1 關于淬火介質的好壞

1.1 油性介質

對于生產現場來說，油的好壞，第一步看是否選對了油的類型。一般情況下，淬火油按使用的溫度范圍分成冷油和熱油。冷油的冷卻速度一般比熱油要快。在冷油中，又根據油的冷卻速度高低分成快速淬火油和中快速淬火油。油的冷卻速度越快，其粘度一般多更低，閃點相應也越低。熱油的粘度和閃點多較高。根據所處理工件的材質、大小和熱處理要求，該選擇冷卻速度快的冷油的，如果選擇成了冷卻速度不夠快的熱油；那么，不管該油品的質量如何好，工件淬火后也會硬度不足，而且變形很大。相反，該選擇熱油的場合，如果選成了冷卻速度過快的冷油，不管該油品的質量如何好，工件在其中淬火的結果，變形超差，且心部硬度過高。不僅冷油、熱油要選擇正確，就是在其中油品的級別，也應選擇正確。如果該選快速油而選成了中快速油，也會由于冷卻速度不足，使某些工件達不到要求的淬火硬度。熱油的級別不同，主要指它們使用溫度的不同。使用溫度高的品種，一般適用于較小型的工件，其控制變形的能力更好些。但是，對更大一些的工件，或者淬透性稍差點的鋼種，就應當選擇使用溫度更低的油品。

評價的油品種類和級別是否選得正確，最簡單的判斷方法是用生產中準備采用的工藝參數，加熱單一的工件，在該油品中淬火，看看能否得到要求的淬火硬度、淬硬深度、心部硬度，以及變形要求。如果單件淬火能達到工件的熱處理要求，該油品的種類和級別就基本上是選對了。剩下來要做的就兩件事。一是從設備條件和工藝方法等方面保證多個工件同時淬火時的均勻性，二是了解（或者在使用中考驗）該油品的穩定性。

對油的冷卻特性，特別要注意它的穩定性。根據我們了解到的情況，不管國內外什么廠家生產的油品，在大量連續處理一般中小型工件的場合，正常使用條件下，油品的穩定性可分成三種水平。

• 經過短時間使用，比如僅僅使用二、三十天后，冷卻能力就已開始衰退。這樣的油穩定性不好。
• 經過半年左右的使用，冷卻能力的衰退開始表現出來，淬火后工件表面出現污點并逐漸增多；不到一年，淬火油就不得不整槽更換。這樣的油穩定性差。
• 在相同的使用條件下，淬火油可以連續使用二、三年，甚至更長的時間，之后才開始出現冷卻能力衰退跡象。這樣的油穩定性好。

能在幾年的連續使用中保證淬火工件得到要求的淬火硬度、硬化深度、心部組織，且變形不超差，加上淬火后的工件易清洗，這樣的油就可以稱為好油。就油品而言，是否是好油，實際包括了油的冷卻特性合適和穩定性好兩方面。

國內外關于淬火用油的標準有多種。各標準對淬火油的理化性能都有較全面的規定，對油的冷卻特性也有大致的要求。但是，從標準中看不出油的上述穩定性好壞來。因此，僅僅看說明書，熱處理工作者很難選擇到好油。一般可以采用的辦法是：通過試用來選擇冷卻特性適合的油品；再從別的工廠的長期使用效果，來評價該油品的穩定性好壞。如果能找到同類工件在別的廠家連續使用了兩三年的油品，還可以省去自己試用的麻煩。如果能滿足這些要求的油品有好幾種（事實上是這樣），當然選擇廉價的。

在選擇淬火油時，前面已經談到過，這里還需要強調一下：一是任何一種工件都可能在冷卻特性有相當差別的油中淬火，且都能滿足該工件的熱處理要求。二是任何一種淬火油也都可以用來處理相當多不同鋼種、大小和要求的工件。淬火油供應商，只需要提供有限的幾種油品，就能滿足幾乎所有工件的需要，道理就在這里。同樣的道理，一個熱處理廠只需要配備有限的幾種油，就能滿足幾乎所有工件的需要。

