1.5　淬火冷却介质

工件加热奥氏体化后，以适当的方式冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火冷却指工件进行淬火处理时，在整个淬火周期中的冷却部分。工件进行淬火时用的介质称为淬火冷却介质，简称淬火介质。工件的淬火质量关系到机械产品的使用性能及寿命，因此，严格控制和提高淬火质量就成为提高机械产品寿命的关键。

就热处理现状来看，各种淬火缺陷到处可见，有的地方还相当严重，其原因是多方面的，其中除少数与材料、加热温度、加热时间及操作技术有关外，绝大部分问题都出在淬火介质上，可见选好用好淬火介质是何等的重要。

1.5.1　淬火介质应具备的性能

（1）合适的冷却曲线　碳钢和低合金钢淬火冷却到650℃之前，奥氏体还比较稳定，允许以适当慢的速度冷却，以减少工件因内外温差而引起的热应力。在650～450℃区间，要以超过该钢的临界冷却速度冷却，低于400℃特别是在马氏体点以下应缓慢冷却，以减少组织应力，防止过大的畸变和淬裂。淬火介质理想的冷却曲线因不同的钢种而异，要想得到能适合各种不同尺寸的淬火介质是不可能的。也就是说，没有一种淬火介质是万能的。因此，必须了解各种淬火介质的冷却特性，以便视本单位所用材料、具体工件，有针对性地选择相对理想的淬火介质。

（2）良好的稳定性　淬火介质在使用过程中性能要稳定，不易变质、分解或老化。各种液体介质都存在着不同程度的老化倾向，应尽可能选用老化速度慢、易于调控、维护的品种。

（3）淬火后工件保持清洁，不受腐蚀。

（4）淬火后不对周围环境产生污染。

（5）不燃不爆，使用安全。

总之，选用的淬火介质必须保证工件淬得硬，微变形或少变形，不开裂，低碳，经济又环保。

1.5.2　淬火介质的分类

淬火介质的分类大致如下。

（1）常规分类

（2）按工件淬火时是否发生物态变化分类

1.5.3　水及无机水溶液淬火介质

1.5.3.1　水

（1）水的物理化学特性　水是最古老的、而且迄今仍常用的淬火介质。它取之方便，价格低廉，安全、清洁、对环境无污染。它的物理化学特性见表1-24。

①表示最大密度时的温度。

水的汽化热很大，在0℃时为2508.67kJ/kg，100℃时为2263.3kJ/kg，这就决定了在沸腾冷却阶段，水具有很强的冷却能力。水的热容量很大，15℃时为42kJ/（kg·℃），由于水的黏度低，流动性好，热容量又大，所以导热对流冷却阶段冷速较快。

（2）水的冷却特性　水的冷却过程分为三个阶段，见表1-25。

水的冷却能力强不一定是好事，在Ms点附近冷却速度太快，容易造成工件变形，甚至开裂。

温度对水的冷却能力有强烈的影响，水温应控制在40℃以下，在大批量连续生产中，水温不宜超过35℃。

循环水用搅动的方法，可显著提高水的冷却能力，有利于提高钢的奥氏体不稳定区的冷却速度，实现较均匀的冷却。进行喷射冷却可使蒸汽膜提早破裂，显著提高在高温区间的冷却能力。喷水的压力越高，流量越大，效果越显著。

水淬火，适用于形状简单的碳钢及低合金钢工件表面淬火喷射冷却。

水的冷却特性如表1-26所示，水的冷却速度曲线见图1-39。

采用ф20mm的银球作为探头，加热到800℃后，投入到静止的或循环的水中冷却，得到图1-39的冷却曲线。

①20℃静止的水的特性温度约为380℃，从800～380℃为蒸汽膜阶段，平均冷速约为180℃/s，380～100℃为沸腾阶段，平均冷速约为200℃/s。最大的冷速约为780℃/s，其对应的温度约为280℃。100℃以下为对流阶段，在100℃的冷却速度约为100℃/s。

②与油相比，水的冷却速度较大，据测定，在600℃时，水的冷速为油的6倍，而在200℃时，为油的28倍（和50℃的3号锭子油比较）。

③水的特性温度低（≈380℃），三个阶段的温度与钢材的过冷奥氏体转变曲线不吻合。碳素钢的过冷奥氏体的最不稳定区域在650～500℃，此时水正处在蒸汽膜阶段，冷却速度不是很快，截面尺寸较大的碳钢件火淬硬度不足或硬化层过薄的原因就在于此。而在马氏体转变区（300～200℃），水的冷速极大，因而对形状复杂的工件易淬裂。但若能做到均匀冷却，开裂的倾向也许会大大减轻，因为变形和开裂主要是不均匀冷却造成的，说水是淬裂元凶，有失公道。

④水温对水的冷却能力影响很大，水温升高，冷却能力急剧下降，特别是高温区。例如，水温从20℃升到40℃，在600℃时银球的冷却速度降低了1倍，而在300℃时，冷速下降幅度不大。另外，水温升高，特性温度明显下降。例如，20℃时特性温度为380℃，40℃时特性温度约为320℃，60℃时特性温度约为250℃。这使最大的冷却速度向低温移动。因此，生产中应严格控制淬火水槽的温度，采取相关措施，使淬火水温在40℃以下。但是，对同一工件，特别是有较细的通孔、盲孔、内角等的工件，因蒸汽的移动和水的流动受到限制，致使这些部位的水温升高，降低了淬火质量，可采取工件运动或水流动等方式予以改善。

⑤工件在水中运动或者循环，可使蒸汽膜早期破坏而进入沸腾快冷阶段，可以有效地提高工件在高温阶段的冷却速度，并可改善冷却的均匀性。从图1-39（b）可以看出，对20℃的水来说，循环水可从静止态的平均冷速180℃/s，提高到360℃/s，并使特性温度和最大冷速有所提高。

