先进的淬火介质及冷却技术

先进的淬火介质及冷却技术

I 淬火介质

一、石油基淬火油

根据冷速分为常规淬火油、中速淬火油、快速淬火油，常规淬火油用于高淬透性钢的淬火冷却，而中等冷速的淬火油用于中高淬透性的钢淬火冷却，而快淬火油用于低淬透性钢。

钢中的Me 含量不仅影响到钢的淬透性，同时也因增加了相当的C 的当量，而改变了其Ms 。

/5/5/10/10eq C C Mn Mo Cr Ni =++++

当C%变化时，Ms 也将发生变化：

0.2%～430℃；0.4%～360℃；1.0%～250℃

另一类主要的石油基淬火油是分级淬火油，它可以被加热到（100～200℃）接近Ms 点的热油中均温以减少温差应力。它具有优异的热稳定性，（精制加高效的组合氧化剂），使用温度一般要低于其闪点50℃。

二、植物油基淬火油

石油基淬火油性能稳定，但它是不可再生的一次性资源，更是地下水的主要污染源。

而植物油淬火油基可以克服这些缺点，它有如下优点和不足。

1、优点：①容易生物降解；②低无毒性；③良好润滑性；④资源能再生；⑤供应充足；⑥闪点和燃点高。

2、缺点：①水解稳定性差；②氧化稳定性差；③表面粘附；④粘度范围窄；⑤有不同的气味；⑥价格偏高。

和矿物油的比较，植物油的稳定性差，但可利用现代添加剂技术可改善它的水解稳定性和氧化稳定性。比如好富顿公司开发的以Canola 植物油为基础油添加抗氧化剂的植物基淬火油①具有良好的抗氧化稳定性。②其降解性比石油基淬火油高5倍。③而且几乎没有蒸位膜阶段，在1300～110F 温度范围为V 冷↑（这对大多数钢而言正是要求快冷区）。④900～250F 温度范围内具有较慢的V 冷从而可减少淬火的变形。⑤闪点高达332℃（630F ）而一般石油基淬火油的闪点为177～232℃（350～450F ）燃点也比石油基的高约160℃。

三、聚合物淬火介质

它是有机聚合物和防锈添加剂，杀菌剂、消泡剂等组成水溶液，淬火时在热

工件周围会形成一层聚合物的高集层（膜），它的优点是：

1、环保：无油淬的烟雾，不但环保而且消除火灾隐患，无毒性。

2、成本低：稀释使用，一次投入成本低，溶液粘度低带出量少，运行成本就低。比热和热传导率都较油的大，所以淬火温升小，生产率高，淬火后可不清洗，直接回火节省时间和清洗剂费用。

3、技术上：冷速根据需要可调，为此适用性宽（不同钢种）和油相比耐污染力强，和水相比降低汽膜稳定性，冷却均匀从而消除淬火软点及淬火时的应力。

目前商业化的聚合物淬火介质有四种：

①聚烷撑乙二醇（PAG）；②聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；③聚丙烯酸钠（ACR）；

④聚乙基恶唑啉（PEO）。

应用范围及特性

PAG：①5%浓度的可提高工件表面的润滑性，淬火冷却均匀；②10～29%与快速淬火油淬火速度相当，适合低中淬火透性，但要求获得高机械性能的工件淬火。

ACR：通常使用浓度为15～25%，可处理高淬透性材料。

PVP：10～15%应用范围和ACR相近。

PEO：（专利产品）5～25%之间，低浓度时的V冷类似于PAG，高能度的具有类油的冷却性能，所以适用于低淬透性钢也适用于中高淬透性钢。

II冷却技术：

一、强烈淬火—表面硬化（S·H）（Shell Harderng）

实际应用时都伴随着异常强烈搅拌，以控制淬火冷过程中膜沸腾和核沸腾阶段的换热，采用高速搅拌式或高压喷淬使工件在马氏体转变区进行快速而均匀的冷却，在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳，避免了常规淬火在马氏体转变区进行的快冷产生的畸变过大和开裂问题的发生。

