)發(fā)適用范圍更寬的液態(tài)淬火介質(zhì)。
在關(guān)于液態(tài)淬火介質(zhì)的選擇方法的文章中，已經(jīng)得出了這樣的結(jié)論“對(duì)于淬火用油，一般說(shuō)，蒸汽膜階段越短，冷卻速度越快，適用的工件和鋼種就越多。對(duì)于水溶性介質(zhì)，在保持蒸汽膜階段較短的前提下，介質(zhì)的300℃冷卻速度越低，適用的工件和鋼種也就越多”。幾年前有人宣傳介紹過(guò)的“多級(jí)淬火油”，說(shuō)是能“在低溫時(shí)是快速淬火油，提高溫度使用又是熱油”的油品。無(wú)疑，其出發(fā)點(diǎn)是對(duì)的�？赡苁菦](méi)有考慮到油溫改變對(duì)油的粘度的影響，實(shí)際使用中，大多得不到預(yù)期的效果。
5 在一個(gè)車(chē)間配備多種不同適用范圍的淬火介質(zhì)，以滿足不同工件的需要。
比如，配備3～5種淬火油和2、3種不同濃度的水性淬火介質(zhì)。又如，有些網(wǎng)帶爐，通過(guò)配備可互換的兩個(gè)淬火槽，一個(gè)裝快速淬火油，一個(gè)裝水性淬火介質(zhì)，從而大大增加了該爐型的處理工件的范圍。就是這方面的例子。
6 配合使用液態(tài)以外的淬火冷卻介質(zhì)，或者多種物態(tài)混和成的淬火介質(zhì)，來(lái)獲得不同的冷卻特性。
比如，流態(tài)爐淬火冷卻、噴霧淬火和漿狀介質(zhì)淬火冷卻等。
7 調(diào)節(jié)液溫和相對(duì)流速，以擴(kuò)大液態(tài)介質(zhì)的適用范圍。
在介質(zhì)品種和濃度不變的情況下，現(xiàn)場(chǎng)熱處理工作者還可以通過(guò)調(diào)節(jié)液溫和相對(duì)流速來(lái)擴(kuò)大介質(zhì)的適用范圍。在上文已經(jīng)討論了這些因素的影響規(guī)律。下面再介紹一種叫做擺停結(jié)合的淬火方法，用了說(shuō)明調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在熱處理生產(chǎn)中的作用。
擺停結(jié)合技術(shù)得到不同冷速曲線的示意圖
汽車(chē)板簧通常用淬火機(jī)淬火。為了提高淬火冷卻速度和改善冷卻的均勻性，淬火機(jī)可以?shī)A持著工件在淬火液中來(lái)回?cái)[動(dòng)。利用板簧淬火機(jī)的擺動(dòng)功能，我們?cè)诎寤蓮S推廣過(guò)一種叫做“擺停結(jié)合技術(shù)”的淬火方法。雖然使用的是同一的淬火介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)擺動(dòng)次數(shù)，可以獲得完全不同的淬火冷卻效果。圖2是擺停結(jié)合調(diào)節(jié)冷卻速度的示意圖。如果以不同的冷卻速度曲線代表不同的淬火介質(zhì)，擺停結(jié)合技術(shù)就把一種介質(zhì)變成了幾種不同冷卻速度的多種介質(zhì)。這無(wú)疑是擴(kuò)大液態(tài)淬火介質(zhì)適用范圍的一種有效方法。
上世紀(jì)90年代中，某汽車(chē)板簧廠在普通機(jī)油中淬材質(zhì)為60CrMnBA，中間最大厚度17mm，兩端最薄處7.5mm的載重汽車(chē)變截面板簧時(shí)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)不少淬裂問(wèn)題。也就在那段時(shí)間，在成都飛力彈簧廠的板簧生產(chǎn)線上，用15％PAG水溶液卻又成功地處理了同樣的變截面板簧，淬、回火硬度以及金相組織全部合格，經(jīng)嚴(yán)格探傷檢查都未發(fā)現(xiàn)任何淬火裂紋。
普通機(jī)油與15%今禹8-20的冷速對(duì)比
普通機(jī)油靜止、攪動(dòng)的冷速對(duì)比
15%今禹8-20不攪動(dòng)與普通機(jī)油攪動(dòng)的冷速曲線對(duì)比
