【正文】 想的淬火介質(zhì)，能同時(shí)適用所有不同的工件的想法，如同想尋找一種藥物來(lái)包治一切疾病一樣，是不現(xiàn)實(shí)的。 3 適用于多種工件的同一淬火介質(zhì) 前面的討論已說(shuō)明，任何一種特定的工件都有自己淬火冷卻的最低和最高冷速分布曲線劃定的第II冷速分布區(qū)。當(dāng)要在同一種淬火液中淬多種不同的工件時(shí)，又如何選擇它們共同適用的一種淬火介質(zhì)呢？顯然，要能選出一種這樣的淬火介質(zhì)的先決條件，是這些工件淬火冷卻的第II區(qū)的交，即共同適用的第II區(qū)存在并且是連貫的。圖10是由兩種工件的第II冷速區(qū)確定它們共同適用的第II冷速區(qū)的示意圖。無(wú)疑，它們共同的第II區(qū)必然小于（等于）諸工件中最小的一個(gè)第II區(qū)。 由于共同的第II區(qū)最狹小，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選出共同適用的淬火介質(zhì)就不容易。 事實(shí)上，由于可用的淬火介質(zhì)就那么兩三種，加上又沒(méi)有做合理的選擇，不少工件的淬火質(zhì)量并不高，尤其是截面硬度分布往往達(dá)不到要求。 那么，如何選擇多種工件共同適用的同一種淬火介質(zhì)呢？利用本文前面談到的道理，下面將分別對(duì)淬火油和水性淬火劑加以研究，并提出它們各自適用的選擇原則。 淬火用油的選擇原則 淬火用油幾乎都是有較高閃點(diǎn)的礦物油，這些油的比熱約為自來(lái)水的1/2，導(dǎo)熱率約為自來(lái)水的1/4，對(duì)流開始溫度高，加上粘度遠(yuǎn)比水高，使淬火用油的冷卻速度，尤其是低溫階段的冷卻速度遠(yuǎn)比水低。 由于這樣的原因，絕大多數(shù)工件在油中淬火（包括各種快速油中）沒(méi)有淬裂危險(xiǎn)，而通常擔(dān)心的是油的冷卻速度較低，使較厚大的工件或淬透性稍低的鋼種達(dá)不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此發(fā)生較 大的變形。 為此，選用淬火用油時(shí)，往往只從各種工件的最低冷卻速度分布曲線去加以考慮。 圖11是幾種工件要求的最低冷卻速度分布。顯然，只有當(dāng)選定的淬火油的冷卻速度分布曲線能從右邊將這幾種工件的最低溫度冷卻速度曲線包圍著，這幾種工件在其中淬火才能全部獲得淬火冷卻的三效果。 可以推知，一般說(shuō)來(lái)，所選的油的蒸氣膜階段越短，對(duì)流開始溫度越低，且最高冷速越大，這樣的油的冷卻速度曲線可能從右邊包圍的最低冷卻速度分布曲線就越多，即適用的工件（鋼種）越多。這就是適于多種工件的淬火油的選擇原則。 水溶性淬火液的選擇原則 在水（及水溶液）中淬火的主要危險(xiǎn)是淬裂，而降低水性淬火液的300℃冷速則可以減小這種危險(xiǎn)。水性淬火劑（液）的300℃冷速越低，防止淬裂的能力就越強(qiáng)，因而適用的鋼種和工件就越多[5]。如果將多種工件的最高冷速分布曲線畫在一起，同樣可以畫出它們共同的第II區(qū)的右邊界線，得到的也是這樣的結(jié)論。 當(dāng)水或水溶液液溫過(guò)高時(shí)，比如通常超過(guò)60℃后，淬火冷卻的蒸氣膜階段顯著增長(zhǎng)，蒸氣膜相當(dāng)穩(wěn)定，這時(shí)用于工件淬火，冷卻速度曲線容易從上方進(jìn)入其第Ⅲ冷速區(qū)，從而引起淬火硬度不足和大的變形。所以，使用水性淬火液應(yīng)當(dāng)控制好液溫，一般以平均液溫不超過(guò)60℃為宜。 當(dāng)淬火液的品種確定后，生產(chǎn)中還可以通過(guò)調(diào)節(jié)淬火液濃度、液溫和與工件的相對(duì)流速來(lái)改變工件淬火時(shí)的冷卻速度分布，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。這方面的規(guī)律和方法可參考其它有關(guān)資料。 由上述分析可知，普通機(jī)油（如32號(hào)機(jī)油）冷卻能力并不高，卻可適于某些類工件淬火；普通自來(lái)水冷卻很快，卻仍可適于另外某些類工件淬火。由于在普通機(jī)油與自來(lái)水的冷卻速度分布曲線之間有很寬廣的空白地帶，只配備普通機(jī)油和自來(lái)水是不夠的。