淬火介质的选择与特性分析

淬火介质应具有以下特性：

1）具有合适的冷却特性，尽可能接近理想冷却曲线。一种淬火介质只能适应某类钢材的某一温度区间的冷却特性，或通过几种介质的组合来实现理想冷却曲线。

2）冷却的均匀性好，流动性好。

3）具有良好的稳定性，介质在使用过程中不易分解、变质或老化。

4）能使工件淬火后保持清洁，不应使工件产生严重锈蚀。

5）绿色环保，无污染。应无毒、无异味，对环境的影响应符合GB3095—1996的规定。淬火时不应产生大量的烟雾及刺激性气体，带出的废液不污染环境，符合环保要求。必须采用有毒介质时，一定要有严密的防护、安全操作措施，并进行无害化处理。

6）使用安全，不易燃，无爆炸危险。

淬火介质的分类如图2-9所示。

图2-9 淬火介质的分类

1.水

水是应用最普遍的淬火介质，水的冷却过程分为三个阶段，如表2-21所示。

表2-21 水的冷却过程

水的冷却能力很强，但在马氏体开始转变点附近冷速太快，容易造成工件变形，甚至开裂。

温度对水的冷却能力有强烈的影响，水温应控制在40℃以下，在连续生产中水温一般不宜超过35℃。

淬火时使用循环水或采取搅动的方法，可显着提高水的冷却能力，有利于提高钢的奥氏体不稳定区的冷却速度，实现均匀冷却。进行喷射冷却可使蒸汽膜提早破裂，显著地提高在高温区间内的冷却能力，喷水的压力越高，流量越大，效果越显著。

水作为淬火介质，适用于形状简单的碳钢及低合金结构钢工件感应淬火和火焰淬火的喷射冷却。

水的冷却特性如表2-22所示，水的冷却速度曲线如图2-10所示。

表2-22 水的冷却特性

图2-10 水的冷却速度曲线

a）静止的水 b）循环的水

注：采用ϕ20mm银球试样。

水的冷却能力虽然很强，但在马氏体开始转变点附近水处于沸腾冷却阶段，冷速太快，容易造成零件变形，甚至开裂，这是水作为淬火介质的最大弱点。

2.无机物水溶液

作为冷却用的无机物水溶液主要有氯化钠水溶液、氢氧化钠水溶液、氯化钙水溶液和碳酸钠水溶液等。淬火时，水溶液中的盐或碱会在炽热的工件表面析出并爆裂，不仅破坏了蒸汽膜，而且除掉了氧化皮，提前进入泡状沸腾阶段，从而极大地提高了工件在高温区的冷却速度，获得较厚的淬硬层深度。

无机物水溶液的冷却特性及应用范围如表2-23所示。几种无机物水溶液在20℃、静止状态时的冷却性能，如表2-24所示。

表2-23 无机物水溶液的冷却特性及应用范围

图2-11 氯化钠水溶液冷却曲线

注：采用ϕ20mm银球试样，液温20℃，试样移动速度为0.25m/s。

图2-12 氯化钙水溶液冷却曲线

注：采用ϕ20mm×30mm银棒试样。

图2-13 过饱和硝盐水溶液与水和油冷却曲线的对比

注：采用ϕ20mm银球试样。

表2-24 几种无机物水溶液在20℃、静止状态时的冷却性能

注：密度按JB/T 4392—1999规定的测定法测定。

3.淬火油

油作为淬火介质，其冷却速度较低，在550～650℃范围内冷却能力不足，平均冷却速度只有60～100℃/s。但在200～300℃范围内，缓慢的冷却速度对于淬火来说却非常适宜，这是油的最大优点，因而油被广泛用于冷却速度较低的合金钢的淬火。

（1）全损耗系统用油 全损耗系统用油（机械油），以“L-AN+数字”表示，数字表示油的粘度值。全损耗系统用油存在冷却能力较弱、易氧化和老化等缺点。常温下使用的有L-AN15、L-AN22，使用温度为20～80℃。

