（材料学专业论文）新型无机淬火介质g35物理化学性质及适应性研究.pdf

形! f “学f t 论文 摘要 本文针对郑州某公司研制、生产的g 3 5 型淬火介质进行了物理化学性能的测 试；对g 3 5 水溶性淬火介质的工艺性能进行了试验研究：试样钢g c r l 5 分别在 8 2 0 、8 4 0 、8 6 0 下淬火，淬火介质为水、油、g 3 5 型无机水溶性淬火剂，介 质温度使用温度为2 5 、4 0 、5 5 ，淬火后绘制出淬硬层分布曲线，比较在不 同介质中试样的淬硬层深度，分析淬火后各种情况下试样的变形丌裂倾向性。对 试样进行力学性能测试( 冲击韧性) 。用电子显微镜、扫描电镜对不同热处理后的 钢进行断口形貌、微观组织结构获得针对试样钢g c r l 5 使用g 3 5 淬火液的淬火工 艺。得到如下几点基本结论： ( 1 ) g 3 5 型水溶性淬火介质随着介质使用温度从3 0 6 0 的增加，其最大冷却 速度从1 6 2 7 s 1 0 7 4 s 逐渐减小。 ( 2 ) 根据毒性试验，试样淬后不产生h c n 、h 2 s 、s 0 2 等有害气体。 ( 3 ) 通过淬透性试验分析，g 3 5 型水溶性淬火介质在不同淬火温度( 8 2 0 、 8 4 0 、8 6 0 ) ，介质使用温度分别为2 5 、4 0 、5 5 。由于在淬火温度8 4 0 ， 介质温度为4 0 硬度分布特征不存在h r c 陡降的现象，并且硬度h r c 为5 9 6 5 ， 较其它处理状态下淬硬层深。 ( 4 ) 通过变形开裂倾向试验分析，试样分别加热到8 2 0 、8 4 0 、8 6 0 。c ，保温 3 0m i n 后，再分别淬入g 3 5 型水溶液、水和3 2 # 机油罩，介质温度为2 5 ，在淬火温 度为8 4 0 ，介质温度为2 5 时使用g 3 5 介质效果最好，既保证了淬后硬度h r c 最 好( 6 0 6 5 ) ，又没有丌裂情况，也是最小为0 0 1 m m 。 ( 5 ) 针对于g c r l5 试样钢，通过淬透性试验、变形丌裂倾向试验分析，综合考 虑使用g 3 5 淬火介质的最佳淬火工艺是在淬火温度为8 4 0 时保温3 0 分钟，淬入 4 0 的g 3 5 淬火介质中，此时淬后硬度h r c 为6 0 6 4 ，试样未发生丌裂，变形量 为o 0 0 5 m m 。 ( 6 ) 经三种淬火介质淬火后的金相显微组织为回火马氏体、粒状碳化物以及残 余奥氏体。8 4 0 淬火为隐针马氏体。淬火后的显微组织由黑、白相问的两种马氏 体区域所组成，白区呈现网状围绕黑区，在g 3 5 中淬火比在水和油中淬火后的组 织黑白区域分布的更均匀一些。经三种淬火介质淬火后的断口形貌看出断裂属于 准解理断裂，并伴有少量的韧窝，g 3 5 淬火的试样韧性介于水和油之间，综合比 较淬火温度为8 4 0 时的效果最好。 关键词：g 3 5 淬火介质；热处理；变形开裂；冷却速度；显微组织；力学性能；断 口形貌 新掣无机淬火介质g 3 5 物理化学一阽能及适应性研究 曼曼曼曼曼蔓曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼詈i 一一i i i i ii i 曼曼寰曼蔓曼毫蔓曼曼! ! 曼! ! ! 曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼窒曼! 笪蔓皇! ! 曼曼! 曼曼曼曼 a b s t r a c t a i m i n ga tr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no fac o m p a n yz h e n g z h o ug 35t y p eo ft h e q u e n c h a n t st e s to fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，f o rg 3 5w a t e r - s o l u b l eq u e n c h i n g p r o c e s sp e r f o r m a n c eo fm e d i aw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l yi n d i f f e r e n ts a m p l e s ：s t e e l q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，q u e n c h i n gm e d i u mf o rw a t e r ，o i l ，g 3 5t y p ei n o r g a n i c w a t e r - s o l u b l eq u e n c h i n ga g e n t ( d if f e r e n tm e d i u mt e m p e r a t u r e ) ，a f t e rq u e n c h i n g m a p p e dt h eh a r d e n i n gl a y e rd i s t r i b u t i o nc u r v e ，c o m p a r ei