淬火工艺与介质系统参考:淬火理论与三阶段、Grossmann H 值、油/气/聚合物/水盐水/盐浴介质的选型与维护、深冷处理与淬火缺陷诊断。核心目标——在 800-500°C 区间快冷避开珠光体/贝氏体鼻部,在 Ms-Mf 区间缓冷降低应力。
1. 淬火理论与三阶段
淬火是将钢件从奥氏体化温度快速冷却,使面心立方奥氏体转变为体心正方马氏体的无扩散剪切型相变——冷速是关键。
关键温度
临界冷速(获得完全马氏体)
液体淬火三阶段
A 阶段:蒸汽膜
表面温度高于 Leidenfrost 点(油约 600-800°C)。稳定蒸汽膜包裹工件形成隔热层,冷速最低。蒸汽膜必须快速破裂——持续过久会产生软点。
持续时间:油中 2-10 秒(随搅拌变化)。
B 阶段:核沸腾
约 600°C 降至 250°C(油)。蒸汽膜破裂,液体直接接触表面,剧烈沸腾换热——获得马氏体的最关键阶段。搅拌油典型冷速 50-200°C/s。
覆盖 CCT 图上珠光体与贝氏体鼻部区间。
C 阶段:对流
低于介质沸点(油约 250°C)。无沸腾,仅对流换热,冷速显著下降——这正是所需:Ms-Mf 区间慢冷降低热应力与畸变,而此时转变已在进行。
此阶段搅拌仍重要,保证均匀冷却。
畸变-硬度权衡:快淬硬度最高但畸变开裂风险大;慢淬畸变小但可能转变不完全(软点、混合组织)。理想介质在 800-500°C 快冷(避开珠光体)、Ms-Mf 慢冷(降低应力)——这正是油与聚合物介质的特性。
CCT 与淬透性
- 合金元素(Cr、Mo、Ni、Mn)使珠光体/贝氏体鼻部右移(时间更长),降低临界冷速
- 碳含量影响 Ms 温度:碳越高 Ms 越低
- 晶粒越粗淬透性越好(但韧性更差)
- TTT(等温)图用于等温保持;淬火请用 CCT 图
经验 Ms 公式(Andrews 1965,元素为重量 %):
Ms(°C) = 539 − 423C − 30.4Mn − 17.7Ni − 12.1Cr − 7.5Mo − 7.5Si
EN19(4140) 示例:C=0.40、Mn=0.80、Cr=1.0、Mo=0.20 → Ms = 539 − 169 − 24 − 12.1 − 1.5 = 332°C
2. 淬火烈度(Grossmann H 值)
H 值量化介质相对理想淬火(H=∞)的换热能力,H 越大越剧烈。用于由 Jominy 数据预测硬度分布。
Jominy 等效:给定 H 值与棒材直径对应的 Jominy 距离可由 Lamont 图查得。例:Φ50mm 棒在搅拌油(H=0.50)中,心部等效 Jominy 距离约 11mm、表面约 5mm——据此从公开 Jominy 曲线预测硬度。
3. 介质选型矩阵
4. 油淬
4.1 淬火油分类
4.2 商品油规格
4.3 油槽设计与搅拌
关键设计规则:油位严禁超过罐容 80%(热膨胀 + 浸没排量),设高液位报警;按英国法规围堰容积为油量 110%;飞溅区内电气设备最低 IP65;搅拌必须在入淬前和淬火过程中全程运行——入淬后才开搅拌会造成热冲击与不均匀冷却。
4.4 淬火油维护
过滤:连续旁通过滤(10-25 μm);磁性分离器除铁屑;袋式过滤器(5-10 μm);离心分离器除重质油泥。劣化主因:热裂化(工件表面 >300°C)、氧化(高温进空气)、水污染(换热器漏/冷凝/湿工件)、油泥(裂化残炭 + 氧化皮)。
4.5 油淬安全
油雾比本体油更危险:细分散油雾自燃温度(约 260°C)远低于本体油(约 350°C),必须设置油雾排放。英国法规:油雾 OEL 5 mg/m³(8h TWA)/ 10 mg/m³(15min STEL);DSEAR 典型 Zone 2;围堰 110% 最大罐容;火焰检测(UV/IR + 周边线性感温);急停必须切断搅拌与输送电源。
油罐火灾处置:① 报警撤离 → ② 关闭罐盖 → ③ 启动 CO₂ 淹没 → ④ 严禁用水灭油火 → ⑤ 切断油泵与搅拌电源 → ⑥ 通知消防队(说明淬火油火)→ ⑦ 确认熄灭冷却前不得重开罐。
5. 高压气淬(HPGQ)