那么，一般機(jī)械廠的熱處理車間應(yīng)當(dāng)配備哪幾種淬火液，才能滿足大多數(shù)工件的淬火需要呢？根據(jù)前面的分析討論，建議為普通熱處理車間配備以下四種淬火液（槽）： ，其冷卻特性應(yīng)為：淬火冷卻的蒸氣膜階段短，對(duì)流開始溫度低，且最高冷速大。 、可操作性強(qiáng)的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動(dòng)情況下的300℃冷速在20～30℃/s之間。 、可操作性強(qiáng)的水溶性淬火液，其30℃液溫，不攪動(dòng)情況下的300℃冷速在50～70℃/s之間。 如果所處理的工件種類不太多，也可以用一種300℃冷速在30～50℃/s之間的水溶性淬火液代替3兩種淬火液，即共配制三種淬火液（槽）。 4 結(jié)論──從冷卻速度選擇淬火介質(zhì)的原則 通過(guò)本文的分析可以說(shuō)明： 。 。 ：一看鋼的碳含量多少，二看鋼的淬透性高低，三看工件的有效厚度，四看工件的形狀復(fù)雜程度，五看允許的變形大小。 ，從冷卻速度分布上看，它的蒸氣膜階段越短，對(duì)流開始溫度越低，最高冷速越大，則該種油適用的鋼種和工件就越多。 ，從冷卻速度分布曲線上看，它的300℃冷卻速度越低，則它適用的鋼種和工件就越多。 （6）自來(lái)水做淬火介質(zhì)的兩大缺點(diǎn)從自來(lái)水淬火時(shí)工件容易淬裂、硬度不均且畸變大等現(xiàn)象，列出了自來(lái)水作為淬火介質(zhì)的兩大缺點(diǎn)：一是低溫冷卻速度太快，二是冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感。分析了自來(lái)水第二大缺點(diǎn)引起淬火硬度不均和畸變的原因。通過(guò)與氣態(tài)介質(zhì)的對(duì)比，指出了液態(tài)淬火介質(zhì)共同的兩類缺點(diǎn)：一是任何確定的液態(tài)介質(zhì)，其冷卻速度的可調(diào)節(jié)范圍都很有限，以致同一個(gè)車間必須配備普通淬火油、中速淬火油和高速淬火油，才能滿足不同工件的需要；二是工件從蒸汽膜階段到沸騰階段期間，冷卻速度突然增大，可能引起較大的淬火變形。提供了克服液態(tài)淬火介質(zhì)第二類缺點(diǎn)的七類技術(shù)方法。 關(guān)鍵詞：水；淬火介質(zhì)；淬火冷卻；淬火冷卻畸變 1 自來(lái)水的兩大缺點(diǎn)多數(shù)工件用自來(lái)水淬火會(huì)開裂，淬裂的原因是眾所周知的：自來(lái)水的低溫冷卻速度太快。這是自來(lái)水的一大缺點(diǎn)。用水作冷卻介質(zhì)，還遇到另外的問(wèn)題。例如，多個(gè)工件采取比較密集的方式同時(shí)入水時(shí)，淬火后會(huì)有顯著的硬度差異。為此，現(xiàn)在的多用爐基本不用水性淬火介質(zhì)。又如，工件上有較深的內(nèi)孔、工件為大薄片狀、以及形狀復(fù)雜時(shí)，水淬后往往出現(xiàn)嚴(yán)重的硬度不均和較大的淬火畸變。同樣的情況，在油中淬火時(shí)，則不會(huì)發(fā)生這樣嚴(yán)重的問(wèn)題。引起這些問(wèn)題的原因是，水的冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感。圖1a是溫度對(duì)自來(lái)水冷卻特性的影響曲線[1]。容易推知，當(dāng)單個(gè)工件在自來(lái)水中淬火時(shí)，由于形狀或所處位置的原因，工件不同部位的表面接觸的水溫是不同的：工件上的凹進(jìn)部分接觸的水溫高，而突出部分接觸的水溫則相對(duì)要低些。位于下面部分接觸的水溫較低，上面部位接觸的水溫較高。當(dāng)多個(gè)工件以比較密集裝掛的方式同時(shí)入水時(shí)，位于外面的工件接觸的水溫較低，而內(nèi)部的工件接觸的水溫則較高。再加上同一工件朝外的面接觸的水溫較低，朝里的面接觸水溫則較高。不同的水溫對(duì)應(yīng)不同的冷卻特性，其結(jié)果就引起了上述種種問(wèn)題。圖1b為溫度對(duì)油的冷卻特性的影響曲線。由圖1的對(duì)比，可以看出水溫對(duì)冷卻特性的影響是很大的。