nd i f f e r e n tm e d i u ms a m p l e s o fh a r d e n i n gl a y e rd e p t h ，a f t e ra n a l y z i n ga l lk i n d so fc i r c u m s t a n c e sq u e n c h i n g c r a c k i n gd e f o r m a t i o no ft h es a m p l e a n dt h e yw e r ec a r r i e do u to nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s t ( i m p a c tt o u g h n e s s ) w i t he l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，s e mo fd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n to fs t e e lf r a c t u r em o r p h o l o g y , m i c r o s t r u c t u r eg 3 5u s e df o rs a m p l em a t e r i a l g a i ne x c e l l e n tq u e n c h i n gq u e n c h i n gp r o c e s s g e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) g 3 5t y p ew a t e rq u e n c h i n gm e d i u mw i t hm e d i u mt e m p e r a t u r ef r o m3 0 t o 6 0 ci n c r e a s i n g ，t h el a r g e s tc o o l i n gs p e e df r o m16 2 7 。c st o1 0 7 4 。c sd e c r e a s e d g r a d u a l l y ( 2 ) a c c o r d i n gt ot o x i c i t yt e s t ，a f t e rq u e n c h i n gt h es a m p l ed on o tp r o d u c eh a r m f u l g a s e s ( 3 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fi t sq u e n c h h a r d e n i n ga b i l i t yt e s t ，g 35t y p ei nd i f f e r e n t m e d i u mw a t e rq u e n c h i n gt e m p e r a t u r eq u e n c h i n g ( f r o m 8 2 0 。ct o 8 6 0 。c ) ，m e d i u m t e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l yf o r2 5 、4 0 。c 、5 50 c h a r d n e s sd i s t r i b u t i o nh r cd o e sn o t e x i s tp l u n g e df o rt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e8 4 0 * c ，t h et e m p e r a t u r eo ft h em e d i u mf o r 4 0 。ca n d h a r d n e s st o5 9 - 6 5h r c ；o t h e rp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f h a r d e n i n gl a y e rd e p t h ( 4 ) t h r o u g ht h et e n d e n c yo fd e f o r m a t i o na n dc r a c k i n ge x p e r i m e n t s ，s a m p l e sw e r e h e a t e df r o m8 2 0 。