有资料表明，74℃静止的水的冷却特性为：在650～550℃的高温区，冷却速度比N32油快，达200℃/s（而油约为100℃/s），在300～200℃的低温区，冷却速度只有67～15℃/s（N32油为66～28℃/s），比油还慢，这为某些合金钢淬温水（74℃以上）提供了理论依据。

还应该指出，各地区的水质软、硬程度不同，对冷却能力也有影响。总之，水作为淬火介质，优点很突出，特点是环保；但缺点很严重：在马氏体相变区冷却速度太快，易造成淬火件开裂，水温变化影响冷却效果，水温升高不易淬硬并伴随有软点、软块产生。为了克服水（包括各种水溶液淬火剂）的缺点，热处理同仁采取了一系列行之有效的措施，其中有：a.选择在单一的冷却阶段内冷却，选用那些特性温度高于工件淬火加热温度的介质，使整个冷却过程都在蒸汽膜阶段以下进行，例如，硝盐浴等熔盐浴就属于这一类，但它受到钢种和工件截面尺寸的限制，只适用于中小尺寸的零件；b.加入能减少介质温度敏感性的添加剂，如加入一定量的无机盐或碱；c.适当降低工件的淬火加热温度，以减少工件在蒸汽膜阶段的冷却时间；d.降低介质的使用温度，以降低淬火时可能的最高液温；e.淬火时工件运动或通过介质的流动和增大工件之间的距离等措施，减少工件周围的液温升高值；f.实现淬火槽的搅拌、冷却的自动化和智能化，确保淬火液的使用温度不超过工艺规范。

1.5.3.2　氯化钠水溶液

氯化钠加入水中，能显著提高水的冷却能力。氯化钠溶于水中，降低了蒸汽膜的稳定性，提高了特性温度。常用的氯化钠溶液的浓度为5％～10％（质量分数）。在此范围内，随着浓度的增加，冷却速度迅速提高，最大冷却温度上移。静止的10％（质量分数）氯化钠溶液的换热系数如表1-27所示。浓度提高到20％（质量分数），因黏度增大而使冷速趋于回落，不同浓度的氯化钠水溶液的冷却速度曲线见图1-40，温度对冷却速度的影响见图1-41。盐水在低温区（<20℃）的冷速和水接近，一般不会增加淬火畸变。淬过盐水后的工件，应及时做好防锈工作。

氯化钠水溶液和自来水的冷却曲线比较见图1-42。

从图1-40～图1-42可以得到以下结论。

①15％NaCl水溶液的最大冷速约为2600℃/s（自来水为780℃/s），最大冷速对应的温度为450℃（自来水为280℃）；15％NaCl水溶液的特性温度为780℃（自来水为380℃）；15％NaCl水溶液800～400℃的平均冷速为水的10倍；15％NaCl水溶液400℃以下的冷速略高于水。显然，15％NaCl水溶液的冷却特性优于水。原因是在淬火初期的蒸汽膜阶段，由于盐水溶液中水的汽化盐结晶黏附在工件表面，盐的热导率、膨胀系数与钢件的差别很大，导致结晶盐爆破，机械地破坏了蒸汽膜，使沸腾阶段提前到来，结果使特性温度提高及高温区的冷却速度明显加快。

②NaCl水溶液的浓度对冷却特性有明显的影响。浓度超过5％以上时，浓度增加，冷却能力增大，超过17％以后，因溶液黏度的增加而使冷却能力下降，浓度达到20％时，冷却能力明显下降。所以，一般控制在5％～10％。

③NaCl水溶液冷却能力随温度的升高而降低，使用温度不宜超过60℃。NaCl水溶液主要适用于截面尺寸较大，硬度要求较高的碳素结构钢和碳素工具钢工件的淬火。对于超过临界淬火直径的合金工具钢双液淬火，只要掌握好在水中的冷却时间及出水温度，亦能收到奇效。

1.5.3.3　氯化钙水溶液

固体氯化钙在空气中放置，会自然吸水而潮解。这种淬火介质的配制方法，是将已潮解的氯化钙或无水氯化钙放入淬火槽中，加水充分搅拌，使其充分溶解。因为氯化钙淬火介质的黏度与温度及密度有关，为防止介质由于温度升高使密度和黏度下降，所以配制成饱和溶液，配制的用量要使淬火槽底部有剩余的不再溶解的氯化钙为止。工业上用的氯化钙一般纯度为70％左右，其余为NaCl、MgCl2、Fe2O3、FeO等杂质。实际使用的氯化钙淬火液的密度受控于1.4～1.46g/cm3之间。

密度为1.40g/cm3的氯化钙饱和水溶液，23℃时的冷却特性如图1-43所示。试样心部温度降到600℃时，其冷却速度最大，约为1300℃/s，在淬火危险温度区域，冷却速度为150℃/s，在300℃以下，冷速明显降低，显然冷却性能优良，是较理想的淬火介质。

氯化钙水溶液的使用温度一般控制在20～70℃之间，密度为1.05～1.46g/cm3。不同含量的CaCl2水溶液的冷却能力见图1-44。

工件淬火后表面呈银灰色，如不及时清洗就会生锈，最好浸在10％～15％ NaNO2防锈剂中。这种淬火介质具有配制容易、冷却能力强、变形小、不易老化、货源充足、价格便宜的优点。使用中要注意下列事项。