HPGQ 是真空炉标准淬火方式:高压气体注入热区、大功率风机循环经换热器冷却。无液体接触即无蒸汽膜阶段,纯对流冷却。
气体特性
N₂ 是主力(80% 以上 HPGQ 装置);He 因导热系数高 6 倍而冷却能力 3-4 倍,但成本限制其用于关键航空与工具钢;H₂ 冷却能力最高但需 ATEX 级设备;Ar 仅用于 N₂ 会造成氮化的场合(Ti、Zr 合金)。
气体-压力-冷速对应
系统设计要点
- 风机:电机 75-300 kW(大炉可达 600 kW);离心或轴流;顶装或底装;变频调速控制冷速;过件气流 10-30 m/s
- 换热器:水冷铜/不锈钢翅片管束,容量 200-2000 kW;水流量 5-50 m³/h(进水 15-25°C);置于气体循环回路、热区之外;结垢降低容量,每年检查
- 喷嘴:全方位 360°(圆/筒形载荷标准);定向喷嘴(平板件);往复流(每 30-60 秒换向提高均匀性);喷嘴-载荷距离 50-150mm 最佳;件间最小间距 25mm
6. 聚合物淬火(PAG)
PAG 聚合物利用逆溶性:冷水中溶解、在热工件表面析出成膜形成受控冷却屏障;件温降至雾点(约 74°C)以下聚合物重新溶解回收。冷却烈度由浓度控制。
运行参数
商品:AquaQuench 251(一般钢淬火)/ AquaQuench 365(铝固溶)/ Aquatensid N(高性能 PAG)。维护:每周折光仪测浓度;pH 保持 8.5-9.5(过低=细菌滋生);每月 ISO 9950 冷却曲线;用浓缩液补足带出;禁止混用不同品牌 PAG(聚合物不相容会析出);每年更换或冷却曲线偏离新液 20% 时更换。
7. 水与盐水淬火
水与盐水提供最高淬火烈度(H 可达 5.0),但畸变开裂风险显著,主要用于油淬无法达到硬度的低淬透性普碳钢。
温度控制:水温显著影响烈度(20°C 猛烈、60°C 温和得多);生产需维持 20-30°C,配冷却塔或板换;每件温升 ≤5°C。添加剂:NaCl 5-10%(最常用,腐蚀罐体与工件);NaOH 3-10%(蒸汽膜控制更好,pH>12);Na₂CO₃ 5-10%(弱碱,腐蚀较轻)。
开裂风险:水淬产生最高热应力与相变应力。严禁对 >0.60%C 钢或带尖角、键槽、孔、大截面变化的零件水淬——除非经过仔细评估。复杂形状请改用聚合物或油。
适用性
- 适用:普碳钢(1040-1060)、低淬透性牌号、感应淬火
- 边缘:>0.50%C 中碳钢(开裂风险)
- 避免:合金钢(油淬足够)、复杂几何、薄壁、高碳钢
8. 盐浴淬火
盐浴在受控温度等温保持,实现等温淬火(贝氏体)与分级淬火(低畸变马氏体)。工件浸入目标温度熔盐并保持至转变完成或温度均匀。
盐种
等温淬火 vs 常规调质
盐浴维护:温度均匀性 ±5°C(必须搅拌);监控碳、氧化皮、氯化物污染;水分必须为零(水入熔盐会剧烈爆溅);工件出浴后必须立即清洗(盐吸湿腐蚀);浴寿 6-12 个月。环保:硝酸/亚硝酸盐属氧化剂(UN 1498/1500),须由持证危废商处置;清洗水同样为危废(高硝酸盐)。许多应用已被 HPGQ 替代。
9. 深冷处理
许多工具钢与高碳钢的 Mf 远低于 0°C,室温淬火会残留大量奥氏体。深冷处理通过冷却至 Mf 以下完成转变。
各钢种残余奥氏体(淬火态)
工艺顺序
- 奥氏体化并淬火至室温(油、气或空)
- 淬火后 30 分钟内冷却至深冷温度(不得先回火)
- 以 1-2°C/min 降温避免热冲击
- 目标温度保持规定时间
- 以 1-2°C/min 回升至室温
- 立即回火(工具钢 2 次以上)
主要应用:工具钢(D2/M2/M42)提高硬度与耐磨 200-400%;轴承钢(52100)尺寸稳定化;渗碳齿轮(表面残余奥氏体降至 <5%);量块与精密工具;440C/手术器械提高耐蚀性。深冷处理(−196°C、12-36h)还可析出超细 η-Fe₂C 碳化物,耐磨性提升超出单纯奥氏体转变的效果(同行评议支持 40-300% 寿命提升,视钢种与应用)。
10. 淬火缺陷诊断
软点
淬火开裂
畸变