1.2 水性介質

一種好的水性淬火劑，首先要能同時滿足三項要求：一是冷卻特性適合，二是化學穩定性好，三是濃度易測易控。此外，和用淬火油相比，水性介質需要更多的維護管理。因此，供應商的售后服務能力和技術水平，也是一個必須考慮的要素。加在一起，就成為評價水性介質好壞的四個要求。

2 PAG淬火液在使用中的變化規律

PAG淬火劑是當前國內外使用得最普遍和使用效果最好的水性淬火介質。這類淬火介質在上世紀80年代中期開始進入我國熱處理行業。因為實際生產應用效果良好，很快就在一定范圍內推廣開。但也出過這樣一類問題：一些工廠開始時用得好，有的甚至發表了文章。但過了不久，采用的相同的濃度，卻有少量工件淬裂；繼續用下去，淬裂的比例還逐漸增多。找不到淬裂的原因，最終不得不停用。究其原因，是不了解PAG淬火液在使用中的變化規律，因而沒能采取相應的應對措施。

淬火液中的PAG聚合物本身相當穩定，在一般的使用條件下幾乎不會被氧化分解，也不會和遇到的酸堿物質發生反應。那么，問題出在什么地方？后來，經過研究發現，上面談到的問題，實質上是使用中的有效濃度的測定方法問題。

PAG淬火劑是以PAG聚合物為主，加上其它提供輔助性能的添加劑而制成的。在工件淬火過程中，工件周圍的液溫一旦升到溶液的濁點以上，PAG聚合物就從溶液中脫溶出來，以細小液珠形式懸浮在淬火液中。懸浮的PAG液珠一接觸到紅熱工件，就靠其非常好的潤濕性粘附到工件表面上，成富水的包膜把工件包裹起來。PAG淬火介質就是靠這種包膜來調節水的冷卻速度，避免工件發生淬火開裂的。工件冷卻下來后，黏附在工件上的聚合物又會回溶到淬火液中?；厝苄枰獣r間，而生產中往往等不到聚合物回溶干凈就將工件從淬火液中取出。這樣，工件帶出的液體中PAG聚合物含量往往高于所用淬火液中的含量。長期、大量工件淬火后，淬火液中PAG的相對濃度就必然逐漸降低，而其它添加劑組份的濃度卻逐漸相對升高。因為只有PAG才有調節水的冷卻特性的作用，它的濃度降低就相應降低了淬火液調節冷卻特性的能力。由于一般工廠都采用折光儀來測定淬火液的總濃度，所以，在相同濃度上，使用久了的PAG淬火液冷卻速度更快，成為引起淬裂的原因。

解決這類問題的辦法，一是改進濃度檢測方法，最好是用冷卻特性測試儀來調控濃度；二是發現工件的淬火硬度升高，就適當提高淬火液的折光儀濃度，來保證工件不淬裂。

此外，為了減緩有效濃度降低的速度，可以設法延長工件在淬火槽中的浸泡時間，并對工件上帶出的淬火液做及時的清洗，而后將清洗用的水補充進淬火槽中。這樣做也能減少淬火劑的消耗。

由于水是其中的第一大組份。而水在熱處理生產中特別容易揮發。所以水溶性淬火介質的有效濃度測量問題都非常重要。PAG類淬火介質可以用折光儀法檢測濃度，但它不適于用比重法測量濃度。聚乙烯醇類淬火介質不適于用比重法，也不適于用折光儀法測量濃度；因此很難做現場濃度調控。無機鹽水溶液的濃度檢測既可以用折光儀發，也可以用比重法。所有水性淬火液都適宜用冷卻特性儀來控制濃度。但采用冷卻特性控制濃度不僅需要配備冷卻特性測試儀，還需要相關的應用技術和分析能力。