①适用于小形、薄形、形状复杂、用其他淬火方法容易淬裂的结构钢和低合金钢工件。较大型零件使用该技术尚待研究。当零件稍大时，操作时必须搅动零件，否则淬不硬也淬不透。

②一般用氯化钙的过饱和溶液，溶液浓度降低有淬裂倾向，要注意调整溶液浓度在安全使用范围内。

③氯化钙溶液在冬天低温长期静置，则有氯化钙结晶自溶液中析出，会影响介质的冷却能力，使用前应适当加热并搅动均匀。

④氯化钙淬火介质中不能混有硝盐，因为两者会发生反应，产生二氧化氮附在工件表面，导致淬火件出现软点。

1.5.3.4　氯化镁水溶液

MgCl2·6H2O是白色易潮解的单斜晶体，有苦咸味，密度为1.56g/cm3，熔点为118℃，溶于水。不同浓度的MgCl2水溶液的冷却曲线见图1-45。从图中可以看出，30％ MgCl2（质量分数）的最大冷速约为1600℃/s，对应的温度为550℃，特性温度约为750℃，300℃以下的低温区冷速较慢，这是由于MgCl2可降低蒸汽膜的稳定性，促使蒸汽膜早期断裂，提高了特性温度，增大了600～700℃高温区的冷却速度，而在300℃以下的低温区，由于黏度的增加，致使冷却速度明显下降。

40Cr钢、T8钢在MgCl2水溶液与油、盐水中淬火的淬透性对比见图1-46。从图中可以看出，MgCl2水溶液的冷却能力略低于盐水，而远高于油。

MgCl2水溶液通常使用密度为1.05～1.46g/cm3的饱和水溶液，使用温度为10～60℃，可在静止、搅拌、循环状态下使用。

MgCl2水溶液适用于碳钢、低合金结构钢、弹簧钢等钢种的淬火。

1.5.3.5　碳酸钠水溶液

有无水Na2CO3、一水物Na2CO3·H2O、七水物Na2CO3·7H2O和十水物Na2CO3·10H2O。无水Na2CO3纯品是白色粉末或细粒，密度为2.532g/cm3，工业品俗称纯碱或苏打，含有少量的氯化物、硫酸盐和碳酸氢钠等杂质，易溶于水。碳酸钠在水中的溶解度见表1-28，沸点见表1-29。

20℃的碳酸钠水溶液（质量分数）的冷却能力与其浓度的关系见图1-47。从图1-47中可知，5％Na2CO3水溶液的最大冷速约为1700℃/s，对应的温度为450℃左右，特性温度约为700℃。10％～20％Na2CO3水溶液高温区的冷速较慢，300℃左右冷速最快，约为500℃/s。

1.5.3.6　氢氧化钠水溶液

NaOH俗名烧碱、火碱、苛性钠。纯品为无色透明四方晶系晶体，因常含少许NaCl和Na2CO3而不透明，密度为2.130g/cm3，有片状、块状、粒状和棒状。呈溶液的产品俗名液碱。固碱吸湿性很强，易溶于水，同时强烈放热。

加入5％NaOH，在冷却过程的第一阶段，即蒸汽膜阶段，几乎不存在，所以可看成冷却过程一开始就是沸腾阶段。碱水溶液使工件迅速冷却的原因基本与NaCl溶液相同。此外，由于苛性钠与灼热工件氧化皮相互作用析出氢气，使氧化皮迅速剥落，淬火后工件表面呈银灰色。

苛性钠水溶液有较强的腐蚀性，劳动条件比较差，使用时应注意通风以及其他防护措施。苛性钠水溶液虽然比氯化钠水溶液的冷却性能好，但在生产上的实际应用不如后者广泛，且存在环保问题，还会蜕化变质，因此，每隔一定时期需要一次检验或更换新的溶液。

20％NaOH水溶液的冷却能力与其浓度的关系见图1-48（a），50％NaOH水溶液的冷却能力与其温度的关系见图1-48（b）。

①浓度15％NaOH水溶液最大的冷却速度约为2600℃/s（高于盐水），所对应的温度为560℃左右，特性温度约为750℃，这是由于NaOH结晶后爆破破坏蒸汽膜所致。还可以看出，各种浓度的NaOH水溶液在300℃以下的冷却速度均比水慢，因而是比较理想的淬火介质。

②浓度如超过15％，随着浓度的增加，最大冷速降低，所对应的温度向高温移动，并使300℃以下的冷却速度进一步降低，冷却性能更好。

③溶液温度升高，最大冷速降低，所对应的温度移向低温，并使300℃以下的冷速下降。

④50％NaOH水溶液（质量分数）的冷却性能非常优良，是较为理想的淬火介质，多用于易变形、开裂或形状复杂的工件或工模具的淬火。

碱水溶液的冷却能力，随着温度的升高而下降，碱液温度过高，淬火后易出现软点，通常使用温度控制在60℃以下。

碱水和盐水很相似，在淬火危险温度区域的冷却速度都比较大，应引起注意。

1.5.3.7　水玻璃水溶液

水玻璃又称泡花碱，是一类多硅酸钠产品，有固态水玻璃（Na2O·nSiO2），水合水玻璃（Na2O·nSiO2·mH2O）和无色透明或带浅灰色黏稠状的液态水玻璃。SiO2与Na2O物质的量之比称为模数，水玻璃的性质与模数有关。模数增大，冷速减慢。浓度一定时，黏度随模数的增大而增大；模数一定时，黏度随水玻璃浓度的增大而增大。通常采用的水玻璃的模数为2～3。