ct o8 6 00 c a f t e rh e a t i n gp r e s e r v a t i o n30m i n ，r e s p e c t i v e l yt ow a t e r ， 3 2 # o i la n dt h eg 3 5t y p ew a t e rq u e n c h i n g ，m e d i u mt e m p e r a t u r ef o r2 5 ，q u e n c h i n g t e m p e r a t u r ef o r8 4 0d e g r e e s ，m e d i u mt e m p e r a t u r ef o r2 5 ，u s i n gg 3 5m e d i u m ， g u a r a n t e e st h eq u e n c h i n gh a r d n e s sh r c i sb e s t ( 6 0 6 5 ) a n dn oc r a c k s ，d e f o r m a t i o ni s t h es m a l l e s to n l yo 01m m ( 5 ) b a s e do ng c r l5s p e c i m e n s ，g 3 5s t e e lu s eq u e n c h i n gm e d i u mq u e n c h i n g p r o c e s si nq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ef o r8 4 0d e g r e e s30m i n u t e s ，q u e n c h i n gh e a ti n t ot h e 4 0 0 ci sb e s t a f t e rq u e n c h i n gh r ch a r d n e s sf o r6 0 6 4 ，s a m p l en o tc r a z e ，d e f o r m a t i o n o f 0 0 0 5m m 顺f j 学位论文 ( 6 ) t h et h r e ek i n d so fq u e n c h i n gm e d i u mh a r d e nm e t a l l u r g i c a lm i c r o s t r u c t u r e t e m p e r e dm a r t e n s i t e ，g r a n u l a rc a r b i d ea n da u s t e n i t e 8 4 0d e g r e e sq u e n c h i n g f o rh i d d e n n e e d l em a r t e n s i t e t h em i c r o s t r u c t u r eo fh a r d e n e dw i t hb l a c ka n dw h i t ea l t e r n a t eo f t w ok i n d so fm a r t e n s i t ea r e a ，p r e s e n ta r o u n db l a c kp r e c a n c e r o u sa r e o l a rt i s s u e ，g 3 5 h a r d e n e da n dr e g i o n a ld i s t r i b u t i o no fs o m em o r ee v e n l y t h et h r e ek i n d so fq u e n c h i n g m e d i u mh a r d e ns u r f a c em o r p h o l o g ys e e i n gf a u l t s ，a n dc l e a v a g em u s tb e l o n gt ot h e s m a l l ，w i t hg 3 5q u e n c h i n gs a m p l ep l a s t i cb e t w e e no i la n dw a t e r , t h ec o m p r e h e n s i v e c o m p a r i s o n ，b e t w e e nq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ef o rt h eb e s te f f e c to n8 4 0 。c k e yw o r d s ：g 3 5q u e n c h i n gm e d i u m ；h e a tt r e a t m e n t ；d e f o r m a t i o na n dc r a c k ；c o o l i n g s p e e d ；m i c r o s t r u c t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；t h ef r a c t u r em o r p h o l o g y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：签沈宇日期：，纠。年歹月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：拳睨字 导师签名：朔 日期：叫。年彳月，7 日 日期：咖f 。年月ff 日 硕十学何论文 1 1 选题背景和意义 第1 章文献综述 钢在淬火后的性能取决于钢在淬火后的微观组织，而淬火微观组织 决定于钢的成分、零件的大小和淬火冷却速度。改善钢件淬透效果有两 个有效途径【l0 】，是提高原料的合金元素含量使c 曲线右移；二是提高 淬火冷却速度。后者简单易行成本较低，是改善钢件淬火质量的有效途 径。同时，淬火热应力和组织应力大小取决于冷却速度和冷却的均匀性( 即 表面湿润均匀性) 。