3 淬火介質使用維護中的幾個問題

從事熱處理生產的人應當維護好所用的淬火介質。一般的管理工作包括：防止介質受污染、保證冷卻系統能正常工作、按要求控制好液溫、水性介質要經常檢測和控制其濃度，以及定期檢測淬火介質的冷卻特性等。此外，根據我們的經驗，應當注意以下幾件事。

3.1、在新倒入淬火介質前，特別是在舊的淬火槽中做整槽更換時，一定要把淬火槽和冷卻系統認真清洗干凈。。一些單位圖省事，在淬火油做整槽更換時，只把原來的舊油大致放干，便將新油倒入槽中。原來沉在槽底的油污、槽壁上的碳黑油泥，以及殘留在冷卻系統中的油污，都一齊混進新油中。其結果，一槽新油就給污染了。淬火出來的工件污跡斑斑，清洗十分困難。

3.2、如果發現淬火油變得容易著火，要趕快找出原因并加以解決。原因之一是油中進了水，尤其是用熱油的場合。原因之二是在油溫測量或顯示上出了故障，實際油溫遠高于顯示的油溫。此外，油中混入了低閃點、易揮發的油液，也容易著火。

3.3、防止加熱爐內的碳黑污染淬火油。滲碳與碳氮共滲爐內難免產生碳黑。這些碳黑進入淬火油中，會對油造成污染。少量碳黑逐漸積累，首先損害的是淬火工件的光亮性，隨后影響油的冷卻特性。碳黑粒子非常小，又多懸浮在油中，一般不可能用過濾和沉降的辦法加以分離。定期燒掉加熱爐內結存的碳黑，是現行的最好解決辦法。

3.4、對使用中介質變質和整槽更換問題的看法。水性和油性介質都有一定的壽命。到時候都應當做整槽更換。

影響油性介質壽命長短的主要因素，是油的使用溫度高低、淬火工件的總表面積大小、油的品質好壞和外來污染情況。油的使用溫度（應當包括油的平均溫度和工件淬入后的溫升程度）越低，油的使用壽命越長。淬火工件的總表面積越大，油的壽命越短。用于小型工件的淬火油，壽命很短，因為所處理工件單位重量的總表面積非常之大；而處理大型工件用的淬火油，由于所處理工件單位重量的總表面積相當小，加上淬火次數少，使用壽命就非常長。油品的質量，包括所用基礎油和添加劑的品質。同樣的使用條件，品質差的油只能用幾個月，而品質好的常?？梢杂煤脦啄?。此外，外來污染，尤其是水的進入和碳黑的積累，對油的使用壽命也有很大的影響。

水性淬火介質的壽命長短，最主要的影響是介質的種類。比如，聚乙烯醇類的淬火介質，一般壽命不超過幾個月；而PAG類的介質，一般多可以使用幾年。外來污染對水性介質的壽命長短影響也很大。因此，水性介質的維護管理比油性介質更應受到重視，也更費事。PAG淬火液可以通過去污處理而延長其整槽更換時間。

不管是水性還是油性介質，使用中都會逐漸變質，同時也都會受到污染。變質產物和外來污染物逐漸積累，都會影響到介質的使用性能。使用到一定時間后，都應當做整槽更換。據知，除只用于大型工件淬火的油外，大量處理一般中小型基礎件的場合，國內外淬火油的使用壽命一般不超過三、五年。如果不做去污處理，就是PAG淬火介質的整槽更換時間一般都比三、五年要短。到了應當整槽更換的時候就做整槽更換，往往能保證熱處理質量、提高生產效率、簡化管理并減少介質消耗量，從而能降低生產成本。

4 關于淬火變形問題的分析方法

熱處理變形，尤其是淬火變形，是當前國內外熱處理行業關注的重點課題。由于引起變形的因素很多，使問題變得很復雜。通常，在新產品設計和工藝方法確定階段，分析和解決變形問題時往往考慮得特別全面，以便綜合協調解決方案。但是，當生產中的工件出現變形問題時，采用這樣的思路去分析和解決問題，就違背了抓要點的原則。站在熱處理工作者，特別是現場熱處理工作者的角度，分析解決所遇到的變形問題，應當用抓主要原因的簡便易行的方法。下面介紹的三要素法和硬度差異法就屬于這種方法。