水玻璃水溶液和油的冷却曲线比较见图1-49。冷却曲线见图1-50。

从图1-49可以看出，浓度（°Bé）5、10的水玻璃水溶液的冷却能力大于油，浓度（°Bé）15、20、25的水玻璃水溶液的冷却能力小于油，这样，通过调整水玻璃水溶液的浓度来调节冷却速度，可以小于油、大于油、接近于水或大于水。图1-50为40°Bé、模数3.3、含量45％的水玻璃水溶液的冷却速度曲线，可以看出，20℃时的最大冷速为400℃/s，对应的温度为550℃左右，特性温度约为800℃，200℃以下冷速很慢。这是因为工件淬火冷却时，最初形成以水玻璃泡包围的蒸汽膜，其水玻璃结晶粘在工件表面，因此，冷速较慢，有利于减少淬火畸变，随后由于介质所加入的碱和盐爆裂，使蒸汽膜破坏，进入沸腾冷却阶段，冷却加快，冷到300℃以下时工件表面又黏附一层水玻璃膜，使对流阶段的冷却速度下降。显然，冷却性能优良，也是较为理想的淬火介质。

水玻璃水溶液的最佳使用温度为30～65℃，使用温度为20～80℃。使用时应控制浓度（模数2～3，波美度56～40°Bé为宜）。工件淬火后，表面附着的胶状硅酸钠需在热水中清洗。淬火过程中蒸发的气体有点刺激性，有一定的腐蚀作用。

1.5.3.8　三氯水溶液

三氯水溶液淬火介质是由CaCl2、MgCl2、ZnCl2三种氯盐配制而成的溶液，其冷却能力介于水和油之间，其沸点可达300℃，在300～200℃范围内的冷却速度仅为水的1/10～1/8，可有效地控制工件的淬火畸变与开裂，是碳钢和低合金钢较为理想的淬火介质。

三种氯盐按比例配好后，再加入总量1％左右的三乙醇胺。该溶液为半透明的略带黄色的黏性液体。室温下测得其密度为2.70g/cm3左右，运动黏度为9.8×10-6～23.8×10-6m2/s，沸点在300℃以上，温度较低时有结晶析出，当温度高于20℃时，结晶全部回溶。该介质化学性能稳定，不分解、不老化，用酸度计测量其pH值为6.5，呈中性，对环境无污染。

1.5.3.9　硝盐水溶液

硝盐水溶液作为淬火介质在工模具热处理中应用十分普遍，主要有两硝水和三硝水，其配方见表1-30。

上述配方为硝盐的过饱和溶液。与NaCl水溶液情况相似，高温下析出盐的晶体，立即爆炸呈云雾状，起到破坏蒸汽膜、降低蒸汽膜稳定性的作用，三硝水溶液的冷却曲线见图1-51，三硝水溶液与水、油的冷却曲线的比较见图1-52，从图1-52可以看出，过饱和的三硝水溶液，在30～50℃的温度下最大的冷速达410℃/s，对应的温度约为650℃，特性温度约为750℃，在300℃以下低温区域的冷速比水慢得多。它的特点是在高温区的冷速比水快，比油更快，在低温区的冷速介于水和油之间，显然，三硝水溶液的冷却性能优良，是较理想的淬火介质。

在使用三硝水溶液淬火时应注意的问题如下。

①配制三硝水溶液时一般要饱和溶液，否则仍有可能淬裂，对溶液的浓度（密度）要严格控制，对碳钢溶液的密度控制在1.400～1.450g/cm3，对合金钢应控制在1.450～1.500g/cm3为宜，使用温度为20～60℃。

②三硝水溶液静置24h后不用就会沉淀，再用时先搅拌，使之均匀。

③工件在三硝水溶液中淬火冷却至300～200℃（钢的Ms附近区）后，应提至槽外空冷，使其在马氏体转变区转变缓慢，防淬裂效果更好。

④三硝水溶液的冷却速度毕竟是较大的，对有些截面尺寸相差大的工件（如弹簧夹头），还必须采取适当的防淬裂措施，如厚端先淬入或采用石棉绳缠绕或堵塞等。

⑤用盐炉加热时，应注意防止工夹具及未加热的工件溅上硝盐后带入炉中而造成爆溅，还应注意硝盐产生火灾等负面影响。

1.5.3.10　氯化锌-碱水溶液

这种淬火液的配方为（质量分数）：12.25％ZnCl2+12.25％ NaOH+…+74.5％H2O。配制时将氯化锌、苛性钠、肥皂粉放入水中，搅拌均匀呈乳白色液体即可。每次淬火前都要先搅拌均匀，不能有分层和沉淀现象，这种冷却介质的冷却能力在650～550℃区间接近于盐水，在300～200℃区间冷却速度较慢，见图1-53、图1-54，对减少碳钢的变形有显著效果。介质的使用温度为20～60℃。

这种淬火介质已成功应用于45钢、T7A、T8A等形状复杂的重要模具，畸变开裂倾向小。淬后硬度比水淬高出0.5～1.1HRC，这是由于消除屈氏体的缘故。经氯化锌-碱水溶液淬火后，工件获得光亮的表面，故这种介质有光亮淬火介质之称。

1.5.4　水溶性聚合物淬火介质

迄今为止，人们已经掌握了大量的天然气及合成聚合物，但其中作为淬火介质的并不多。在我国实际应用的有聚乙烯醇（PVA）聚醚、聚烷亚基乙二醇（PAG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等数种，目前，使用量最大的是PAG。

水溶性聚合物淬火介质是通过聚合物在工件周围形成聚合物膜来降低冷却速度的，它们的共同特点是：

①聚合物淬火液在各个温度阶段的冷速分布与聚合物膜机理、膜的结构和强度有直接的关系；

②具有较短的蒸汽膜沸腾阶段，且蒸汽膜的破裂较为均匀；

③聚合物膜厚度与冷速呈反比；

④淬火液的浓度与聚合物膜的厚度呈正比，与冷速呈反比；

⑤淬火液的温度与冷速呈反比；

⑥淬火液的相对流速与冷速呈正比。

根据这些特点，人们不仅可以根据工艺要求选择聚合物的类型，而且可以在使用过程中，通过调整聚合物的浓度、温度和流速，在一定程度上调整和控制冷速和冷速分布，达到淬火的预期效果。