避免工件淬火过程变形开裂是热处理工艺制定中必须 考虑的问题 4 - 5 】，因此，控制冷却速度和冷却的均匀性对于淬火工艺优化 有重要意义。淬火介质应具有合适的冷却特性。碳钢和低合金钢淬火冷 却到6 5 0 之前，奥氏体还比较稳定，允许以较慢的速度冷却，以减少工 件因内外温差而引起的热应力【6 。8 】。在6 5 0 4 5 0 范围，要求有足够快的 冷却速度( 超过临界冷却速度) ，低于4 0 0 特别是在m s 点以下应缓慢冷 却，以减少组织应力，防止过大的畸变和淬裂。不同钢种的奥氏体最不 稳定区的温度区间不同。因此理想的冷却曲线因不同钢种的奥氏体动力 学曲线而异。想要得到能适合各种钢材及不同尺寸工件的淬火介质实际 上是不可能的，必须了解各种淬火介质的，冷却特性，以便根据不同钢种 的具体零件选用合适的淬火介质和合理的淬火方法。 由过冷奥氏体连续冷却转变曲线可知，淬火介质的冷却能力必须保 证工件以大于临界冷却速一度( v 。) 的冷速冷却才能实现淬火，冷却速度 越快越能获得较大的淬硬深度【9 】。但过高的冷却速度又将增加工件截面 温差，使热应力与组织应力增大，容易引起变形升裂。因此，从后者考 虑则希望在冷却能力缓和的介质中淬火。一种理想的淬火介质的冷却特 性曲线如图1 1 中所示。如果该介质在过冷奥氏体分解最快的温度范围内 ( 相当于c c t 曲线鼻尖处) 具有较强的冷却能力，而在接近马氏体点时 具有缓和的冷却能力，这样既可保持较高的淬火冷却速度，又不致形成 太大的淬火应力。由于各种钢的过冷奥氏体的稳定性不同以及实际工件 尺寸形状的差异，要同时能适合各种钢材不同尺寸工件的淬火介质是不 现实的【l o o3 1 。目前对淬火介质广泛深入的研究，己出现了种类繁多的淬 火介质以适应于不同材料、不同热处理工艺要求的需要，并使某些淬火 介质商品化。 新型无机淬火介质g 3 5 物理化学性质及适应，r # 研究 钢的淬透性是钢在淬火时获得马氏体的能力，其实质便是钢在高温 奥氏体化后冷却过程中避免高温及中温转变的能力【。6 1 。当避免了高、 中温转变，奥氏体便可以在马氏体转变温度以下转变为马氏体。测定淬 透性的试验方法有断口检验法、u 曲线法、临界直径法和顶端淬火法等【1 7 】， 它们主要是通过测定在标准试样上的淬透直径和深度，或者是标准试样 在顶端淬火后通过半马氏体硬度区与淬火顶 u 越 艰 时闩，l g t 图1 1 理想瘁火介质的冷却特性曲线3 3 f i 9 1 1t h ec u r v eo ft h ei d e a im e d i u mq u e n c h i n gc o o l i n gc h a r a c t e r i s t i c 端问的距离的大小来评价钢的淬透性。这几种方法中常用的是顶端淬火 法和临界直径法。顶端淬火试验法( 简称端淬试验) 是目日，j 世界上应用最广 泛的淬透性试验方法。其适用范围广泛，可用于测定优质碳素钢、合盒 结构钢、弹簧钢、合金工具钢等钢种的淬透性。钢的淬透性以j h r c d 来 表示，d 表示至水冷端距离，h r c 为该处测得的硬度值。临界直径法则是 用在一定淬火介质中冷却时，心部恰好能够淬透( 达到半马氏体区硬度) 的试棒直径作为评价钢的淬透性指标二此直径称为临界直径，用d o 表示。 显然钢材及淬火介质不同，d o 也不同。但对于一定成分的钢材，在规定 的淬火介质中冷却时d o 则是一定的。为了进一步排除冷却条件的影响， 格罗斯曼根据传热学方程的解，建立了理想临界直径d i 的概念。他假设 淬火介质的冷却强度值h 为无穷大，试样淬火时其表面温度立即冷却到 淬火介质的温度，此时所能淬透( 形成5 0 马氏体) 的最大直径称为理想临 界直径。钢的淬透性不仅是机械制造中合理选用钢种和正确制定热处理 工艺的重要依据，而且也是冶金工业中发展新钢种需要考虑的问题。随 着新的研究方法的发展，淬透性的研究越来越引起材料工作者的注意。 人们对淬透性的研究主要集中在以下几方面：( 1 ) 淬透性的试验方法；( 2 ) 影响淬透性的因素；( 3 ) 淬透性的预测：( 4 ) 淬透性的应用。 2 硕 j 。子：忙论文 i i i 二 一i i 一一 i 曼! 舅! 皂曼曼曼! 曼皇! 曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼 多年来，我国在淬火介质的研究和应用方面，做了大量的工作【1 8 20 1 ， 取得了一定的成绩，基本上满足了热处理生产的需要，但与国外的先进 水平相比差距很大。同时，由于在热处理行业中长期存在着“重热轻冷” ( 即重视工件的加热技术，而轻视淬火冷却技术) 的倾向【21 1 ，且淬火冷却 的生产实践又滞后于冷却转变的理论研究，致使淬火冷却技术落后于热 处理其它技术领域的发展，是热处理行业中的一个薄弱环节。为了缩短 我国淬火介质与国外的差距，并能与热处理的其它技术领域同步发展， 满足热处理技术进步和对热处理工件质量的更高要求，我们必须重视并 大力加强淬火介质的研究和推广应用工作。 传统热处理通常采用的淬火介质为水和油，由于油的冷却速度较慢， 经常出现淬火硬度不足或淬硬层深度达不到预定要求等现象：水的冷却 速度较快，又常常容易造成淬火畸变扭曲 2 2 - 2 3 】。