我們把冷卻特性對(duì)液溫變化太敏感列為自來(lái)水的第二大缺點(diǎn)。有機(jī)聚合物水溶液，比如PAG淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺點(diǎn)。圖1c為不同液溫的10％硫酸鈉水溶液的冷卻特性曲線。由圖1c可見，10％的無(wú)機(jī)鹽（或堿）溶入水中，可以大大減小冷卻特性對(duì)水溫的敏感性程度。與單純自來(lái)水相比，直到水溫達(dá)到70℃，其冷卻特性對(duì)液溫的敏感程度還是比較小的。表1為自來(lái)水、PAG淬火液和淬火油等液體介質(zhì)的上述兩項(xiàng)特性。上述對(duì)液溫的敏感性，主要是通過(guò)液溫對(duì)冷卻過(guò)程中蒸汽膜階段長(zhǎng)短的影響，而最終反映在同一工件的不同部位之間、不同工件之間、以及不同批次淬火工件之間出現(xiàn)大的硬度差異和嚴(yán)重的淬火中畸變上。表1 不同種類液體介質(zhì)的兩大特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of two main features of different liquid quenching medium 介質(zhì)名稱 自來(lái)水 油 PAG淬火液 10%無(wú)機(jī)鹽(或堿)的水溶液 熔融鹽浴(如硝鹽浴) 防止鋼件淬裂的能力 差 好 濃度適當(dāng)時(shí)相當(dāng)好 差 好 冷卻特性對(duì)液溫的穩(wěn)定性 差 好 較差 較好 好 2 冷卻速度曲線上出現(xiàn)3個(gè)區(qū)段的條件在研究無(wú)機(jī)鹽水溶液時(shí)，曾經(jīng)有過(guò)一種錯(cuò)誤的說(shuō)法：“在任何液體介質(zhì)中淬火冷卻，都會(huì)出現(xiàn)蒸汽膜（膜沸騰）階段、（泡）沸騰階段和對(duì)流冷卻階段”。即便在采用1000張/s的快速攝影也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)蒸汽膜階段時(shí)，也仍然堅(jiān)持這一看法。為了說(shuō)明上述說(shuō)法的錯(cuò)誤所在，我們簡(jiǎn)單分析一下上述3個(gè)階段的成因。在冷卻的蒸汽膜階段，紅熱工件被水蒸氣包裹著，如圖2所示。此時(shí)，工件表面向外部散熱是通過(guò)熱輻射和水蒸氣的對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，熱輻射的作用最大?？枯椛錈嵋约皩?duì)流傳遞的熱使包裹蒸汽膜的汽－液界面發(fā)生沸騰。沸騰產(chǎn)生的水蒸氣充實(shí)進(jìn)蒸汽膜中，使膜內(nèi)的蒸汽壓足以抵擋外部液體的壓力，則蒸汽膜得以維持。我們知道，物體表面向外輻射的熱量與該表面的絕對(duì)溫度的4次方成正比。因此，工件表面溫度越高，汽－液界面上的沸騰就越激烈。其結(jié)果蒸汽膜就越厚，也越穩(wěn)定。由于穩(wěn)定的蒸汽膜階段幾乎沒(méi)有氣泡進(jìn)入液相中，我們可以把氣液界面包裹著的部分看成一個(gè)體系。這個(gè)體系的外部是氣體，里面包裹著的是固體。這個(gè)體系對(duì)外的熱散失主要是靠對(duì)流來(lái)進(jìn)行。接觸上述體系的液體被加熱，再通過(guò)對(duì)流把熱量帶到更遠(yuǎn)處。其情形就像始終保持在100℃的工件在水中的散熱情況一樣。隨著冷卻的進(jìn)行，工件表面溫度降低，汽－液界面上沸騰的激烈程度會(huì)迅速降低。蒸汽膜階段的冷卻速度隨之減小。由于沸騰區(qū)域的汽－液界面上發(fā)生著的是水蒸汽?水的雙向變化，當(dāng)水沸騰產(chǎn)生的水蒸氣的量少于膜內(nèi)的水蒸氣變成水所損失的量時(shí)，包裹工件的蒸汽膜就會(huì)變薄。當(dāng)蒸汽膜內(nèi)保有的水蒸氣少到不能抵擋外部液體的壓力時(shí)，蒸汽膜就會(huì)破裂。蒸汽膜階段也就終止了。工件上該部位也就進(jìn)入了沸騰冷卻階段。綜上所述，工件（或探棒）冷卻過(guò)程中是否出現(xiàn)蒸汽膜階段，完全決定于工件表面的溫度高低。只有工件表面溫度超過(guò)一定程度后，冷卻過(guò)程中才會(huì)出現(xiàn)蒸汽膜階段。這個(gè)特定的溫度值是隨工件的特點(diǎn)、所用介質(zhì)的特性和其它有關(guān)條件而變的。