聚合物淬火液已成功应用于工模钢淬火，在感应加热淬火上也有应用。

聚合物淬火介质和淬火油相比有如下优点。

①不燃不爆，无需消防管理及其管理费用。

②无油烟、烟雾，无需空气净化设备。

③蒸汽膜均匀破裂，有助于控制畸变开裂。

④在淬火过程中不会生成有害气味和热分解产物，人体健康安全。

⑤外溢和溅出的液体可以用水洗净，清洁环保。

⑥可通过改变浓度调整冷速，热处理工艺性能好。

⑦采用非逆溶性聚合物淬火剂，可实现工件的局部淬火和高温出液，以满足特殊的热处理工艺要求。

⑧对于淬火后需马上回火的工件，可省去中间的清洗工序。

聚合物淬火介质虽有很多优点，但仍有些不足。

①不适合各种密闭式气氛炉（因为水蒸气会破坏炉内气氛）。

②不适用于经盐浴炉加热后工件的淬火。

③成批工件淬火时，工件之间应保持足够的距离。

尽管有上述缺点，但聚合物淬火介质仍然是液体淬火介质的主要发展方向。随着盐浴炉日趋淘汰，选用聚合物作为淬火介质的用户将越来越多。在今后相当长的一段时间内，用水基作淬火介质，尤其是聚合物淬火介质进一步取代油和水将是一个不可逆转的技术和市场发展方向。为此，必须开发新的水基介质，如新的水溶性聚合物或其他无机材料，拓宽可控冷速变化范围，目前，许多产品在理论上都可以达到“从水到油之间的任何冷速”，但在实际应用上，其可控冷速往往只能在靠近水冷速的一个很窄的范围内变化。随着高分子聚合材料及整个材料工业的不断发展，从水基淬火介质的取材上必将提供许多新的机会和可能。除此之外，对于天然以及改性天然高分子聚合物在热处理淬火冷却材料中的应用，也应当给予充分的注意。

（1）聚乙烯醇合成淬火介质　聚乙烯醇为白色到乳白色的粉末或颗粒，由聚乙酸乙烯酯水解而得，密度为1.21～1.31g/cm3，无毒，溶于水。聚乙烯醇合成淬火介质由聚乙烯醇加入少量的防腐剂、防锈剂、消泡剂与水配制而成，商品销售为浓缩液。国产聚乙烯醇浓缩液的配方见表1-31，技术指标见表1-32。

这种淬火剂主要用于钢铁工件表面淬火的喷射冷却或浸入冷却，也可以用于空气炉加热整体淬火冷却；不适用于盐炉加热的淬火冷却；特别适用于碳钢和低合金钢的淬火冷却。

聚乙烯醇合成淬火介质的冷却性能，在静止状态下，不同浓度的聚乙烯醇水溶液与水、油的冷却能力的对比见图1-55；喷射状态下，不同浓度的聚乙烯醇水溶液与水的冷却能力的对比见图1-56。

从图1-55可以看出，26℃浓度为0.1％聚乙烯醇水溶液的最大冷速约为450℃/s，对应的温度约为380℃，特性温度约为550℃，300℃以下的冷却速度比水慢得多；随着浓度的升高，最大冷速下降，但温度向高温方向移动，所以，聚乙烯醇水溶液通过调节浓度，其冷却速度可以接近水，也可以相当于油，也是比较理想的淬火冷却介质。

（2）聚醚水溶液淬火介质　聚醚是由醚或环氧化合物经聚合而成的高分子化合物的总称，聚醚（聚二醇）是环氧乙烷与环氧丙烷的不同配比所得的共聚物。其水溶液有逆溶性，即常温下不完全溶于水，溶解度随着温度的升高而降低，当溶液温度升到某一个临界值时产生浑浊现象，这一温度称为浊点。继续升高温度（通常为70～75℃），聚醚则由水溶液中全部脱溶析出，此温度称为逆溶点。温度降低时又会重新溶解于水。聚醚水溶液的这种逆溶性有利于防止工件淬火开裂和减少畸变。

①聚醚牌号及技术指标。牌号有903、CL-1和CH202等，其技术指标见表1-33。

②聚醚水溶液的冷却特性。聚醚水溶液的浓度在5％～40％之间调整，可得到介于水和油之间的冷却速度，使用温度通常控制在20～45℃。

不同浓度的903聚醚水溶液的冷却曲线见图1-57，不同浓度的CL-1聚醚水溶液的冷却曲线见图1-58，不同浓度的CH2O2聚醚水溶液的冷却曲线见图1-59，10％聚醚水溶液在不同温度下的冷却曲线见图1-60。从以上各图可知，随着聚醚浓度的增大，冷却速度减慢；随着液温的升高，冷却速度降低；10％CH2O2水溶液（图1-59）的冷速峰值略低于水，约为380℃/s，所对应的温度约为500℃，特性温度为750℃左右，300℃以下低温区的冷速比水慢得多，是较理想的淬火介质。

（3）聚醚-乙二醇水溶液淬火介质　将聚醚和乙二醇按一定的配比溶于水，即可配制成不同浓度的聚醚-乙二醇水溶液淬火介质。

聚醚和乙二醇的比例不同，所得到的淬火介质的冷却特性也不同，两者最佳的比例为1:1。此介质浓度越高，冷却速度越低，冷速可在水和油之间调整。与单一的聚醚水溶液相比，工件淬火后可获得均匀的硬度，呈银灰色的光洁表面，成本也比较低。此介质使用浓度（质量分数）为16％～20％，使用温度为20～45℃，可用于低合金钢、碳素工具钢的淬火。不同浓度的聚醚-乙二醇水溶液的淬火冷却曲线见图1-61。

