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淬火冷却介质优选word资料
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
金属材料与热处理课程
淬火冷却介质
主讲教师：
雷伟斌
西安航空职业技术学院
淬火冷却介质
一、淬火介质的分类与要求
根据物理特性，淬火介质可分为如下两大类：
（1）淬火时发生物态变化的淬火介质包括水、油和水溶液等，其沸点远低于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中后会汽化沸腾，使工件强烈散热，此外，在工件与介质的界面上还可以以辐射、传导、对流等方式进行热交换；
（2）淬火时不发生物态变化的淬火介质包括各种熔盐、熔融金属等，其沸点高于工件的淬火加热温度，赤热工件淬入其中时不会汽化沸腾，而只以辐射、传导和对流的方式进行热交换。
对淬火介质一般的要求是：
无毒、无味、经济、安全可靠；不易腐蚀工件，淬火后易清洗；成分稳定，使用过程中不易变质；在过冷奥氏体不稳定的中温区有足够的冷却速度，在低温马氏体转变区有较缓慢的冷却速度，以保证淬火质量；在使用时，介质粘度应较小，以增加对流传热能力和减少损耗。
二、有物态变化的淬火介质
1．冷却特性与冷却机理
淬火介质的冷却特性是指试样温度与冷却时间或试样温度与冷却速度之间的关系。
测定冷却特性通常采用热导率很高、尺寸一定的银球试样，将其加热到一定温度后迅速置入淬火介质中，利用安放在银球中心的热电偶测出其心部温度随冷却时间的变化，再根据这种温度—时间曲线换算求得冷却速度——温度关系曲线。
赤热工件进入淬火介质（以水为例）后，其冷却过程大致可分为三个阶段：
（1）蒸汽膜阶段当工件进入淬火介质后，工件周围介质立即被加热汽化，并在工件表面形成一层蒸汽膜，将工件与液体介质隔离。
由于蒸汽膜的导热性较差，故使工件的冷却速度较慢，如图1中的AB段。
冷却开始时，由于工件向淬火介质放出的热量大于通过蒸汽膜向周围介质散发的热量，
故蒸汽膜的厚度不断增加。
随着冷却的进行，工件温度不断降低，膜的厚度及其稳定性也逐渐变小，直至破裂消失，这是冷却的第I阶段。
蒸汽膜开始破裂的温度（图1中的B点）称为淬火介质的“特性温度”，是评价淬火介质的重要指标。
对20℃的水，其特性温度约为300C。
（2）沸腾阶段蒸汽膜破裂后，冷却介质与
工件直接接触，在工件表面激烈沸腾而带走大量
热量，故冷却速度很快，如图1中的BC段。
沸腾阶段前期冷却速度很大，随工件温度下降而
逐渐减慢，直到介质的沸点为止，这是冷却的第
II阶段。
（3）对流阶段工件冷至低于介质的沸点后，主要靠对流传热方式进行冷却，这时工件的冷速甚至比蒸汽膜阶段还要缓慢，如图1中的CD段。
随工件与介质温差的不断减小，冷却速度越来越小，这是冷却的第III阶段。
三、无物态变化的淬火介质
这类淬火介质主要指熔盐、熔碱及熔融金属，多用于分级淬火及等温淬火。
这类介质的传热方式是传导和对流，因此其冷却能力除取决于介质本身的物理性质（如比热容、导热性、流动性等）外，还和工件与介质间的温度差有关。
工件温度较高时，介质的冷却速度很高，工件温度接近介质温度时，冷却速度迅速降低。
表1为常用熔盐与熔碱的成分和使用温度范围。
表1常用的熔盐与熔碱的成分和使用温度
序号
成分（质量分数）
熔化温度/︒C
使用温度/︒C
1
50％KNO3＋50％NaNO3
220
245～500
2
55％KNO3＋45％NaNO3
137
150～500
3
72％KOH＋19％NaOH＋2％KNO2＋2％NaNO2＋5％H2O
～140
160～300
4
100％NaNO3
308
350～500
5
75％CaCl2＋25％NaCl
500
540～800
四、淬火常用冷却介质
1.水
图2为水在静止与流动状态的冷却特性。
可见，静止水的蒸汽膜阶段温度范围很宽，在800～380︒C温度范围，此阶段的冷速很慢，不超过180︒C/s；温度低于380︒C才进入沸腾阶段使冷却速度急剧上升，在280︒C左右冷速达最大值，约770︒C/s。
水的冷却特性与理想淬火介质的冷却特性恰恰相反。