只有工件的表面溫度高于上述特定的溫度值時(shí)，才可能出現(xiàn)和維持冷卻的蒸汽膜階段。低于這個(gè)值，就形不成完整而穩(wěn)定的蒸汽膜，也就見不到冷卻的蒸汽膜階段。我們把這個(gè)特定溫度叫做該介質(zhì)在當(dāng)時(shí)的使用條件下的特性溫度。和在統(tǒng)一約定的條件下，評(píng)價(jià)不同介質(zhì)品種的冷卻特性的標(biāo)準(zhǔn)相比，上述特定溫度應(yīng)當(dāng)是廣義的特性溫度；而標(biāo)準(zhǔn)中的則是狹義的特性溫度。狹義的特性溫度的測(cè)定條件大多是：在介質(zhì)不攪動(dòng)的條件下，水性樣品用30℃的液溫，快速油用50℃的油溫，熱油用100℃的油溫。同時(shí)要說(shuō)明的是，采用熱電偶熱端位于探頭中心的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)側(cè)出的特性溫度值，總是低于工件表面實(shí)際的特性溫度值。此外，我們從道理上討論特性溫度問(wèn)題時(shí)，用的是工件表面的實(shí)際的特性溫度，也就是廣義的特性溫度。實(shí)際工件淬火時(shí)，表面的不同部位在不同的時(shí)間接觸的介質(zhì)的特性溫度是不相同的，并且是在變化的。工件表面溫度低于介質(zhì)的上述特性溫度，就進(jìn)入沸騰冷卻階段。在沸騰冷卻階段，工件的散熱途徑更為多樣，既包含介質(zhì)與工件表面直接接觸的熱轉(zhuǎn)遞散熱、介質(zhì)變成蒸汽的吸熱，也包括所有情況下的表面熱輻射散熱和對(duì)流傳熱散熱。當(dāng)表面溫度降低到稍高于介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度時(shí)，沸騰冷卻階段就結(jié)束了。繼續(xù)冷卻就主要靠介質(zhì)接觸工件的熱轉(zhuǎn)遞和介質(zhì)的對(duì)流散熱來(lái)完成，直至工件表面溫度與介質(zhì)溫度相同為止。綜上所述，在液體介質(zhì)中做淬火冷卻，當(dāng)介質(zhì)的平均溫度低于介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度時(shí)，可能出現(xiàn)的冷卻階段為：①如果淬入工件的表面溫度高于所用介質(zhì)的特性溫度，冷卻過(guò)程將出現(xiàn)蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段。② 當(dāng)淬入工件的表面溫度處于介質(zhì)的特性溫度和介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度之間時(shí)，出現(xiàn)沸騰階段和對(duì)流階段。③當(dāng)淬入工件的表面溫度等于低于介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度時(shí)，就只有對(duì)流冷卻階段了。圖3概括了上述3種情況的冷卻速度曲線的形狀特點(diǎn)。3 發(fā)生超差畸變的3要素在熱處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，說(shuō)工件發(fā)生了變形指的是工件的畸變量超過(guò)了技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的程度，也就是發(fā)生了超差畸變。產(chǎn)生熱處理超差畸變的3要素為：足夠大的應(yīng)力，足夠好的塑性以及足夠長(zhǎng)的作用時(shí)間。任何熱處理超差變形都需要這三個(gè)要素，只是3者的大小關(guān)系是可以互補(bǔ)的。如果應(yīng)力很大，材料的塑性好，作用時(shí)間雖短，也會(huì)引起大的畸變。比如紅熱工件在轉(zhuǎn)移中受到?jīng)_撞引起的畸變。塑性好，作用時(shí)間很長(zhǎng)，即便應(yīng)力不大，也可能引起大的畸變。比如淬火加熱時(shí)，工件堆放不當(dāng)，疊壓或者自重引起的應(yīng)力雖然不大，但因加熱時(shí)間長(zhǎng)，也容易造成超差畸變。