什么是淬冷介质?

什么是淬冷介质?

[拼音]：cuileng jiezhi

[外文]：quenching media

金属工件淬火时所使用的冷却物质。根据钢的种类或工件的特性采用的淬冷介质可分为液体或气体。

简史

最早获得广泛应用的淬冷介质是水和油。公元 3世纪中国人就已经注意到了不同的水质对淬火的影响。中国的《北齐书》中记载，在公元6世纪就已对“宿铁刀”“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，说明已采用动物便溺和动物油脂作为淬冷介质。随着金属材料和工业技术的发展，工件形状、尺寸变化日益复杂，单纯采用水、油和空气等已不能满足淬火工艺的要求，进而使用了各种无机盐水溶液，熔融的盐、碱和金属等热浴，以及各种有机聚合物水溶液、浮动粒子等淬火冷却介质。有的还加入一些特种添加剂，成为具有各种性能的淬冷油。还有一种方法是用金属板夹持工件，使热量迅速传出而淬硬工件。

特性

钢件淬火通常是为了获得马氏体组织（见钢铁显微组织）。为此，将工件加热至奥氏体状态，随后以大于钢的马氏体临界冷却速度，通过奥氏体不稳定区域（一般碳素钢和低合金钢为650～550℃，某些合金钢为400～300℃），以避免奥氏体发生分解，当冷却至钢的上马氏体点以下时，过冷奥氏体才开始向马氏体转变。在马氏体转变区域，以缓慢的冷却速度进行，以避免产生较大的内应力，引起工件畸变和开裂。理想的淬冷介质的冷却性能应该是在钢的奥氏体不稳定区域，具有较快的冷却能力；而在马氏体转变区域，具有较缓慢的冷却能力。

金属工件在水和低熔点盐的淬冷介质中的冷却可分为 3个阶段（见图）。

（1）蒸汽膜冷却阶段(AB):当赤热的金属工件与冷却介质接触时，立即在工件表面形成一层蒸汽膜，此时工件的热量通过蒸汽膜散出，冷却较为缓慢。当工件温度下降到特性温度时，蒸汽膜随即破裂进入下一阶段。

（2）沸腾冷却阶段(BC)：工件与介质直接接触，介质在工件表面强烈沸腾，冷却很快。在这一阶段，介质的汽化热对工件冷却速度起主要作用。

（3）对流冷却阶段(CD)：工件冷却至介质的沸点以下，则为对流散热，这一阶段介质的比热容对工件的冷却速度起主要作用。

在淬火时发生物态变化的介质，都具有这3个冷却阶段。不同的介质各有其冷却特点，如在普通水中淬冷时，3 个阶段都比较明显。在盐水或碱水中淬冷时，由于盐、碱促使蒸汽膜破裂，第 1阶段很快消失。在油中淬冷时，由于油的沸点较高(250～300℃)，因而沸腾阶段缩短，对流阶段延长。在有机聚合物水溶液中淬冷时，工件在冷却过程中往往在表面形成一层聚合物薄膜，从而延长第1阶段和第3阶段。在熔盐、熔碱和熔融的金属中，或在浮动粒子中淬冷时，往往只有第3阶段。在静止的空气中冷却时，高温时以辐射散热为主，低温时以对流传热为主。在金属板上冷却，则主要为传导散热。

分类

钢件淬火时用得最多的淬冷介质是水和油。其他的还有:各种无机盐水溶液，有机聚合物水溶液、熔盐、熔碱和熔融的金属、浮动粒子、空气和惰性气体等。

水

水是使用最广泛的淬冷介质，具有较快的冷却速度（以直径20毫米的银球测量，心部的冷速最高可达每秒 770℃）。在钢的马氏体转变区域，工件冷却得快，易畸变和开裂，故采用升高水温的办法使其冷却能力下降。对于形状简单的碳素钢和部分合金钢的淬冷，一般使用20～40℃的水。