是普通機(jī)油和所用15％的今禹8-20的冷卻特性對(duì)比。僅憑冷卻速度曲線，熱處理行家也難以相信上述結(jié)果的。實(shí)際上，上述變截面板簧在普通機(jī)油中做淬火冷卻時(shí)，所用淬火機(jī)一直在不停地?cái)[動(dòng)。而在上述PAG水溶液中淬火時(shí)，淬火機(jī)卻始終保持在停止不動(dòng)的狀態(tài)。圖4是上述普通機(jī)油中探棒靜止不動(dòng)，以及始終擺動(dòng)狀態(tài)下測(cè)出的兩條冷卻速度曲線�？梢钥闯�，擺動(dòng)可以加快冷卻效果。再把靜止?fàn)顟B(tài)檢測(cè)出的15％PAG淬火液的冷卻速度曲線與擺動(dòng)狀態(tài)測(cè)出的普通機(jī)油的冷卻速度曲線畫(huà)在同一張圖上，容易發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)中普通機(jī)油的低溫冷卻速度比靜止的15％今禹8-20水溶液的要快。這是在普通機(jī)油中淬裂而在冷卻速度更快的水溶液中未淬裂的原因。
8 采用雙（或者多）介質(zhì)淬火等操作方法來(lái)解決特定的熱處理問(wèn)題。
水淬－油冷是最普通的例子。這類(lèi)方法的思路是在工件的不同溫度范圍使用不同的淬火介質(zhì)。高溫階段水冷卻快，有利于防止過(guò)冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，因此選擇水來(lái)加以冷卻。低溫階段油的冷卻烈度比較緩和，能夠防止工件發(fā)生淬火開(kāi)裂，因此選擇油來(lái)加以冷卻。按照這種思路，高溫階段還可以選擇PAG水溶液、鹽水或者堿水等等。低溫階段可以選擇快速淬火油、PAG水溶液、低溫鹽浴、漿狀介質(zhì)、風(fēng)冷以及靜止空冷等等。不同的搭配，就有不同的適用范圍。圖6是采用水淬－油冷，以及采用水淬－漿狀介質(zhì)冷卻方法獲得的冷卻特性曲線圖。雙介質(zhì)淬火中，水淬－油冷的難點(diǎn)有兩個(gè)，一是工件從前一種介質(zhì)向后一種介質(zhì)的轉(zhuǎn)移時(shí)間，另一個(gè)是轉(zhuǎn)移操作。（a）和（b）的對(duì)比中，可以看出，由于漿狀介質(zhì)具有適當(dāng)快的低溫冷卻速度，水淬－漿狀介質(zhì)冷卻對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的要求不那么苛刻。一般說(shuō)，只要能解決好這一轉(zhuǎn)移過(guò)程的操作和時(shí)間控制問(wèn)題，雙介質(zhì)淬火法就可能在大生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。分級(jí)淬火、間斷淬火等方法，實(shí)質(zhì)上也屬于多介質(zhì)淬火方法。
雙液淬火的冷卻速度曲線
a）水-普通機(jī)油b）水-漿狀介質(zhì)
三 關(guān)于液態(tài)淬火介質(zhì)的第二個(gè)共性缺點(diǎn)
160℃硝鹽浴與今禹Y15-II淬火油的冷速曲線對(duì)比
是某廠使用的一種快速淬火油與160℃低溫鹽浴的冷卻特性對(duì)比。淬火油的冷卻速度相當(dāng)快：到300℃的時(shí)間11.2秒，300℃的冷卻速度18℃/S。在淬火冷卻的所有溫度范圍，160℃的低溫鹽浴的冷卻速度都高于該快速淬火油。生產(chǎn)應(yīng)用證明，多數(shù)工件在上述160℃低溫鹽浴中淬火后，變形程度比在上述快速油中淬火要小。在熱處理行業(yè)，至今還有這樣的說(shuō)法：“淬火介質(zhì)的冷卻速度越快，工件的淬火變形就越大”。顯然，上述生產(chǎn)實(shí)踐與這種說(shuō)法是不一致的。在上述快速淬火油中淬火變形更大的原因，是工件在淬火冷卻過(guò)程中遇到了特性溫度問(wèn)題；而低溫鹽浴的特性溫度高于工件的加熱溫度，冷卻過(guò)程中就沒(méi)有特性溫度問(wèn)題。