（4）聚丙烯酸盐水溶液淬火介质　聚丙烯酸盐水溶液包括聚丙烯酸钠（PAS）水溶液和聚丙烯酰胺（PAM）水溶液。

①聚丙烯酸钠（PAS）水溶液淬火介质。有PAS-1、PAS-3两个牌号，其技术条件见表1-34。不同浓度的聚丙烯酸钠水溶液的冷却曲线见图1-62（a），不同浓度的聚丙烯酸钠水溶液的冷却性能与水、油的比较见图1-62（b）。

聚丙烯酸钠水溶液的冷却能力与其组成物的分子量、黏度等有很大的关系，一般分子量大，黏度也高。同等浓度的水溶液，由于分子量和黏度的不同，冷却速度也不相同。分子量大、黏度高，其冷却速度比较缓慢；分子量小、黏度低，则冷却速度就快。调整溶液的浓度，可以获得介于水、油之间的最佳冷却速度。

常将聚丙烯酸钠浓缩液稀释成浓度（质量分数）为6％～25％的水溶液，最佳使用温度为20～40℃。分子量为500～3000，浓度（质量分数）为6％～8％时可代替铅浴，用于钢丝强韧化处理；分子量大于10000，浓度（质量分数）为3％的PAS-3水溶液，可取代N15机械油，用于渗碳工件的淬火冷却；分子量小于10000，浓度（质量分数）为10％的PAS-1水溶液，可取代L-AN32全损耗系统油，用于中碳合金钢的淬火冷却；浓度（质量分数）为5％～10％的水溶液可用于低合金钢的淬火冷却；大于10％（质量分数）的溶液可用于中合金钢的淬火冷却；当浓度（质量分数）达到25％时，可用于高速钢工具的淬火。

②聚丙烯酰胺（PAM）水溶液淬火介质。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物（甲基丙烯酰胺、N-取代丙烯酰胺）的均聚物或共聚物（含丙烯酰胺50％以上）的统称。随着聚合物组成的不同，其形态有透明状水溶液、橡胶状弹性体及塑料状固体等；其类型有阴离子、阳离子及非离子等。用作淬火介质的PAM为无色透明的胶状态，单体含量为7％，分子量≥15×104，完全溶于水。由于聚合度和酰胺的不同，其聚合物可以是水溶性的，也可以是油溶性的。聚丙烯酰胺失水后为白色无规则的粉末。将聚丙烯酰胺的胶状体放于容器中，加水溶解，升温至45～60℃，并进行搅拌，可得到黏稠液体；再加入添加剂，就制成了PAM淬火介质浓缩液。常用的两种淬火介质见表1-35。表1-35中PAM1号是比较稀的一种，通常用表中PAM2号淬火剂，采用稀释100倍［浓度（质量分数）为0.5％的水溶液］后使用。水中加入少量聚丙烯酰胺淬火介质，即可显著降低冷却速度，使蒸汽膜冷却阶段延长；加入硝酸盐可促使蒸汽膜冷却阶段缩短，提高高温区的冷却速度；调整PAM的浓度，可获得介于水、油之间的冷却速度。

此介质在使用时，将浓缩液稀释至0.5％～0.7％（质量分数），使用温度为20～45℃，可用于感应加热工件的淬火。

由于PAM水溶液调节浓度可以控制冷却特性，因而它可以适应碳素钢、合金结构钢、低淬透性工具钢的淬火。

（5）聚烷亚基乙二醇（PAG）水溶液淬火介质　聚烷亚基乙二醇（PAG）为中性非离子型聚合物，为环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物，添加防锈剂、消泡剂、杀菌剂和水，形成一种不燃、抗腐蚀、完全溶于水、有浊点、呈逆溶性的淬火介质。

PAG的冷却能力介于水、油之间，调节其浓度，可使其冷却能力接近或稍大于水，或使其冷却能力非常接近于油，可成为以水代油的淬火介质。

PAG淬火介质在国内应用已有近50年的历史，南京科润、深圳好富顾、上海德润宝等公司都有精品供应，在机械行业的应用十分普遍。

PAG的冷却特性受多种因素的影响，其中主要的有浓度、温度和搅拌。PAG具有比其他淬火介质更多的可调整工艺参数，可大大拓宽其使用范围，具有其他介质不可比拟的优势。但是在生产现场必须密切监控各个工艺参数，若超出工艺规范，应适时作出调整。

工具淬火实际上是一个控制加热件热量的传递过程，因此，需根据工件材料及尺寸选择正确的淬火工艺。淬火质量的好坏，其中很关键的因素就是控制工件在不同温度区热量的传递。要求在高温区（650～600℃）要冷得快些，避免先析相的产生及过冷奥氏体的分解。在低温区（300℃左右）的冷却速度要慢些，以降低组织应力，减少淬火畸变、避免开裂。采用PAG淬火剂应控制好六个方面。

①淬火加热温度的确定。不拟选用最高加热温度，拟用中下限。

②淬火介质浓度的选择。PAG淬火介质的冷却速度随浓度的提高而降低，选择的基本原则是：a.工件尺寸小应尽量选择较高的介质浓度，工件尺寸大则可适当降低其浓度；b.多台阶或形状不规则的工件应尽量选择高的介质浓度；c.若工件材料的淬透性较差，可选择冷却速度快的介质及较低的浓度，若工件材料的淬透性较好，则应选择冷却速度慢的介质及高的介质浓度。