甚至造成开裂使工件报 废，同时，由于淬火过程中汽化而产生的气泡致使工件表面冷却不均而 出现软点。因此推广应用新型的淬火介质就显得尤为重要。 1 2 淬火介质的发展及应用 在人类历史上，很早就有淬火介质的记载。远在公元前9 至8 世纪希 腊诗人荷马( h o m e r ) 写的著名诗篇奥得塞( o d y s s e y ) 中就有关于用水 作为淬火介质进行斧头淬火的描述。我国远在战国时代( 公元前4 至3 世 纪) 就已经掌握了淬火技术。公元6 世纪就有关于用动物油作为淬火介质 进行兵器淬火的记载24 1 。我国淬火工艺最早的史料记载见于汉书王褒 传中的“清水蟀其峰。钢淬火工艺最早的应用见于河北易县燕下都 遗址出土的战国时代的钢制兵器。 1 2 1 水 水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它价廉易得、无毒， 不燃烧、物理化学稳定、冷却能力很强，但其膜沸腾阶段长，静止水的 最大表面换热系数出现在4 0 0 以下在马氏体转变区域的冷却速度较大 【25 1 。纯水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之 用。 1 2 2 油 用于淬火的矿物油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油 f 26 1 ，它具有闪点高、粘度低、油烟少、油垢少，抗氧化性与热稳定性较好， 使用寿命长等优点，适合于作淬火油使用。淬火油只适用于淬透性好、 新掣无机淬火介质g 3 5 物卿化学性质及适应性硼l 冗 工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。随着热处理技术的 发展，各种淬火油( 如普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火 油、等温、分级淬火油等) 也得到迅速发展和广泛应用o j7 j ，国外一些先 进国家和我国都已形成了完整的淬火油系列产品供用户选用。例如，北京 华立精细化工公司生产的今禹y15 快速光亮淬火油、y15 d 厚大件快速淬 火油、y 35 等温快速淬火油、y g 光亮淬火油等，其冷却特性、热稳定性和 有效寿命等方面已达到进口淬火油的水平，而价格只有进口淬火油的一 半；还生产y15 t 、y15 d t 、y 35 t 、y g t 等淬火油添加剂，将其按l0 的比例加入到适当的油中，能使油的冷却能力大幅度提高，可获得相应 牌号的淬火油。 1 2 3 熔盐、熔碱 这类淬火介质的特点是在冷却过程中不发生物态变化，工件淬火主 要靠对流冷却，通常在高温区域冷却速度快，在低温区域冷却速度慢， 淬火性能优良，淬透力强，淬火变形小，基本无裂纹产生，但是对环境 污染大，劳动条件差，耗能多，。成本高，常用于形状复杂、截面尺寸变 化悬殊的工件和工模具的淬火 28 - 2 9 。熔盐有氯化盐、硝酸赫、亚硝酸盐 等，工件在盐浴中淬火可以获得较高的硬度，而变形极小，不易开裂， 通常用作等温淬火或分级淬火。其缺点是熔盐易老化，对工件有氧化及 腐蚀作用。熔碱有氢氧化钠、氢氧化钾等，它具有较大的冷却能力，工 件加热时若未氧化，淬火后可获得银灰色的洁净表面，也有一定的应用。 但熔碱蒸气具有腐蚀性，对皮肤有刺激作用【30 1 ，使用时应注意通风和采 取防护措施。 1 2 4 有机聚合物淬火剂 近年来，新型淬火介质最引人注目的进+ 展是有机聚合物淬火剂的研 究和应用。这类淬火介质是将有机聚合物溶解于水中【3 卜”j ，并根据需要 调整溶液的浓度和温度，配制成冷却性能满足要求的水溶液，它在高温 阶段冷却速度接近于水，在低温阶段冷却速度接近于油。其优点是无毒、 无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠，且冷却性能好， 冷却速度可调，适用范围广，工件淬硬均匀，可明显减少变形和开裂倾 向，因此，能提高工件的质量，改善工作环境和劳动条件，给工厂带来 节能、环保、技术和经济效益。目前有机聚合物淬火剂在大批量、单一 品种的热处理上用得较多，尤其对于水淬开裂，变形大，油淬不硬的工 件，采用有机聚合物淬火剂更是成功的选择。采用有机聚合物淬火剂比 用淬火油更经济、高效、节能。从提高工件质量、改善劳动条件、避免 4 硕十学何论文 曼笪曼曼皇曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼! 曼曼舅曼皇曼皇曼曼曼! 量皇鼍曼皇曼曼舅皇皇蔓篡- 曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼! 皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 蔓曼皇曼曼皇 火灾和节能的角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势( 原 用于淬火油的循环冷却系统在改用有机聚合物淬火剂时，可不必修改更 换) ，是淬火介质的主要发展方向。有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度、 使用温度和搅拌程度3 个基本参数的影响。