淬火冷却介质选择与控制

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：淬火冷却介质是为实现淬火目的而使用的冷却介质。因为工件淬火时温度很高，高温工件放入低温液态介质中，不仅发生传热作用，还可能引起淬火冷却介质的物态变化。在水和水基淬火冷却介质中淬火的主要危险是淬裂，而降低水和水基淬火冷却介质的300℃时冷却速度则可以减小这种危险。

淬火冷却介质是为实现淬火目的而使用的冷却介质。理想的淬火冷却介质的冷却能力应在过冷奥氏体最不稳定的区域——珠光体转变区具有较快的冷却速度，而在Ms点附近的温度区域冷却速度比较缓慢。

1.淬火冷却介质的冷却四阶段理论

最常用的淬火冷却介质是液态介质。因为工件淬火时温度很高，高温工件放入低温液态介质中，不仅发生传热作用，还可能引起淬火冷却介质的物态变化。

根据工件淬火冷却过程中淬火冷却介质有否发生物态变化，可把液态淬火冷却介质分成两类，即有物态变化的和无物态变化的。

如果淬火件的温度超过液态淬火冷却介质的沸腾或分解（裂化）温度，则淬火冷却介质在淬火过程中就要发生物态变化，如普通所采用的水基淬火冷却介质及各类淬火油等，这类淬火冷却介质都属于有物态变化的淬火冷却介质。在有物态变化的淬火冷却介质中淬火冷却时，钢件冷却过程中，传统的淬火冷却介质的冷却理论是三个阶段，这个理论已经得到大家的认同，但是大型工件在水中淬火时，会听到“爆炸声”。张克俭博士对这个现象深入研究后得出有物态变化的淬火冷却介质的冷却四阶段理论：

（1）蒸汽膜阶段加热的工件投入淬火冷却介质后，一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜，使工件与液体分开。由于蒸汽是热的不良导体，这阶段的冷却主要靠辐射传热，因此，冷却速度比较缓慢。蒸汽膜由液体汽化（如水）的未分解成分所组成，或由有机物体（如油中的丙烯醛）的蒸汽和裂解成分所组成。

（2）中间阶段这个阶段是局部蒸汽膜区和后续的沸腾冷却区共存的阶段。在完整的蒸汽膜阶段，由于扰动因素，气液界面上的蒸汽膜厚度始终处于起伏变化之中，当局部蒸汽膜厚度降低到一定值时，气液界面与工件界面接触，一部分会消失，一部分仍会存在，存在的气液界面就会向蒸汽膜区推进，形成一个大气泡。当周围液体在填充这个气泡区时，形成爆炸声。此时在沸腾区内仍有蒸汽膜局部冷却表面。

（3）沸腾阶段进一步冷却时，工件表面温度降低，工件所放出热量越来越少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地点破裂，以致液体就在这些地方与工件直接接触，形成大量汽泡逸出液体。由于介质的不断汽化和更新，带走大量热量，所以这阶段的冷却速度较快。这阶段的冷却速度取决于淬火冷却介质的汽化热，汽化热越大，则从工件带走的热量越多，冷却速度也越快。当工件的温度降至介质的沸点或分解温度时，沸腾停止。

（4）对流阶段当工件表面的温度降至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流进行。随着工件和介质之间的温差减小，冷却速度也逐渐降低。此时影响对流传热的因素起主导作用，如介质的比热容、热导率和粘度等。

对于传统的淬火冷却介质冷却三阶段理论可能更适于中小型工件的淬火冷却过程。因此，可以认为这两种理论是不矛盾的，只是在大件淬火过程中的“中间过程”显著而已。

对无物态变化的淬火冷却介质，例如硝盐浴，在淬火冷却中主要靠对流散热，相当于对流阶段。当然在工件温度较高时，辐射散热也占很大比例。此外，也存在传导散热，这要视介质的热导率及介质的流动性等因素而定。

2.淬冷烈度

淬火冷却介质的冷却能力最常用的表示方法是用淬冷烈度H来表示。规定静止水的淬冷烈度H=1，其他冷却淬火介质的淬冷烈度由与静止水的冷却能力比较而得。冷却能力较大的，H值较大。几种常用淬火冷却介质的淬冷烈度见表2-9。

表2-9 常用淬火冷却介质的淬冷烈度

3.冷却速度评价法

目前国外大多数人用冷却速度来评价淬火冷却介质，其要点如下：

1）当某一介质的冷却速度（最大冷却速度、最大冷却速度的温度、300℃的冷却速度）低于水或高于油，则该介质的冷却能力就低于水或高于油。

2）最大冷却速度的温度越高，工件冷却易于躲开过冷奥氏体转变图而进入马氏体转变。

3）最大冷却速度越大，表明在沸腾阶段介质从探头表面脱去热量就越多。

4）到达300℃时冷却速度是评价介质低温区冷却性能的主要依据。在300℃的冷却速度超过50℃/s时，原则上认为该水基淬火介质不宜用来代替油淬，因为这样易于引起过大的畸变甚至开裂。淬火油在300℃的冷却速度大致在6～30℃/s。

4.淬火冷却介质的选择

绝大多数工件在油中淬火没有淬裂危险，而是油的冷却速度较低，使较厚大的工件或淬透性稍低的钢种达不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此发生较大的变形。为此，选用淬火用油时，可以只从各种工件的最低冷却速度分布曲线去加以考虑。

可以推知，一般说来，所选的油的蒸气膜阶段越短，对流开始温度越低，且最高冷却速度越大，适用的工件（钢种）越多。

在水和水基淬火冷却介质中淬火的主要危险是淬裂，而降低水和水基淬火冷却介质的300℃时冷却速度则可以减小这种危险。水基淬火冷却介质300℃冷却速度越低，防止淬裂的能力就越强，因而适用的钢种和工件就越多。

淬火冷却介质选择与控制

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