③液温的控制。PAG具有逆溶性，即当超过某一温度（通常为70～80℃）时，PAG就会从水中析出；反之，当温度低于此温度时，它又迅速溶入水中，这个温度称为逆溶点。实际生产中应密切注视，将液温严格控制在工艺范围内。

④加强搅拌。对于水溶性淬火介质，搅拌是非常重要的一环。通过搅拌可以获得不同的淬火烈度。首先，搅拌可以缩短冷却过程中的蒸汽膜阶段，提高冷却速度，其结果相当于提高材料的淬透性。再者，搅拌可以提高淬火硬度的均匀性，同时可以延缓介质的老化。

⑤工夹具的选择。工夹具对淬火质量的影响已引起人们足够的重视，在PAG介质淬火中，尤为重要。根据工件的形状尺寸设计专用工夹具，在保证有足够强度的情况下，工夹具应尽可能轻巧，有利于缩短加热时间，降低能耗及成本。

⑥及时出水。为了减少淬火应力，避免淬裂，可采取预冷淬火工艺，降低零件各部分的温差，使一些危险易裂部位的淬火应力得以减小。而且由于奥氏体的亚稳定区冷却缓慢，则延缓了过冷奥氏体的形核过程而使淬硬层增厚，有益于大壁厚零件的生产。预冷的时间有很多经验公式可以借鉴，也可以根据钢的连续冷却曲线并总结本单位的生产实践来确定。

为了有效减小淬火过程的热应力，人们在实践中摸索出“水基-空间隙”的冷却方式，适时出水，然后在空气中续冷。工件在空气中冷却可以使工件表面温度慢慢回升，消除部分淬火应力，从某种意义上讲，有点自回火的味道。若冷却的间隔时间控制得当，可以有效降低内外表面温差，减少淬火应力。

PAG淬火介质的冷却速度比油快得多，在蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段均有所提高，尤其是在沸腾阶段冷速最快，因此，能够有效地避开奥氏体向珠光体、贝氏体的转变，最终得到马氏体和少量的残留奥氏体组织。但是水溶性淬火液的低温冷速比油快得多，正好处在马氏体转变区，这会增加零件的畸变、开裂倾向，因此，对于淬透性好，尺寸较大的工件，必须严格控制出水温度，防止淬裂。

PAG水溶液虽然是比较理想的淬火介质，但一定要注意维护保养，使之长期处于受控的工作状态，采取的措施主要有以下几种。

①适当延长工件淬火冷却后在淬火槽中的停留时间，以利于工件上黏附的聚合物充分溶解。

②对刚出淬火槽的工件要做自来水冲洗，并将清洗用水作为补充水加入淬火槽中（有的淬火件不能立即冲水清洗）。

③加强管理，尽可能减少淬火液的污染。

④有条件的企业自购一台冷却特性测试仪，用冷却特性控制淬火液浓度。

⑤不具备自测冷却特性的单位也要定期取样，送淬火剂生产厂进行冷却特性测试，并用冷却特性仪控制浓度。通常，连续生产时，最多一个季度要进行一次取样测量。

⑥当使用时间较长时，淬火槽污染物积累较多，用析光仪测出的浓度已经相当高，浓度测量和冷却特性控制比较困难，对淬火液进行一次“去污更新”处理，把其中的污染物大部分清除，让其中的有效部分保留下来，充实新液，使用效果与新配制的淬火液相当。

由于不停地使用与污染，PAG淬火液的变化始终不会停止。因此，不管如何使用和维护，都有必要进行整槽的更换。淬火量大，管理不到位，淬火液的寿命就短。相反，淬火量少，或维护管理好，则寿命就长。国外使用PAG淬火介质的单位，为保证热处理工件有稳定的质量，都根据自己的使用特点，规定了必须做整槽更换的时间，多数工厂是一年一换，长者几年才换。

（6）羟乙基纤维素（HEC）水溶液淬火介质　羟乙基纤维素又称羟乙基纤维素醚，是一种分子上的羟基被羟乙氧基取代的纤维素。其水溶液无气味、无毒。淬火冷却能力随浓度的增加而减弱，膜沸腾期较长。温度升高，膜沸腾延长，冷却速度减慢。

当浓度为1％时，其冷却能力与油接近，如在其中加入10％NaCl，则可得到比油更低的冷却能力，用来解决油淬畸变偏大的问题。ф100mm×0.8mm65Mn钢圆薄刀片用此淬火介质，解决了变形问题。在HEC水溶液中加入5％NaCl可以代替淬火油，使用温度不得超过50℃。

1.5.5　淬火油

1.5.5.1　淬火油的性能特点

作为淬火油，性能特点主要表现在冷却性能与化学性能两个方面，前者决定它的冷却能力和冷却特性，后者决定它的使用寿命。

（1）冷却性能特点　把油列入淬火介质，主要是因为在油中淬火，工件畸变和开裂倾向小。油的冷却过程也有三个阶段。油的蒸汽膜是由混合气体组成的，有油的蒸气，还有油中的易挥发物质的气体。如果后者含量多，蒸汽膜的厚度就会增加，因而高温阶段的冷却速度下降。油的蒸汽膜通常在500～600℃崩溃，它比水的蒸汽膜持续的温度范围窄，导致特性温度向高温移动，与最大冷却速度对应的温度也跟着向高温方向移动。水和油冷却能力的比较，如图1-63所示，而温度水在300℃左右。油的密度越大，沸点越高，冷却能力就越大。因为油的沸点比水高得多，这就使油的对流冷却阶段也开始得早些，使得对流阶段的范围变宽。因为这个阶段的冷却速度远远比水低，所以不仅减少了工件表面与心部的温差，降低了热应力，同时又因为以缓慢的冷却速度通过马氏体温度转变区域，大大减小了组织应力，使工件能够通过淬火危险区域。这是油的冷却特性，也是油的主要优点。因此，油作为淬火介质，广泛用于形状复杂的厚薄不均的工件。它可以避免因冷却速度特快引起的变形、开裂。