4.1 三要素法分析法

這里指的熱處理超差變形三要素為：足夠大的應力，足夠好的塑性，以及足夠長的作用時間。

任何熱處理超差變形都需要這三個要素，只是三者的大小關系是可以互補的。如果應力很大和材料的塑性好，作用時間雖短，也會引起大的變形。比如紅熱工件在轉移中受到沖撞引起的變形。塑性好，作用時間很長，即便應力不大，也可能引起大的變形。比如淬火加熱過程中，工件堆放不當，因疊壓或者因自重引起的應力雖然不大，但在長期加熱過程中也會造成超差的變形。又如，在淬火冷卻中，因介質受到的攪動過于強烈，液流沖擊使細長工件發生超差的彎曲變形。這些都是因外力引起的變形。因外力引起的變形問題，其解決辦法相對比較簡單。和高溫時相比，發生馬氏體轉變前，過冷奧氏體的塑性也相當差了。而且馬氏體轉變經歷的時間也相當的短。雖然如此，馬氏體轉變前后的比容差引起的應力非常之大，仍然能造成超差的變形。這是內應力引起的變形。

因內應力引起的變形，情況要復雜得多。內應力的來源比較多，但通?？梢詺w成熱應力和組織轉變應力兩類。冷卻過程中，組織轉變應力又常常和熱應力共同存在，相互疊加或抵銷。而且都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雜。其中，值得注意的有三點。一是在液體介質中淬火冷卻時，形狀較復雜的工件不同部位表面溫度差別會很大。冷得快的部分一旦冷到所用液體介質的特性溫度以下，就立即從蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段。這部分表面獲得的冷卻速度突然大增，和工件上仍然處于蒸汽膜階段部分的溫度差異也就會急劇增大。溫差大，熱應力也就大。如果該介質的特性溫度偏低，這種應力的作用時間還會很長。在介質特性溫度附近，過冷奧氏體的塑性一般多也較好。應力大，材料塑性好，加上作用時間長，就容易引起超差變形。二是冷卻速度過快時，過冷奧氏體轉變成馬氏體時的體積膨脹，可能引起很大的內應力，從而引起淬火變形。三是淬火冷卻的速度不足時，在馬氏體組織的百分比急劇變化的區域，因比容差異常常形成大的內應力，最終引起大的變形且淬火硬度不足。

材料的塑性與材料的溫度密切相關。高溫下材料的塑性好，容易發生變形。此外，在材料發生相變過程中塑性變形更容易，即具有所謂相變超塑性。因為裝放不當，在淬火加熱過程中由外力引起的熱處理變形，有一部分就是鋼材發生加熱轉變過程中產生的。材料加熱中由珠光體轉變成奧氏體時有超塑性。過冷奧氏體發生馬氏體轉變時有超塑性。就連馬氏體發生回火轉變時也有超塑性。大薄片狀工件的淬火變形翹曲，用加壓回火來加以校正，靠的主要是回火轉變時的相變超塑性。這種辦法只在第一次回火時有效，原因就在這里。

作用時間長短是第三個值得注意的要素。在熱處理中，為了減小變形量，凡需要比較長的時間才能完成的過程，比如，工件加熱過程，應當設法把可能出現的內外應力減至最小。為了縮短熱應力引起的變形，使用液體冷卻介質時，要設發縮短介質的蒸汽膜階段，以縮短工件冷卻過程中不同部位的表面溫度跨在介質特性溫度上下的時間。