一般说来，浓度越高，冷却速 度越慢；使用温度越高，冷却速度越慢；搅拌程度越激烈，冷却速度越 快。不同种类的有机聚合物淬火剂具有显著不同的冷却特性和稳定性， 能适合不同淬火工艺的需要。目前世界上使用最稳定、应用面最广的有 机聚合物淬火剂是聚烷撑二醇( p a g ) 类淬火剂 3 4 - 38 】。这类淬火剂具有逆 溶性，可以配成比盐水慢而比较接近矿物油的不同淬火烈度的淬火液， 其浓度易测易控，可减少工件的变形和开裂，避免淬火软点的产生，使 用寿命长，适合于各类感应加热淬火和整体淬火。此外，聚丙烯酸盐( a c r ) 类淬火剂和聚氧化吡咯烷酮( p v p ) 类淬火剂，属无逆溶性品种，其3 0 0 冷却速度较慢，也有人使用。曾经得到大力宣传推广的聚乙基恶唑啉( p e o ) 类淬火剂，也有逆溶性；其3 0 0 冷却速度可以降到与油相当的程度，但 因生产应用中存在一些问题，在国外实际应用得不多，在我国的情况也 大体如此。 有机聚合物淬火剂在国外已有4 0 多年的发展历史，美国、同本和原 苏联等国家都进行了大量深入的研究，并得到了广泛的应用【3 引。近年来 在我国也丌展了试验研究工作，已有多种有机聚合物淬火剂研制成功， 如北京机电研究所研制的聚醚乙二：醇、江西工学院研制的羟乙基纤维素、 沈阳工业大学研制的x l 水溶性淬火介质等，并有多家工厂提供系列产品 用于生产，例如，由北京华立精细化工公司开发生产的今禹8 2 2 0 和8 25 0 水 溶性淬火剂，系选用国外优质原材料和添加剂精制而成，属p a g 类淬火剂， 具有冷却特性可调，浓度易测易控，热稳定性好，抗污染性强，使用寿 命长，对淬火槽和工件有很好的防腐防锈性，淬火时无烟气、不燃烧， 生产坏境清洁，带出量少，淬火后工件可不清洗而直接回火等一系列优 点，是一种优良的水溶性淬火介质品牌，适用于碳素钢、合金钢的淬火 冷却，到目前为止，已在全国2 0 多个省市自治区、2 0 0 多家工厂得到成功 应用。此外，由深圳好富顿公司尘产的a q 2 5l 、a q 36 4 属于p a g ( 聚烷撑 乙二醇) 类淬火莉，具有逆溶性，在水中的溶解度随着温度的升高而降低。 在淬火过程中，当红热的工件进入淬火液，工件周围的介质温度上升，p a g 聚合物从溶液中脱溶出来，依靠其润湿性以富水的包膜形式粘附在工件 表面上，从而调整工件的冷却速度。工件冷却下来后粘附在工件表面上 的聚合物又回到淬火液中，但回溶需要定的时间。为促进冷却进程， 在保证工件不淬裂的前提下使工件冷却均匀、防止局部介质温度过高和 新p 无机淬火介质g 3 5 物理化。件质及适应性形i 究 加快淬火液的流动速度以加速聚合物的溶解，在工件淬冷过程中应对 a q 36 4 进行搅拌。a q 3 6 1o 属p e o 类淬火剂，深：o f l 海联化工公司的水溶液 淬火剂281a 可同时拥有盐浴炉加热工件的淬火冷却。上海大学研制的皂 基水基淬火液是一种高分子聚酯酸皂的水溶液淬火介质。可配多种浓度 取代油处理合金工具钢、合金结构钢、小型渗碳件。典型的美国d o w 化 学公司产品有u c o na 、u c o nh t 、u c o ne 。其中u c o ne 配制的水基 淬火剂性能更接近油【40 1 ，可作为代油的淬火介质，备受热处理行业关注。 国内早在19 9 5 年有精锻渗碳齿轮用u c o ne 代油淬火的报道，近期在结构 钢、工模具钢大件用u c o ne 淬火获得成功，取得较好的成果。 1 2 5 流态床 冷却流态床淬火槽的冷却能力一般介于空气和油之间，而比较接近 油【41 1 。其优点为冷却能力在一定范围内稳定可调，冷却均匀，工件变形 和开裂倾向小，表面光洁，淬火后不需清洗，流态床不老化、污染少、 使用安全、可实现程序控制。采用流态床冷却可取代盐浴淬火，为双液 淬火、贝氏体等温淬火、马氏体分级淬火提供了可供选甩的方法，适合 于用高淬透性合金钢制作的形状复杂和截面不大的工件的淬火。近年来， 人们对流态床的冷却特性和机理进行了大量的试验研究工作，并已在钢 铁和铝合会热处理的淬火冷却中得到应用，其发展前景令人瞩目。 1 2 6 无机物水溶液淬火剂 向水中加入适量的某些无机盐、碱或其混合物，形成各种不同的无 机物水溶液，可提高。工件在高温区的冷却速度，改善冷却均匀性，使工 件淬火后获得较高的硬度，减少淬火开裂和变形，且无毒、无污染，工件 易清洗，使用管理方便。常用的无机物水溶液淬火剂有： ( 1 ) 氯化钠水溶液：常用的浓度为l0 1 - 5 ，赫水温度为2 0 一4 0 ，其冷 却均匀性好，淬透能力强，淬火硬度高，能减少淬火裂纹、变形和软点 的产生，无污染，成本低，广泛用于碳素工具钢及部分结构钢工件的淬 火。但盐水对工件有锈蚀作用，所以淬火后要进行清洗。 ( 2 ) 氢氧化钠水溶液：常用的浓度有lo 和5 0 两类。当浓度为1o 时，在 高温区的冷却速度比纯水和盐水都高，而在低温区的冷却速度比纯水和 盐水稍低，因而工件淬火后硬度高又均匀，不易产生裂纹和变形，且工件 表面光亮美观，适用于淬透性较低的钢的淬火：当浓度为5o 时，在高温 区和低温区的冷却速度都显著降低，适用于易产生变形和裂纹的钢的淬 火。但氢氧化钠水溶液腐蚀性较强，使用时要注意防护。 ( 3 ) 氯化钙水溶液：可代替水油双介质淬火【42 1 ，适用于碳钢和低合金结 6 7 顶f ：。