小议淬火介质冷却性能的相关研究

摘要：淬火作为热处理环节的主要技术，同时冷却又是淬火必经的一步，因此对冷却性能的研究是非常关键的。由于淬火后通常不能进行机械加工，这时如果发生了变形或开裂，就会导致机械报废，因此对淬火介质冷却性能的研究就变得非常重要。

关键词：淬火介质;冷却性能;相关研究

一、淬火介质的相关研究

（一）淬火介质的类别和特点

为满足各种不同类别、尺寸以及形状工件的淬火要求，在市场中就出现了各种各样的淬火介质，包括液体、气体和固体。其中液体的主要包括水、无机物水溶液、淬火油、熔盐、熔碱等。气体的主要包括空气、压缩空气以及液化气。固体的主要为流态床和金属板。

1.水。水是最早被使用的淬火介质，因为它经济、无害、冷却性能还强。不过也有缺点，如冷却性能对水温的要求较高，当水温过高时，其冷却性能会严重变低。所以水仅适用在含碳少、淬透性小以及简单形状的工件淬火当中。

2.油。淬火所用的矿物油一般是经过精制后的中性石蜡基油，其粘性较小，而且油烟和油垢较少，还有一定的抗氧化能力，因此应用的时间较长，非常适合用来当淬火介质。

3.熔盐、熔碱。熔盐、熔碱介质在冷却时不会出现物态改变，而且此种淬火介质在高温下冷却比较快，低温下冷却较慢，其淬火效果比较好，而且工件的变形小，几乎不会出现裂缝。不过这种介质也具有一定的缺点，主要是污染环境、能源消耗量大、成本高。因此主要用在形状复杂、尺寸变化大的工件淬火当中。

4.有机聚合物。目前有机聚合物淬火剂是一种新兴的淬火介质，此淬火介质主要是把有机聚合物溶在水里，然后按照实际情况来调整溶液的浓度及温度，其冷却性能不仅能够达到所要求的标准，而且还具有无害、无烟、无味、不腐蚀等特点，既安全又可靠。

5.无机物水溶液。由于对淬火介质的不断研究，使得我们开始了向水里加入碱、无机盐的实验，发现能够形成由无机物所组成的溶液，既能够提升高温下其冷却的速度，还能够保证冷却均匀，避免淬火后发生变形和裂缝。

6.流态床。流态床的冷却性能通常处在空气与油的中间，并较为类似油。流态床是先把压缩空气或吹动金属放进特制的淬火冷却槽里，然后调整压缩空气的流量及流速，选取种类不同的粉末，经过对颗粒大小和流态床深度、温度的调整来改善流态床的冷却性能。

（二）淬火介质的特性

对淬火介质的要求应该是均匀，并且淬硬深度足够的，同时还不能给工件造成变形和裂缝。所以对淬火介质所希望的特点包括：为取得马氏体组织，当淬火工件浸在淬火介质里时，过冷奥氏体稳定性低的温度之内，也就是曲线C的鼻温周围，冷却速度必须大于临界冷却速度，这样才可保证工件迅速经过珠光体以及贝氏体的转换区域，确保工件硬度。在碳钢与低合金钢淬火冷却至650℃以前，奥氏体还较为平稳，能够较慢的冷却，还可以降低工件由于内外温度差而造成的热应力。当介于650～450℃时，要求冷却的速度要快，当低于400℃时，则要求冷却速度应慢，避免因为工件内外温差而带来的热应力，进而防止工件出现变形与裂缝。

（三）对淬火介质冷却性能产生影响的原因

对淬火介质冷却性能产生影响的原因有两个，分别是淬火介质的物理性及淬火过程的工作条件。其中，介质物理性的影响因素主要包括：蒸汽压和汽化热、比热、导热系数、表面张力、粘度以及添加剂。工作条件主要是搅动和温度的影响因素。

二、试验材料及方法

（一）试验材料

本试验的主要材料为42CrMo钢，其机械性能极其强，具有高强度、大韧性、强淬透性的特点，处于高温情况下具有高强度、耐久性的优点。42CrMo钢总被用来制造齿轮、螺栓等零件。同时还被用在制造高强度、大调面的锻件，像大型压缩机的活塞杆、连杆以及钻井的钻杆接头等部位。

（二）试验的淬火介质

本试验的淬火介质有四种分别为：14.5%水基高聚物水溶液（WP1）、N32机械油（N32）、快速淬火油（FQO）以及水基高聚物淬火液（WP2）。第一，14.5%水基高聚物水溶液（WP1）。WP1具有良好的热稳定性和剪切性，其淬火冷却速度不会由时间变化而变化。第二，N32机械油。我们用矿物油当淬火介质是从二十世纪五十年代开始的，以机械油为主，其作用为润滑和冷却。第三，快速淬火油（FQO）。将FQO做淬火介质时，当处于高温状态时，其冷却速度均匀而且非常快。在对流冷却过程中，冷却的速度均匀并缓慢，不仅能保障工件的淬硬，还能防止工件变形。第四，水基高聚物淬火液（WP2）。WP2的淬火冷却性能和油相似，在淬火过程中不会发生烟气而污染环境，对操作人员和设施起到了保护的作用。

（三）试验仪器

所用的试验仪器主要包括：SX2-8-10箱式电阻炉、Olympus BX-51M 型光学显微镜、HR-150 型洛氏硬度仪以及AG-IC100kN 系列岛津电子万能试验机。

（四）试验的方法

（1）主要使用42CrMo钢作为试验的材料，其工艺流程是：淬火加热温度850℃，保温的时间6h，淬火介质温度是30℃。回火温度600℃，保温的时间6h。采用冷却特性测试仪描绘N32、WP1、FQO（新）和使用一个月后的（旧）冷却特性曲线，对使用后淬火介質的冷却性能进行分析。

（2）将高聚物基淬火液（WP2）调制出5%、10%、15%、20%浓度的溶液当作试验的淬火介质。将18mm直径的棒材截为125～140mm的圆柱24段，不同浓度的淬火介质各6个。再采用箱式电阻炉对工件加热到850℃，保温0.5h，用5%、10%、15%、20%的WP2分别在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃淬火，不同的温度中淬火一个试样，然后做好标记，进行回火处理，回火温度550℃，保温1h。在试验中，应注意淬火介质的浓度及温度。

三、结论

我们主要以42CrMo钢材为材料，取几样淬火介质来进行试验，分析其在淬火介质中的变化，给今后淬火介质的使用打下基础。主要以机械油（N32）、14.5%水基高聚物水溶液（WP1）和快速淬火油（FQO）为淬火介质，总结如下：（1）机械油（N32）和14.5%水基高聚物水溶液（WP1）经过一段时期的应用后其冷却性能明显降低。2.快速淬火油（FQO）在应用一段时期后会发生老化，同时出现大量的水和杂质。3.旧N32和WP1的处理强度较差，旧FQO 的处理强度还算高一些。4.浓度及温度对WP2的冷却性能影响较大。如果加大WP2的浓度及温度会增长蒸汽膜的时间，使冷却速度变低。因此对这2个参数进行调整能够使WP2改变其冷却性能，以满足不同的淬火需求。5.经过本次试验，得到了温度和浓度对WP2冷却性能的影响，发现WP2最好的浓度大概为10%，最好的时间为40～50℃。因此能够调节这些根本指标，借助调整浓度和温度的方法来改变淬火介质的冷却速度。

参考文献：

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