水作为淬火介质的主要优点是价廉、安全、清洁，而且具有比较强烈的冷却能力，因此是应用最早、也是最广的淬火介质。
水作为淬火介质的主要缺点是：
①冷却能力对水温的变化很敏感，水温升高，冷却能力便急剧下降，并使最大冷速对应的温度移向低温（图3-13），故使用温度一般为10~40︒C，最高不超过60︒C；②在碳素钢过冷奥氏体的最不稳定区（500~600︒C左右），水处在蒸汽膜阶段，冷却速度较低，奥氏体易发生高温转变，因此工件在淬入水中后应不断晃动以破坏蒸汽膜，尽快进入沸腾阶段。
而在马氏体转变区的冷速太大，易使工件严重变形甚至开裂；③不溶或微溶杂质（如油、肥皂等）会显著降低其冷却能力，使工件淬火后易产生软点。
2.盐水与碱水
为了提高水的冷却能力，往往在水中添加一定量（一般为5%～10%）的盐或碱，例如食盐水溶液、苛性钠水溶液等。
溶入水中的盐、碱等，淬火时随着水的汽化在工件表面析出并爆裂，使蒸汽膜提早破裂，沸腾阶段提前。
常用的NaCl盐水溶液浓度为5％～10％，在500～650︒C区间的冷却能力约为水的10倍。
在200～300︒C区间内，冷速比水快，但在200︒C以下时，冷速和水相同。
因此，在盐水中淬火，其变形、开裂倾向比水小。
此外盐水冷却能力受温度的影响也较纯水为小。
盐水的使用温度为60︒C以下，已广泛用于碳钢的淬火。
常用的碱水为浓度5％～15％的苛性钠（NaOH）水溶液，它在高温区的冷却速度比盐水高，而在低温区的冷速比盐水低。
碱水浓度越高，低温区的冷却速度越小。
因此在碱水中淬火，不仅可得到高而均匀的硬度，且工件变形、开裂的倾向也较小。
此外，工件表面的氧化皮在苛性钠的作用下可脱落，淬火后的工件表面洁净，呈银灰色。
但是，碱水的价格较高。
另外，由于盐和碱附着在工件表面，使工件在空气中极易产生锈蚀，因此淬火以后必须将工件清洗干净。
盐水与碱水的缺点是在低温（100～300︒C）区间冷速仍很大，并对工件、设备有一定腐蚀作用等。
3.有机物的水溶液及乳化液
这类淬火介质主要指熔盐、熔碱及熔融金属，多用于分级淬火及等温淬火。
这类介质的传热方式是传导和对流，因此其冷却能力除取决于介质本身的物理性质（如比热容、导热性、流动性等）外，还和工件与介质间的温度差有关。
工件温度较高时，介质的冷却速度很高，工件温度接近介质温度时，冷却速度迅速降低。
表2为常用熔盐与熔碱的成分和使用温度范围。
表2常用的熔盐与熔碱的成分和使用温度
序号
成分（质量分数）
熔化温度/︒C
使用温度/︒C
1
50％KNO3＋50％NaNO3
220
245～500
2
55％KNO3＋45％NaNO3
137
150～500
3
72％KOH＋19％NaOH＋2％KNO2＋2％NaNO2＋5％H2O
～140
160～300
4
100％NaNO3
308
350～500
5
75％CaCl2＋25％NaCl
500
540～800
4.油
常用的淬火油有L-AN15、L-AN32、L-AN46全损耗系统用油（10号、20号、30号机械油）等，号数越高，粘度越大。
用油作为淬火介质的主要优点是：
油的沸点一般比水高150～300︒C，其对流阶段的开始温度比水高得多。
由于在一般钢的Ms点附近已进入对流阶段，故马氏体相变区的冷速远小于水，这对减小钢的变形与开裂倾向十分有利。
油作为淬火介质的主要缺点是：
中温区间的冷却能力太小，仅为水的1/5～1/6，只能用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。
此外，油经长期使用后还会发生老化，故需定期过滤或更换新油等。
粘度是影响淬火油冷却能力的一个重要因素。
适当提高油温可降低粘度，增加流动性，从而提高其冷却能力。
通常油温应控制在60～80︒C，在这一温度范围冷却能力最好，又不致使油老化。
闪点是指油表面上的蒸汽和空气自然混合时与火接触而出现火苗闪光的温度。
常用矿物油的闪点为：
L-ANl5（10号机油），165︒C；L-AN32（20号机油），170︒C；L-AN46（30号机油），180︒C；L-AN68（40号机油），190︒C。
油温一般应保持在闪点以下100︒C左右，以免着火。
闪点高的油，可用于等温淬火或分级淬火。