全损耗系统用油的技术性能指标如表2-25所示。

表2-25 全损耗系统用油的技术性能指标

在常温下使用时，应选用粘度较低的L-AN10或L-AN22，使用温度应低于80℃。用于分级淬火时则应选用闪点较高的L-AN100。

全损耗系统用油与机械油名称和粘度等级的对照如图2-14所示。

（2）普通淬火油 普通淬火油为中速淬火油，是在全损耗系统用油中加入抗氧化剂、催冷剂和表面活化剂等添加剂调制而成的，它克服了全损耗系统用油冷却能力较弱、易氧化和老化的缺点。普通淬火油的闪点较低，使用温度一般为20～80℃。普通淬火油可直接购买，也可购买添加剂后按要求现场调制。

普通淬火油适用于具有一定淬透性的中高碳钢、合金结构钢、合金渗碳钢及轴承钢零件的淬火冷却。

普通淬火油的性能指标如表2-26所示。

（3）特殊淬火油 特殊淬火油包括真空淬火油、快速淬火油、分级淬火油和等温淬火油等。快速淬火油是在油中加入效果更高的催冷剂制成的，具有更快的冷却速度。真空淬火油是在低于大气压的条件下使用的，具有饱和蒸气压低、冷却能力强和光亮性好等特点。分级淬火油和等温淬火油具有闪点高、挥发性小及热氧化安定性好等特点，其使用温度在100～250℃之间。

图2-14 全损耗系统用油与机械油名称和粘度等级的对照

表2-26 普通淬火油的性能指标

（续）

真空淬火油的性能指标如表2-27和表2-28所示，分级淬火油和等温淬火油的性能指标如表2-29所示，快速淬火油和光亮淬火油的性能指标如表2-30所示，表2-31所示为几种淬火油静止时的冷却性能。

表2-27 真空淬火油的性能指标

表2-28 ZZ系列真空淬火油的性能指标

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（续）

表2-29 分级淬火油和等温淬火油的性能指标

表2-30 快速淬火油和光亮淬火油的性能指标

表2-31 几种淬火油静止时的冷却性能

（续）

选择油作为淬火介质的原则是：闪点高、粘度小，冷却速度满足使用要求，并考虑经济性和来源。

淬火油经过一定时期的使用，会因冷却能力降低并产生焦渣而“老化”。对于已经老化的淬火油，应及时更新或予以净化。

4.聚合物水溶液

聚合物水溶液是含有各种高分子聚合物的水溶液，其中又加入了适量的防腐剂和防锈剂，如聚乙烯醇（PVA）、聚醚、聚二醇（PAG）、聚丙烯酸钠（PSA）、聚乙基思唑啉（PEOX）水溶液等。不同浓度聚合物水溶液的冷却能力在水、油之间，或比油还慢。具有冷却性能可调、冷却均匀、不燃烧、不污染环境和可使工件防锈等优点，在一定程度上可代替油作为淬火介质。淬火时，在工件表面形成一层聚合物薄膜，使冷却速度降低。溶液浓度越高，膜层越厚，冷却速度越慢；溶液温度升高，冷却速度下降。提高溶液的流动速度或搅动，均可提高冷却能力。

（1）聚乙烯醇水溶液

1）配制方法。聚乙烯醇淬火介质的浓缩液中聚乙烯醇质量分数为10%～12%，使用时要加水稀释成不同浓度的水溶液，以供不同工件淬火冷却用。计算方法如下：

M=NW/P （2-1）

式中 M——淬火介质浓缩液的质量（kg）；

N——所要配制淬火液的含量（质量分数，%）；

W——所需配制淬火液的质量（kg）；

P——淬火介质的实际含量（质量分数，%）。

2）适用范围。聚乙烯醇水溶液主要适用于中碳钢和低合金钢等制件的淬火冷却。所适用的钢种可根据工件的几何形状、尺寸大小及技术条件，结合淬火介质在不同含量和温度下的冷却性能综合考虑，或通过试验来确定。聚乙烯醇水溶液的适用范围如表2-32所示。