又如，在淬火冷卻初期，因工件的塑性好，介質(zhì)攪動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈，液流沖擊到細(xì)長(zhǎng)工件，也會(huì)引起超差的彎曲變形。這些都是外力引起的變形。一般說(shuō)，因外力引起的畸變問(wèn)題，其解決辦法相對(duì)比較簡(jiǎn)單。高溫時(shí)，過(guò)冷奧氏體的塑性較好，而冷到能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體的塑性就相當(dāng)差了。同時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變經(jīng)歷的時(shí)間也相當(dāng)?shù)亩獭ｋm然如此，馬氏體轉(zhuǎn)變前后的比容差引起的應(yīng)力非常之大，仍有可能造成超差的畸變。這是內(nèi)應(yīng)力引起的畸變。 因內(nèi)應(yīng)力引起的畸變，情況要復(fù)雜得多。內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源比較多，但通?？梢詺w為熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力兩類。冷卻過(guò)程中，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力又常常和熱應(yīng)力共同存在，相互疊加或?qū)ο?nèi)應(yīng)力都是在變化著大小和分布中起作用。加上工件的形狀因素，它們的作用情況就更加復(fù)雜。其中，值得注意的有3點(diǎn)：①在液體介質(zhì)中淬火冷卻時(shí)，形狀較復(fù)雜的工件不同部位表面溫度差別會(huì)很大。冷得快的部分一旦冷到所用液體介質(zhì)的特性溫度以下，表面附近就立即從蒸汽膜階段進(jìn)入沸騰冷卻階段。這部分表面獲得的冷卻速度會(huì)突然大增，與附近仍然處于蒸汽膜階段部分的溫度差異就會(huì)急劇增大。溫差大，熱應(yīng)力也就大。如果該介質(zhì)的特性溫度偏低，冷得慢的部分將長(zhǎng)期處于蒸汽膜階段，使上述熱應(yīng)力長(zhǎng)期起作用。在介質(zhì)特性溫度附近，過(guò)冷奧氏體的塑性一般較好。應(yīng)力大，材料塑性好，加上作用時(shí)間長(zhǎng)，就容易引起超差畸變。②冷卻速度過(guò)快時(shí)，工件不同部位的溫差較大，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)的體積膨脹，可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使還未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)冷奧氏體產(chǎn)生一定量的塑性變形。③淬火冷卻的速度不足時(shí)，在相當(dāng)于端淬曲線上馬氏體組織的百分比急劇變化的區(qū)域，不大的冷卻速度差異，常常也引起較大的內(nèi)應(yīng)力，最終引起大的畸變，且淬火硬度不足。 材料的塑性與材料的溫度密切相關(guān)。高溫下，材料的塑性好，容易發(fā)生變形。此外，在材料發(fā)生相變過(guò)程中，因出現(xiàn)相變超塑性，使塑性變形更容易。因?yàn)檠b放不當(dāng)，在淬火加熱過(guò)程中由外力引起的熱處理畸變，就有一部分是珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體過(guò)程中增加的超塑性引起的。工件加熱中由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)有超塑性。過(guò)冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)有超塑性。就連馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變時(shí)也有超塑性。大薄片工件的淬火冷卻畸變，用加壓回火來(lái)加以校正，靠的主要是回火轉(zhuǎn)變時(shí)的相變超塑性。這種辦法只在第一次回火時(shí)有效，原因就在這里。在熱處理中，為了減小畸變量，