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淬冷介质

淬冷介质  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。
  淬冷介质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,两者的百分比淬冷介质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。
淬冷介质淬冷介质
  参考书目
 王运迪编:《淬火介质》,上海科学技术出版社,上海,1981。

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