子：f 市论文 曼i 一一 i ii i l i i _ 一 i i il i ii i i 曼曼曼曼曼曼舅曼曼 构钢的淬火。 ( 4 ) 氯化镁水溶液：高浓度时，沸点和粘度较高，低温阶段( 1 0 0 30 0 ) 的 冷却速度明显降低，而在高温区( 6 0 0 ) 保持较高的冷却速度，能使工件 淬火后获得较高的硬度，并可减少变形和开裂。 ( 5 ) 过饱和硝盐水溶液：主要是三硝水溶液，其冷却能力较为理想，而且 能减少变形和丌裂，可代替水油双介质淬火，适用于碳钢和低淬透性合 金钢的淬火。 ( 6 ) 碳酸钠水溶液：常用浓度为3 15 ，其冷却能力在同样浓度下比氯 化钠水溶液略低一些。 ( 7 ) 水玻璃水溶液：将水玻璃用水稀释，并添加一些盐、碱，可提高其冷 却速度，用来代替水油双介质淬火，也可代替淬火油。目前我国已研制 成功了一些新品种的无机物水溶液淬火剂，并在热处理生产中获得了一 定程度的应用，例如，氯化锌、氯化钙水溶液淬火剂，具有良好的淬硬 淬透冷却能力，工件淬火开裂小、变形小，且无毒无害，可用于4 5 钢、 t 10 、4 0 c r 、g c r l5 等钢材的淬火，是值得推广的新型无机物水溶液淬火 剂。 1 3 淬火介质的冷却机理 钢淬火的理想冷却曲线见图1 2 ，依据过冷奥氏体等温转变曲线和连 续冷却转变曲线得知【43 1 ，中温区域是过冷奥氏体最不稳定区，工件的冷 却必须大于一定的冷却速度( 临界速度) ，爿能防止珠光体和贝氏体转变， 获得马氏体组织；在低于马氏体丌始转变点m s ( 一般为2 0 0 ) 以下时， 工件应当缓慢冷却，以防止由于组织应力和热应力造成严重畸变与丌裂。 工件在冷却过程中，能否获得上述理想冷却速度与介质的某些物理性质 有关。 淬火冷却过程通常分3 个阶段【4 4 】：蒸气膜阶段、沸腾阶段和对流冷却 阶段，见图1 3 。试样进入淬火介质后，高温的试样表面上立即形成一层 蒸气膜紧紧包围住工件，这层蒸气膜使工件与淬火介质不能直接接触，此 时冷却速度较慢。蒸气膜破裂以后，淬火介质就直接与工件表面接触，在 接触处，淬火介质剧烈沸腾，不断逸出气泡带走大量热量，使工件温度急 剧下降，冷却速度剧增。对流冷却阶段的开始温度，对应淬火介质的沸点 工件表面层温度降低到淬火介质沸点以下时，进入对流冷却阶段。这个 阶段的冷却速度比蒸气膜冷却阶段还要缓慢。 新巧! 无机淬火介质g 3 5 物砰化。、。阽质) 殳适市性研究 p 魁 赠 时间，8 a 一水的冷却曲线；b 一理想的冷却曲线；c 一油的冷却曲线 图1 2 理想冷却曲线示意图 f i g 1 2i d e a lc o o l i n gc u r v e 工件在有物态变化的淬火介质中的冷却阶段的转变对应着冷却能力 发生急剧变化的阶段。各个阶段出现的迟早，影响淬火介质的冷却性能。 影响和决定淬火介质冷却能力的因素都是通过改变3 个不回冷却阶段的 时f b j 起作用的，热传导的快慢决定了介质的冷却能力。影响介质冷却能 力的物理、化学和机械因素有汽化蒸气压、比热容、导热系数、表面张 力、黏度、添加剂和搅拌 4 5 - 4 6 】。 p 、 髓 赠 o 时间，8 图1 3 冷却过程中的3 个阶段示意图 f i g 1 3t h r e es t a g e so fc o o l i n gp r o v e s s 硕卜1 了：1 市论文 1 4 影响淬火介质冷却能力的因素 淬火介质的冷却能力，是指淬火时介质吸取工件热量的能力，若吸 取热量越快，则冷却能力越大；反之，则冷却能力越小。影响淬火介质 冷却能力的因素很多，但总的来看主要可分为介质本身物理性质的影响 和使用介质时外界条件的影响两个方面 47 - 4 8 】。 1 4 1 介质本身物理性质对冷却能力的影响 1 4 1 1 比热容 通常，当介质的比热容愈大，单位质量的介质所吸收的热量也越多， 介质的冷却能力也就越强。水的比热容比任何其它固态或液态物质的比 热容要大的多，因此水的冷却能力是比较强的。比热容在不同温度下也 略有变化，通常以平均值表示。 1 4 1 2 热导率 热导率的大小反映了淬火介质传导热量的能力，当某一种介质的导热 系数越大时，其冷却能力也就越。强。 1 4 1 3 粘度 当淬火介质的粘度愈大，其流动性也就愈差，也就不利于液体的对 流传热，其冷却能力就愈弱；反之，介质粘度愈小，流动性愈好，冷却 能力愈强。 1 4 1 4 汽化热 淬火介质的汽化热值越大，热负荷越大，在淬火冷却过程介质的特 性温度则越高，其冷却能力也就越强。 1 4 1 51 蒸汽压 当蒸汽压愈高时，液体愈容易汽化，相反则不易汽化。故淬火液蒸 汽压愈低，换热系数愈大，其带走工件的热量也愈多，则冷却能力愈强。 1 4 2 外界条件对介质冷却能力的影响 1 4 2 1 温度 不同温度下的淬火介质，其冷却能力也不同，温度对其影响比较明 显。但温度影响的规律因介质而异，如水及一些水溶液介质，通常是随 温度的升高冷却能力下降，蒸气膜阶段也随着加长。而淬火油油温的变 化对冷却能力的影响则较小，对粘度较大的淬火油，当温度由室温升至 9 新7 弘无机淬火介质g 3 5 物理化学。件质及适f 帝。陀研究 8 0 10 0 时，由于油的流动性得到改善，其冷却能力反而有所提高。但是 水对温度的敏感程度要比油的大。 