它的优点：①与油淬的零件相比使用寿命提高3～4倍；②用低成本的碳钢或低合金钢替代了合金钢或高合金钢；③用水或水溶液介质替代油；④工艺非常稳定，易于实现自动化生产（目前用于汽车轴，轴承圈模具等。）通常随冷却速度的增加，出现淬火裂纹的可能性也随之增加，然而存在一个临界的冷却速度，大于该冷速后淬火裂纹出现的可能性非但不增加反而下降。

强烈淬火的目的：就是要使介质的冷却速度大于其临界冷速，一般需要通过强烈搅拌淬火硬度H＞6。

强烈淬火的需要设备投资较大。淬火槽的容积要大，泵的流量要足以满足搅拌的要求，而且淬火系统要针对具体的工件设计。

一般要求工件厚度要薄（限制在50～75mm以下）几何形状相对对称。二、控时浸淬技术（ITQS）

采用计算机控制冷却过程的浸淬时间和搅拌强度，在避免开裂的前提下，达到获得高的力学性能和尽可能小的畸变的目的。

具体方法：在浸淬初始阶段，通过强裂搅拌提供足够高的冷却能力，当心部温度接近Ms点时降低或终止搅拌，为此关键技术是确定达到Ms点的时间。

扩大了水溶性聚合物淬火介质的应用范围，也使中碳合金钢采用水溶性聚合物淬火介质淬火易于产生开裂的问题得到解决。

三、高压气淬

主要应用在真空炉中，压力最高可达100帕通常为30～40Pa，使用的气体通常为惰性气体。

它的冷却能力和热油相当，它适用在高合金钢上或薄件上，由于采用气体不同热传递效率不同，提高压力可增加冷却能力，工件接触气流是否均匀是保证均匀冷却的关键。

成品高，（气体不能主要使用）

四、变裂度淬火技术

通过工件在淬火槽的滑道内外提供不同介质流速的办法，使工件在Ms点以上获得较快的V

冷

，在Ms点以下的冷却速度降低（见图）。

五、喷淬

隧道

是替代浸淬和提高生产效率的理想工艺。

一般采用水或水溶性聚合物为介质，可以根据要求，对冷却能力进行调整。

六、膨胀流淬火法

是将被处理的工件在经过连续式炉完成加热工艺过程后，热工件不是落到淬火介质中，而是将淬火介质提升到热工件高度实现淬火冷却。该方法消除了淬火件在移转下落过程中产生的冲击力，达到最小的畸变目的。已在轴承制造业轴承圈淬火中应用。

七、有关模拟技术的应用

1、CFD-计算机模拟流体运动

通过计算工件周围流体和工件之间的相互作用，可用CFD技术优化淬火槽设计，优化工件装夹方式，从而大幅度减少淬火变形。

2、淬火变形的有限元模拟

①能量化工件淬火后的残余应力和变形；②能模拟比较不同的工件形状和装夹方式设计，对变形和残余应力的影响；③分析产生淬火裂纹和高应力状态的原因。

3、冷却过程的模拟

①淬火介质流速场的模拟；②冷却过程的模拟（上交大潘健生院士开展了大量的工作）

采用三维非线性有限元模型和界面条件突变的处理方法，实现了几种复杂形状零件的复杂淬火操作过程中温度场、相变、应力/应变的模拟、模拟效果和实际测算结果相符。在生产中得到了避免淬火开裂，合格率达到100%。不用油淬火剂，消除火灾隐患和环境污染，加热时间缩短了40%，实现节能和提高使用寿命。

将气体渗碳的计算机模拟和计算机控制技术相结合，研制成功智能型密封多用炉生产线，可用计算机自动进行渗碳过程的模拟，自动确定优化工艺，自动完成过程控制，实现智能化、无纸化、自动化生产。（已处理渗碳件3000炉以上，全部合格。）