油

最早采用的是动物油或植物油，后被矿物油所取代。油的冷却性能比较缓和，冷却速度较慢（以直径20毫米的银球测量，心部冷速约为每秒100～250℃，在300℃以下时仅为每秒50～20℃）。工件在油中淬冷，产生的内应力比较小，因而不易出现裂纹。油温的变化对冷却能力的影响不大，油的粘度则是影响冷却能力的主要因素，粘度越高，冷却能力越低。普通淬冷油的使用温度为20～80℃，高粘度的油可用于160～250℃的马氏体分级淬火。合金钢多采用普通油进行淬冷。为了改善淬冷油的性能，除改进油的精炼过程外，大多在油中加入不同含量的催冷剂、光亮剂和抗氧剂等添加物，制成可以满足不同工艺要求的淬冷油，如各种快速淬冷油，用于在可控气氛中加热的光亮淬冷油，以及适用于真空加热下的真空淬冷油等。

熔融的盐、碱、金属

采用熔融状态的硝盐、苛性碱和锡、铅等金属作为淬冷介质，流动性好，具有足够的冷却能力，适用于贝氏体等温淬火和马氏体分级淬火，常用于形状复杂的刀具、模具和工件的淬冷。但这类介质易造成环境污染，通常仅用于特殊要求的、形状复杂的小型工件的淬冷。熔融的金属介质易附着在淬火工件上，且成本高，有毒性，故在生产中已渐被淘汰。

无机盐水溶液

在水中加入 5～15％的盐类或碱类(如NaCl、 Na2CO3、CaCL2和NaOH、KOH及NaNO3、KNO3等)，可提高水的冷却能力，使淬火工件冷却均匀，避免产生软点。随着水中盐、碱含量的增多，冷却能力急剧提高，当含量达到30％左右时，冷却能力又趋于降低，达到饱和时，可以显著降低水在低温区的冷却能力，能减少淬火工件的畸变。这类介质大多用于碳素钢工件的淬冷。

有机聚合物水溶液

向水中加入各种有机聚合物，诸如聚乙烯醇、聚醚、乙二醇、丙三醇、聚丙烯酸盐等，可以改善水的冷却性能。通过调整水溶液的浓度，可以得到由水到油之间一系列不同的冷却能力，以满足不同钢种、不同工件的淬冷要求，且适应性好，污染小，安全（不燃烧）。但使用时需要严格控制介质的浓度、温度和流动速度。这种介质是发展较快的新型淬冷介质。

浮动粒子

它是用压缩空气吹动某种固体微粒（金属或非金属的粉末，如铝、氧化铝、氧化钛、锆砂或石墨等）造成浮动体，其冷却能力取决于粒子的类型、浮动粒子层的深度和温度，以及控制吹送空气的速度。调节这些因素可以获得不同的冷却能力。这种介质流动性好，冷却均匀，无公害，适用于状态复杂、畸变要求严格的工件的淬冷。

空气、惰性气体

多用于高合金钢的淬冷。由于这类钢的奥氏体在高温时比较稳定，即使在静止的空气中冷却，也可达到淬火目的，如工件需要进行光亮淬火或真空淬火，可在可控气氛或惰性气体（如氮、氩等）中冷却。气体的流速不同，冷却能力也不同。

评定方法

为了可靠地评定淬冷介质的冷却性能，人们研究出多种评定冷却能力的方法（有的国家已纳入标准）。主要有：

（1）硬度法：测量一定尺寸的钢试样在被测介质中淬冷后沿着横截面的硬度分布；

（2）冷却曲线法：采用不同尺寸的探头（用银或不锈钢等制造），在心部固定以热电偶，并与记录仪表联接，用以记录下探头在被测介质中的冷却过程曲线 (时间-温度曲线)和冷却速度曲线（温度-速度曲线）；

（3）磁性法:利用镍或铁镍合金的磁性转变效应(居里效应)，将球形试样加热至800～900℃后在被测介质中冷却，测定试样由加热温度降至磁性转变点（约342℃）所需的时间，从而评定介质的冷却能力；

（4）热丝法：利用放入被测介质中的电阻丝未熔化前所通过的最大电流值的平方(I 2)，来量度介质的冷却能力；

（5）五秒钟法：将不锈钢试样在一定容积的被测介质中淬冷，浸入五秒钟取出，测定液温上升值 A，并与试样在介质中完全冷却时液温的上升值B 相比，两者的百分比


能反映出介质的吸热能力，用以表示其冷却能力。

（6）烈度(H)值法:表示淬冷介质冷却能力的数值，可用实验的方法求得，以静止状态20℃的水作为基础，其烈度为1，不同条件下油、水、盐水的烈度值见表。

参考书目

王运迪编：《淬火介质》，上海科学技术出版社，上海，1981。