在淬火冷卻過(guò)程中，放在不同位置的工件，以及同一工件的不同部位，因?yàn)槔鋮s條件不同，會(huì)在不同時(shí)間遭遇特性溫度麻煩，結(jié)果由此引起的淬火變形量就具有很大的分散性。這是特性溫度問(wèn)題引起的淬火變形的一個(gè)重要特點(diǎn)。是一種齒輪在220℃低溫鹽浴和120℃熱油中淬火后的淬火變形情況對(duì)比。和鹽浴淬火相比，熱油淬火的變形程度大而且特別分散。除了引起淬火變形之外，包含特性溫度問(wèn)題的淬火冷卻，還常常因?yàn)檎羝るA段的冷卻速度慢，而引起工件的淬火硬度不均。
100℃油浴與220℃鹽浴的變形情況
凡是工件的入液溫度高于介質(zhì)的特性溫度，而冷卻的終止溫度又低于介質(zhì)的特性溫度的淬火冷卻過(guò)程，都會(huì)遇到特性溫度問(wèn)題。自來(lái)水的特性溫度隨著水溫升高而迅速降低，會(huì)使工件上接觸不同水溫的部分遇到不同的特性溫度問(wèn)題。所以，在自來(lái)水中淬火，常常出現(xiàn)硬度不均和大的淬火變形。淬火油的特性溫度比較穩(wěn)定，即油溫變化對(duì)油的蒸汽膜階段的長(zhǎng)短影響很小。因此，工件在油中淬火時(shí)，特性溫度問(wèn)題較小。
在最近發(fā)表的文章中，對(duì)液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題已做了詳細(xì)討論，并指出了熱處理生產(chǎn)中避開(kāi)、克服或者減輕這一缺點(diǎn)的7種原則方法，可供參考。
四 淬火介質(zhì)的研究開(kāi)發(fā)歷程就是克服這兩個(gè)共性缺點(diǎn)的過(guò)程
雖然液態(tài)淬火介質(zhì)都具有共性的兩個(gè)缺點(diǎn)，在熱處理生產(chǎn)中，過(guò)去使用，現(xiàn)在使用，將來(lái)還要大量使用它們�；仡欀型庖苯鹗�，從尋找合適的淬火介質(zhì)、研究開(kāi)發(fā)新的淬火介質(zhì)品種、創(chuàng)造新的淬火方法、采用各種工裝具和相關(guān)設(shè)備等等，所有這些工作都與液態(tài)淬火介質(zhì)共性的兩個(gè)缺點(diǎn)密切相關(guān)。過(guò)去的多數(shù)工作，重點(diǎn)在克服液態(tài)介質(zhì)的第一個(gè)缺點(diǎn)上。這是因?yàn)檫^(guò)去對(duì)熱處理質(zhì)量要求不很高，尤其是在淬火變形上�，F(xiàn)在和將來(lái)的熱處理，對(duì)工件的淬火變形提出了越來(lái)越高的要求。因此，我們認(rèn)為，研究液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和使用特性溫度問(wèn)題比較小的淬火介質(zhì)，發(fā)展能減輕特性溫度問(wèn)題的不利影響的使用技術(shù)等工作，應(yīng)當(dāng)成為現(xiàn)在和今后一定時(shí)期的一項(xiàng)重要課題。
自來(lái)水是既清潔又廉價(jià)的冷卻介質(zhì)。任何場(chǎng)合，只要自來(lái)水能滿足熱處理要求，恐怕就不會(huì)再有人去尋找其他的冷卻介質(zhì)。按這個(gè)道理，一種新型的液態(tài)淬火介質(zhì)是否能得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵是看它能否克服自來(lái)水的至少一個(gè)缺點(diǎn)。否則，就不如用自來(lái)水了。由此，有理由說(shuō)，“能同時(shí)克服自來(lái)水的兩大缺點(diǎn)，又有更寬的適用范圍的新型淬火介質(zhì)及其相關(guān)的配套技術(shù)”，是我們今后冷卻技術(shù)研究開(kāi)發(fā)工作共同的努力目標(biāo)。