表2-32 聚乙烯醇水溶液的适用范围

（2）聚二醇（PAG）PAG具有逆溶性，即在水中的溶解度随温度升高而降低。一定浓度的PAG水溶液被加热到某一温度时，PAG即从溶液中分离出来。在淬火过程中，PAG的这一特性使其在工件表面形成一层热阻层，可使低温区的冷却速度下降。通过改变浓度、温度和搅拌速度可以对PAG水溶液的冷却能力进行调整。PAG具有良好的浸润特性和冷却均匀性，且性能稳定。PAG水溶液共分五种牌号，其冷却速度覆盖了盐水和油之间的全部范围，如表2-33所示。

表2-33 PAG牌号及其冷却速度

（3）PQG聚合物水溶液PQG聚合物水溶液的应用如表2-34所示。

表2-34 PQG聚合物水溶液的应用

（4）聚丙烯酸钠（PAS）PAS的特点是加热时不易分解，在工件表面不生成聚合物皮膜。PAS的冷却速度比其他几种聚合物慢。调整PAS水溶液的浓度及温度，淬火工件可以得到贝氏体等非马氏体组织。PAS水溶液可作为锻后余热处理的冷却剂。

聚合物水溶液在20℃、静止时的冷却性能如表2-35所示。

表2-35 聚合物水溶液20℃、静止时的冷却性能

（续）

供配制水溶液用的几种淬火介质浓缩液的物理性能如表2-36所示。

表2-36 供配制水溶液用的几种淬火介质浓缩液的物理性能

注：按JB/T 4392—1999规定的测定法测定。

5.热浴

热浴分为碱浴、硝盐浴和氯化盐浴等类型，如表2-37所示。

表2-37 常用热浴

（续）

6.流态床淬火介质

流态床由气流和悬浮的固体颗粒构成。在带有细孔格板的淬火冷却槽中，放入金属或非金属的细小颗粒（也可适量加入水），再通入压缩空气，吹动固态微粒使其呈悬浮状，形成流态，淬火工件可以随意淬入其中进行冷却。选用不同的固体微粒，调整压缩空气的流量和流速，控制流态床温度和深度等，可调节其冷却能力，且调节范围很宽。流态床的冷却能力介于空气和油之间，接近于油；具有冷却均匀、腐蚀性小、不会老化变质、无爆炸危险等优点；且工件淬火变形小、表面光洁；适用于淬透性好、形状复杂的小型合金钢件的淬火。

根据组成流态物质的不同，流态床可分为气固流态床和气液固流态床两种，其组成及冷却能力如表2-38所示。

表2-38 流态床的组成及冷却能力

流态床淬火介质可以通过调整液固比值和压缩空气的流量来控制流态床的冷却能力。通常，在液固比值一定的情况下，通过改变气体流量的方法可方便地调整冷却速度。因此，流态床对于实现程序控制冷却非常方便。

常用流态床的冷却曲线如图2-15所示，流态床与常用淬火介质冷却曲线的比较如图2-16所示。

图2-15 常用流态床的冷却曲线

1—渗硼颗粒 2—氧化铝 3—石墨 4—刚玉砂

注：粒径为0.375mm，风量为0.5m³/h。

图2-16 流态床与常用淬火介质冷却曲线的比较

1—空气 2—质量分数40%的903聚醚 3—流态床（0.2mm，1.9m³/h） 4—L-AN22油5—水

7.搅动对淬火介质淬冷烈度的影响

搅动可以提高淬火介质的冷却能力，不同程度的搅动对常用淬火介质的淬冷烈度的影响，如表2-39所示。

表2-39 不同程度的搅动对常用淬火介质的淬冷烈度的影响