淬火变形和冷却介质的介绍

初涉热处理工艺的人容易产生这样的认识：淬火介质的冷却速度越快，工件的淬火变形就越大。事实上，淬火介质的选择问题不这么简单。淬火变形超差成为问题，一定是在工件不淬裂，且淬火硬度和淬硬层深度都能满足要求的前提下提出来的。因此，任何特定条件下淬火的一种工件，都有最适合它的淬火介质的冷却速度范围。过快的冷却速度会引起淬火开裂和超差的淬火变形。而过慢的冷却速度不仅不能把工件淬硬，引起的淬火变形问题往往更加严重。一般说，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度则可能很快。除了留意介质的冷却速度快慢之外，使用条件和使用方法对冷却速度的影响又是一个必须重视的问题。和油性介质相比，水温变化对水性介质冷却特性的影响较大。因此，水性介质特别适合在单件淬火和像网带炉之类的可以将工件分撒开淬火的场合使用。而油性介质既适用于单件场合使用，也适用于多件同时淬火。 
　　大量的生产实践表明，在都能满足淬硬要求的条件下，油中淬火后工件的淬火变形通常比水性介质中的要小；热油中淬火的变形又更小。与油性介质相比，采用高压气淬或者在低温盐浴中淬火的工件变形程度还更小。油中淬火变形大，主要表现为变形的分散程度大。究其原因，我们认为主要是工件在水性和油性介质中淬火时，总要经过蒸汽膜阶段到沸腾冷却阶段的转变过程。这一缺点也被称为水性和油性介质的“特性温度问题”。用高压气淬或者在低温盐浴中淬火，就不存在这种问题。(详细内容可参看本刊2006年第1到6期连载的“分析和控制淬火变形问题的冷却速度带法”)
　　虽然水性和油性介质早就得到普遍应用，但关于它们的冷却机理，我们还不甚了解。新近的研究发现，在水性与油性介质中淬火冷却时，对于工件具有等效厚度表面上的一个小区域(简称为“表面点”)，其蒸汽膜阶段的结束过程与该表面点的温度值之间并不存在唯一确定的对应关系。实验观测到的情况是，在一定的温度范围内，同一工件上具有同样等效厚度的众多的表面点中，哪个点在什么温度时从蒸汽膜笼罩状态转变到沸腾冷却状态，却是说不准的，也即具有相当大的随机性。由于现在通用的有关液态介质中淬火冷却的三阶段划分的理论不能解释这样一些现象，我们提出了“液态介质中淬火冷却的四阶段理论”。和现在通用的三阶段划分相比，四阶段理论中增加一个“中间阶段”。正是由于中间阶段的存在，才引起了所谓的特性温度问题。用四阶段理论已经开发了一些技术方法。采用这些技术不仅可以控制中间阶段出现的温度范围，还可以使工件上任何特定部位在设定的时间范围内完成其中间阶段历程。把依据四阶段理论知识认识工件的淬火冷却过程，并采用相关的技术方法控制工件冷却的中间阶段的淬火冷却技术，称为“精细淬火冷却技术”。我们希望，通过热处理行业多方面的参与和从易到难的推广应用，精细淬火冷却技术能逐渐趋于完善。今后，精细淬火冷却技术的应用，将可能克服水性和油性淬火介质的特性温度问题。在不久的将来，采用油性甚至水性介质淬火的工件，其淬火变形程度很有可能减小到高压气淬和低温盐浴淬火的水平。(关于四阶段理论和精细淬火冷却技术的详细内容请参看：《热处理技术与装备》刊2006年第6期起，并正在连续发表的10篇文章)。
　　当前，锻坯等温正火已在国内热处理行业得到推广应用。和普通空冷正火相比，等温正火能获得更加优良和均匀的预备组织。因此，在随后的淬火或者渗碳淬火中产生的淬火变形更小。等温正火生产的关键工序是锻坯正火加热后的前期快冷。前期快冷的要求是在过冷奥氏体发生珠光体转变之前，把锻坯的温度降低到设定的等温温度。只有这样，才能保证锻坯获得均匀一致的等温转变产物。由于不同工件的钢种和尺寸大小不同，等温正火的前期快冷应当有多种冷却介质可供选用。尺寸较小和淬透性较好的钢种制造的工件，可以选用冷却速度较慢的冷却介质；而尺寸较大和淬透性较差的钢种制造的工件，则必须选用冷却速度较快的冷却介质。当前可供等温正火前期快冷选用的冷却介质，按它们的冷却速度由慢到快的次序排列如下：
　　普通风冷-快速风冷-匀速冷却液-油-水性介质-水。
　　尺寸较大必须用油的场合，为避免产生烟火，可以改用水性介质来代替。
　　除了锻坯等温正火外，渗碳后二次加热淬火的工件，其渗碳后的冷却快慢和所得组织的好坏与均匀性，对再次加热淬火后的工件的内在质量、变形程度和磨削裂纹敏感性等都有着不可忽视的影响。采用相当于等温正火的方法，也能解决这方面问题。而做好这一工作的关键，也同样是选用适当的前期快冷介质。