l0 的无机盐( 或碱) 溶入水中，可以大大减小冷却特性对水温的 敏感程度。和单纯自来水相比，液温达到8 0 之前，其冷却特性对液温 的敏感程度还是比较小的。 1 4 2 2 搅拌与循环 对淬火介质进行不同程度额度搅拌，或以不同流速进行循环，都会 给冷却能力带来很大影响。当工件在淬火冷却过程中处于蒸气膜阶段， 搅拌可以破坏介质在工件表面所形成的蒸气膜，促使沸腾阶段提早到来， 加速冷却过程，：工件的热量可以迅速被带走，大大提高介质的冷却速度。 例如静止水的冷却强度为l ，进行强烈搅拌后，则提高为2 倍以上； 而油在强烈搅拌时的冷却强为静止冷却时的2 2 5 倍。搅动与循环都是加 强工件与淬火液体接触面之间的相对运动，液体以不同的速度进行循环， 都随着流速的加大，冷却速度相应增高。搅拌与循环不仅对介质的冷却 速度有很大提高，而且也明显提高工件表面冷却的均匀性和硬度值- 并 可以消除软点、减少变形和开裂的倾向。 1 s 淬火介质冷却能力测定 淬火介质冷却能力测定，大致有3 种方法：平均1 法、冷却硬化能力 混合法和冷却曲线法 4 9 - 5 0 】。 1 5 1 平均法 它实际上是测冷却介质在某一温度区间平均移去热量的能力，在 19 9 0 s 以前，这种方法应用普遍，优点是简单直观，缺点是不能反映在冷 却过程中传热的变化情况。现将各主要方法，简要评介如下。 1 5 1 1 磁性法 亦称电子秒表法或g m 法。测定镍球从呈顺磁性的某一温度，如 88 5 ，在介质中冷至镍球呈现铁磁性温度即居罩点( 35 5 ) 时的冷却时 问。88 5 一55 的温度范围，正是大多数钢件淬硬需要快冷的区域，从 而其数据有较大参考意义。该方法优点是利用电磁感应直接切换，精度 比较好。缺点是不能反映其它温度区1 8 j 的冷却能力( 要反映不同的温度区 间，就需要寻求不同含量的铁镍合会) 。 l o 硕十。孑：1 寺论文 曼! 曼皇曼曼曼皇曼曼! 曼曼舅曼鼍i l 一； u l 。ii。ee i 。 i 曼曼曼 1 5 1 2 好富顿测定方法 将热电偶直接焊在钢件试样上，然后加热到某一温度，淬入要测试 介质中，用秒表记录在不同温度之间的冷却时间。该方法的优点是可以 根据需要测定不同温度区间的平均冷速，而且试样的材质和尺寸可以根 据用户实际淬火情况进行选择确定，缺点是属于公司实验方法，虽对具 体用户有较大参考价值，但缺乏广泛的应用基础，所以数据可比性较差。 1 5 1 3 热丝法 用浸在一定体积被测介质中的电阻丝在熔断时所通过的最大电流值 ( 1 2 ) 来衡量淬火介质的冷却能力。显然1 2 值越大，介质冷却能力越大。该 方法所需设备简单，但影响因素较多，必须严格控制试验条件，不同介 质对电阻丝的腐蚀程度不同也对测试结果有影响。另外，该方法实际上 主要检测介质高温冷却能力即与膜态沸腾及其转变温度有关的冷却特性， 低温冷却特性难以得到有效反映。 1 5 1 4 五秒钟法( 量热计法) 把2 5 0 9 重的奥氏体不锈钢圆柱体，淬入2l 介质中并停留5s ，用介质 温升来表示冷却能力。淬火介质冷却能力= a b 幸lo o ( a 为5 s 后介质 的温度；b 为完全冷却后介质的温度) 该方法简便易行，但测量误差较大， 达10 15 左右。显然它反映的也主要是高温冷速。 1 5 2冷却硬化能力混合法 即用淬火介质的硬化能力来表征淬火介质的冷却能力。如前所述， 淬火介质的冷却能力和硬化能力是有区别的，但由于历史的原因和仍有 现实指导作用，所以该方法至今仍在使用。主要有h 值法和直接硬度测量 法。 1 5 2 1h 值法 用h 表示淬火介质的冷却强度，h = 。【2 九( 0 【为界面换热系数；九为钢的 热导率) 。h 值越大，介质的冷却能力越强。静止水的h 值为l l0 。h 值可 用实验方法求得。将一种钢材制成不同直径圆棒，奥氏体化后，淬入被 测介质，测出试样中心硬度，对照同种钢材的端淬试验曲线，找出此硬 度值所对应的端部距离，然后由圆棒直径、淬透性和淬火介质h 值之间的 关系图查出相对应的h 值。反之办然，即也可利用h 值预测淬火后的硬度 和组织。( 令未淬硬直径等于零，即可得到钢的临界直径) 。h 值是由格罗 斯曼( g r o ss m a n ) 在19 39 年提出的【5 1 55 1 ，他非常聪明和富于创造性的工 新弘无机淬火介质g 3 5 物理化学性质及适应性硼l 究 作在于他回避了实际难度非常大的换热系数和表面热流密度的测定和计 算，改而由通过测定实际的淬火效果来确定h 值。各种淬火介质的h 值范 围如表1 1 所示。 h 值的提出，看似很简单，但实际上是基于非常复杂的传热学计算。 h 值从提出时就引起了争议。首先，它不象传热学的其他准则如毕渥准则、 雷诺准则等有明确的物理意义；其次，h 值的假设不合理，甚至是完全 错误的。例如，它假设冷却速度和温度成直线关系，这和我们实际中测 定的3 段冷却曲线是完全不同的；再如，它假设热导率和换热系数不随温 度变化，但实际上却是成数量级地变化。它虽然假设不合理甚至是错误 的，但实际结果却是基本正确的，所以至今仍有比 表1 1 各种淬火介质的h 值 t a b l e l 1hv a l u e sf o rv a r i o u sq u e n c h a n t s 聚合物淬火剂 盐水清水快速油中速油常规