在制定工藝時，應同時從上述三要素上采取措施來減小熱處理變形。其原則是：設法減小內外因素引起的應力，縮短應力的作用時間，尤其是在工件處于塑性好的時期。

在分析已發生的熱處理變形時，注意應力大、塑性好和作用時間長的諸因素，會比較容易找到主要原因。

4.2 分析解決淬火變形問題的硬度差異法

熱處理變形中，和外力引起的變形相比，由內應力引起變形的影響因素更多，問題更復雜。為了從熱處理現場的角度容易解決發生的淬火變形問題，本文作者提出了一種分析和解決這類問題的系統方法，定名為“硬度差異法”。這種方法先檢測發生了淬火變形的工件上的硬度值，再由測量出的硬度差異情況，去設法調用可能的工藝參數，來解決工件的變形問題。如果對該文章感興趣，可以從本公司的冷卻技術網站上查看。下面，只介紹硬度差異法中幾點不同于常規的做法和觀點：

1、把所用鋼材的端淬曲線加以改造，把它變成硬度－冷卻速度曲線。按冷卻速度由慢到快的順序，把冷卻速度劃分成硬度很高、硬度足夠高、硬度不足和硬度很低四個區。如圖11所示。

2、淬火冷卻速度過快和冷卻速度不足都可能引起超差變形。其中，冷卻速度不足引起的變形量更大。

 3、根據工件上參與淬火變形部位的淬火硬度差異，以及實際上發生的淬火變形、淬裂等情況，可以從圖12中畫出對應的冷卻速度帶，也就確定了該冷卻速度帶的跨區情況。一種汽車板簧淬火后出現過大的側彎變形和弧高變化。檢測該板簧的硬度，發現硬度不足。相應的冷卻速度帶就應當落進不足冷速區。如圖中虛線冷卻速度帶所示。解決這個淬火變形問題的辦法是，整個提高板簧的淬火冷卻速度，使板簧的淬火硬度提高到完全滿足要求的程度，使相應的冷卻速度帶完全落入適度冷速區。如圖中實線冷卻速度帶所示。

4、通過熱處理淬火方法使工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶完全進入它的第二區，就可以消除工件的淬火超差變形。

5、依其對移動工件冷卻速度帶的作用方向不同，可以把至今所有解決淬火變形問題的熱處理措施和方法，分成使冷卻速度帶左移的措施和使冷卻速度帶右移的措施(見表7)。在解決淬火變形問題時，可根據工件的冷卻速度帶的跨區情況，選用同類作用方法的措施來解決淬火變形問題。

 6、除熱處理工藝方法外，熱處理之前改善熱處理前的預備組織、調整鋼材成分，以及改換鋼種等措施對解決變形問題的作用，是通過移動第2區分界線，以便把冷卻速度帶包含進第2區。作為例子，圖13對改換鋼種在解決淬火變形問題中的作用做了解釋。圖中，上面的是淬透性差的鋼材的硬度－冷速曲線。用這種鋼材制做的某種工件淬火后硬度不足，而且變形超差。檢查淬火態硬度發現，其冷卻速度帶跨在2、3兩區上。如果改用淬透性更好的鋼材（對應有下面的硬度－冷速曲線），在其它條件相同的情況下，淬火后硬度滿足要求，變形也不超差。原因是后一種鋼材的第2區大大加寬，把工件的冷卻速度帶完全框進去了。

7、文章最后把解決淬火變形問題的所有措施，包括熱處理工藝方面的措施、控制鋼材的成分以及改換鋼種的措施，加上改變零件形狀尺寸的措施等分成三類。按本方法的思路，它們的作用不外是移動冷卻速度帶，使其完全進入第2內；移動第2區的邊界，以便把冷卻速度帶框進第2區。如圖14和圖15所示。這三類措施在解決淬火變形中的作用，列于下表中。

既然從零件設計、鋼材的選用，熱處理前的冷熱加工工藝，到熱處理生產的諸多措施，都會影響工件的冷卻速度帶和寬窄的位置，以及第2區的寬窄和位置。因此熱處理變形問題往往可以同時采用諸多措施去解決。只是要注意各項措施的作用方向，避免它們相互抵消而造成浪費。