在油中添加油溶性高分子添加剂可获得光亮淬火油，满足淬火后工件表面光亮的需要。
此外还发展了真空淬火油用于真空淬火，其饱和蒸汽压很低，不易挥发，不易污染炉膛并很少影响真空度，有较好的冷却特性，淬火后工件表面光亮，热稳定性好。
5.新型淬火冷却介质
作为淬火介质，水的主要缺点是低温区的冷却速度过大，易引起工件的变形与开裂，而油的主要缺点则是中温区的冷却能力太小，易造成过冷奥氏体的分解，两者都不够理想。
为此广大热处理工作者都在致力于寻求新的淬火介质，力图使其兼有水和油的优点，并且可以调节其成分以调整冷却速度。
现就几种新型淬火介质简要介绍如下。
（1）过饱和硝盐水溶液
这类淬火介质的典型成分（质量分数）为25％NaNO3、20％NaNO2、20％KNO3和35％H2O，最佳使用温度为70℃。
该介质在中温区冷却能力比盐水小，但比油大，而在低温区冷却能力与油相近，综合了盐水和油的优点。
（2）水玻璃淬火剂
它是用水稀释成不同浓度的水玻璃（Na2SiO3）溶液。
水玻璃水溶液中加入盐和碱后，蒸汽膜不稳定而使蒸汽膜阶段缩短，冷却速度加快；但由于水玻璃的作用又较盐（碱）水为小，因此，在沸腾阶段冷却能力较水差，较油强。
在低温，由于表面覆盖一层水玻璃膜，故冷却较慢。
调节成分可使之具有不同的冷却速度，水玻璃含量低时冷却快；含量高时冷却变慢。
例如，“351”淬火剂的配比（质量分数）为7％～9％的水玻璃、11～14％的NaCl、11～14％的Na2CO3、0.5％的NaOH，其余为水。
它的使用温度为30～65︒C，冷却速度介于油与水之间。
（3）氯化锌—碱水溶液
这种淬火剂的成分（质量分数）为：
49％ZnCl2＋49％NaOH＋2％肥皂粉，再加300倍水稀释。
使用时要搅拌均匀，使用温度为20～60︒C。
其特点是：
中温区冷速比水快，低温区冷速比水慢，淬火后工件变形小，表面光亮，适用于中小尺寸、形状复杂的中、高碳钢制工模具的喷射淬火。
（4）有机聚合物水溶液
这是近年来兴起的新型淬火介质，如聚乙烯醇水溶液、聚醚水溶液等。
在水中加入聚乙烯醇，不仅增加了水的粘度，而且在冷却过程中在工件表面形成一层粘的塑性膜。
这层塑性薄膜在冷却过程中的蒸汽膜阶段出现，使蒸汽膜冷却阶段的冷速进一步降低；但更重要的是能大大降低对流冷却阶段的冷速，聚乙烯醇含量（体积）为0.05％时，已有明显效果。
在生产上，聚乙烯醇含量一般控制在0.1～0.3％范围内。
理想的使用温度为15～40︒C。
可用于喷射冷却，也可用以浸没冷却。
溶液中聚乙烯醇含量越多，溶液粘度越大，冷却特性越接近油。
这种淬火介质的优点是可以用不同的聚乙烯醇含量得到不同的冷却速度，而且冷却特性比较好，此外，这种介质无毒、不燃烧、不侵蚀工件、对人体安全，供应方便，添加量少，成本低。
不足之处是在沸腾冷却阶段的冷却速度仍较低，浓度及液温必须严格控制。
聚乙烯醇溶解较难，必须加热至90℃左右并搅拌2h以后才能全部溶解，且长期使用也会发生老化，并使冷却能力大为降低，伴有臭味产生。
聚乙烯醇水溶液广泛用于合金结构钢及碳素工具钢、轴承钢等多种材料的淬火。
聚醚水溶液国外称为“UCON'’淬火介质，主要成分为环氧乙烷和环氧丙烷。
特点是聚醚能以任何比例与水互相溶解，故可通过调节浓度来控制冷却速度在水、油之间，因而有万能淬火剂之称，缺点是价格昂贵。
淬火油淬火新方法与淬火油冷却装置新技术创新工艺技术专利手册
主编：
专利编写组
出版发行：
中国知识出版社2021年
规格：
全六卷16开精装+1张CD光盘
定价：
1880元优惠价：
1580元
详细目录
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203CN88102685激光双光束淬火介质冷却性能测定仪
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334CN200510123526凸轮轴淬火装置
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338CN200610069335网纹淬火轴套
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