场效应淬火技术及其物理场应用

为保证材料的淬火质量，通常是用配制不同溶剂、不同浓度的溶液做为淬火介质，以适应不同材质、不同尺寸工件的淬火要求。这样做的缺点是淬火的材料是多种多样的，工件的外形、尺寸更是千变万化的，通过改变淬火介质来满足不同材料、不同尺寸工件的需要是非常困难的。而且一旦选定淬火介质，工件在淬火过程中的冷却过程就确定了，不能在冷却的途中改变冷却速度。

场效应淬火技术是利用某些物理场对淬火介质和淬火过程的影响，来调节控制淬火冷却过程，从而使得介质的冷却特性在冷却过程中也是可调的新型淬火技术。它这种技术使得一种介质可以适应多种零件的淬火，并使淬火过程得到优化。场效应淬火技术根据物理场的不同可分为磁场淬火、超声波淬火、压力淬火等。

1.磁场淬火

磁场淬火是将加热到淬火温度的钢件，浸入到有稳定磁场或强脉冲磁场作用下的淬火介质中冷却。这种方法由于磁场的作用，淬火介质的冷却特性发生了某些变化，同时影响到淬火的相变过程，从而使钢件淬火质量得到改善。

图7-23为磁场对静水和浓度为10%的盐水冷却特性的影响。可以看出，磁场对静止的水和盐水具有明显降低冷却速度的作用。特别有应用价值的是磁场在250℃左右对两者的冷却速度的影响最大。

图7-23　磁场对静水和浓度为10%的盐水冷却特性的影响

1—无磁场作用；2—有磁场作用（磁场强度为8×105A/m）

磁场能改变水和盐水的淬火冷却特性，原因主要是磁场作用下水的结构和物理化学性质发生了一些变化。磁场能减弱水合作用，破坏水合物膜，使水与固体表面的润湿性变坏。此外，磁场还能增加水的表面张力、运动粘度等。这些都将引起水在淬火时冷却能力的下降，使得磁场作用下的水、盐水的冷却特性很大程度上接近理想淬火介质的冷却特性，有利于防止淬火变形与开裂。(www.xing528.com)

除此之外，磁场还能对钢淬火的相变造成影响。钢在磁场中淬火时，外加磁场能使钢的Ms点上升，这样一方面有可能使马氏体转变置于慢速冷却的对流换热区，实现小变形、无裂纹淬火；另一方面可使淬火后的残余奥氏体数量大大减少，有助于提高淬火工件尺寸的稳定性及淬火硬度。

目前国内外的试验资料表明，磁场淬火可用于碳素结构钢、碳素工具钢、合金钢和铸铁。

2.超声波淬火

超声波淬火就是将淬火工件加热到淬火温度适当保温后，投入到具有超声波振动的淬火槽内冷却的一种淬火方法。这种方法由于超声波对淬火介质具有空化作用，强化了淬火介质的冷却过程，提高了冷却烈度和冷却均匀性。同时，工件的淬硬性、淬透性也得到提高，保证了淬火质量，并适用于一些常规方法不能实现的某些材料的淬火。

当淬火介质中引入超声波，由于超声波在介质中的空化作用，在高温区形成包裹在淬火零件表面的气膜很快被击破，冷却介质直接与灼热工件接触，完全改变了气膜阶段时的换热条件。这样使淬火冷却过程迅速转变为气泡沸腾冷却阶段，淬火工件的冷却烈度大大提高。除此之外，超声波还能调节淬火介质的冷却特性。

超声波淬火目前主要在三方面得到了应用。一是低碳钢超声波剧冷淬火，提高其机械性能。超声波水淬低碳钢与一般水淬相比，抗拉强度提高了5%～15%，屈服极限提高了7%～17%。超声波淬火试样比淬火前硬度提高了2～4倍。二是超声波微变形淬火。很多材料在水淬中易变形开裂，在油中淬火硬度又不够，采用超声波油淬，油的冷却特性可以在静水和油之间得到调节，可以解决这个问题。三是大型零件超声波淬火。超声波与其它强化淬火冷却烈度的手段配合，可以提高大型零件淬火的淬透性。

3.压力淬火

压力淬火是利用压力场来改善淬火质量，现有两种方法：一种是淬火压床压力淬火，它是将淬火易变形零件加热后放在夹具上，在施加机械压力的条件下进行冷却淬火；另一种是气压压力淬火，它是将加热后待淬火工件置入有压力气体作用的淬火槽内冷却淬火。由于淬火介质处于压力场作用下，沸点提高，淬火冷却时，可以使工件的马氏体相变不在剧冷的气泡沸腾温度区内进行，而是处在等温淬火的冷却条件下完成马氏体相变，组织应力降低到最低限度，从而达到无裂纹淬火的目的。

由热力学可知，液体的沸点除与本身的物理、化学性质有关外，还与外界压力有关。淬火时，如果对淬火介质施加一定的压力，就会使介质的沸点提高，并可能接近于淬火钢的马氏体相变点Ms。因此，钢在压力作用下的介质中淬火，马氏体相变就可以处于沸点以下的对流换热缓慢冷却条件下进行，显著降低了组织应力。另一方面，淬火介质在压力作用下，高温区所形成的气膜将减薄，气膜层的导热系数增大，气膜容易破裂，使气膜阶段缩短，气泡沸腾阶段较早到来。由于压力淬火过程中的这些变化，使得淬火介质的冷却特性曲线趋于理想化，即高温区冷却速度加快，低温区均匀缓慢冷却，使工件既能淬硬又能防止淬火变形和淬裂。