可是由于油的汽化热、比热容和热导率小以及黏度大等原因，从整个冷却过程来看，它的冷却能力比水小，所以它只适用于合金钢。对于碳钢，由于其过冷奥氏体不稳定，只能淬尺寸较小的工件。

油还有一个特点，就是油的冷却速度受温度的影响比水小得多。据实测，N32油淬时，油温从20℃升高到120℃，最大的冷速只相差50℃/s。

（2）油的化学性能　淬火油接触高温工件、空气或水，其化学性质会发生某种程度的变化，其中与淬火介质使用性能有关的化学性质有热稳定性、氧化稳定性及水解稳定性。

①热稳定性。油与灼热的工件接触时，会发生裂化和聚合反应。发生这种化学变化的过程叫热稳定性。如不发生变化或变化很少则稳定性就好。高温下，难免有些碳氢化合物发生裂化反应，使平均分子量减少而产生一些挥发性较高的物质。另外，不饱和的有机物分子间还可能发生聚合反应，生成分子量较高的树脂状物、焦油、甚至焦炭。在高温下，裂化加聚合可能同时发生。由于和金属及其他催化作用的物质接触，反应的过程会大大加速。所生成的物质和外来杂质（诸如水分和灰粒等）形成一种渣泥状物质——油渣。油渣一部分悬浮在液体中，一部分沉积在油槽底部。当油温升高到某一温度以上时，反应速度变得更快，油的冷却性能下降。

②氧化稳定性。油与空气或其他氧化物发生反应的程度称为氧化稳定性。不易氧化变质的油就是氧化稳定性好。高温下，碳氢化合物中总有些碳键断裂，生成不饱和的自由基。当它和空气或氧化铁接触时，发生氧化反应，生成氧化物或过氧化物。氧化物通常使油的黏度增高，冷却能力降低。氧化物的化学性能一般比裂化反应的产物更加活泼，更容易产生油渣。油温升高会使氧化反应加剧。另外像尘埃、污垢、氧化铁皮和金属屑等杂质又起着催化剂的作用，也会加速油的氧化过程。

③水解稳定性。油遇到水分解变质的程度称为水解稳定性。水在淬火油中大部分沉在油槽底部，但有一部分会像乳浊液一样悬浮着，成为油渣的一个成分，使油的冷却性能变坏。

一般来说，植物油为非饱和碳氢化合物，性质活泼，易氧化变质，可是它的冷却性能好，矿物油基本上属于饱和碳氢化合物，性质比较稳定。

以上讲的是淬火油的优点，它也有缺点：燃点低、易引起火灾；价格贵，成本高；高温区冷却能力低，只适用于合金钢及小件碳钢；容易老化，使用寿命短，有烟雾，危害工人健康，并对周边环境造成污染。工模具钢淬火应尽快淘汰油。

1.5.5.2　植物油

从热处理史上看，最早使用的淬火油是菜籽油和大豆油等一些植物油。它们的冷却能力最高的温度在550℃左右，如图1-64所示，多数植物油在50℃时的冷却能力几乎都比一切矿物油的冷却能力都大。冷却能力最大的温度范围正好对应过冷奥氏体最不稳定的温度区间。油温在比较宽的范围内变化时，冷却速度变化较小。在淬火危险区域内冷却时，速度又比较缓慢，因为明显减少了组织应力。与矿物油相比，植物油是比较理想的淬火介质。但是它们是人民生活的食用油，由于价格高、化学稳定性低、寿命短等原因，如今几乎全被矿物油所取代，只作为改善矿物油冷却性能的添加剂使用。

1.5.5.3　全损耗系统用油

全损耗系统用油（机械油），由“L-AN+数字”表示。数字表示油的黏度值。该油的冷却能力较弱、易老化、氧化。常温下使用的有L-AN15、L-AN22，使用温度为20～80℃，分级淬火应选用闪点较高的L-AN100。全损耗系统用油的冷却特性见表1-36。

1.5.5.4　普通淬火油

普通淬火油为中速淬火油，是在全损耗系统用油中加入抗氧化剂、催冷剂和表面活化剂等添加剂调制而成的，它克服了全损耗系统用油的冷却能力较弱、易氧化和老化的缺点。普通淬火油的闪点较低，使用温度一般为20～80℃。普通淬火油可直接向生产厂家购买，也可以自配。普通淬火油适用于具有一定淬透性的高碳钢、合金结构钢、合金渗碳钢及轴承钢零件的淬火冷却。

普通淬火油的性能指标见表1-37。为了充分发挥普通淬火油的作用，要根据影响油的冷却能力的因素，正确地选择和合理地使用，通常把黏度、温度和搅拌称为影响油冷却能力的三大因素。

（1）黏度的影响　油的黏度大小给油在高温区间与低温区间的冷却能力带来不同的影响，黏度大的油汽化困难并且闪点高，所以介质在冷却过程中有两个转变温度，即特性温度和对流冷却阶段的开始温度，都比黏度小的油高。黏度大的油在高温区间的冷却速度大。但在低温区间，黏度大会减少气泡生成量，降低其逸出速度，阻碍对流传热，会使介质的冷却能力降低，因此，油的黏度越大，在低温区间的冷却能力越低。

由此可以得出结论：黏度大的油在高温区间的冷却速度大；黏度小的油在低温区间的冷却速度大。

（2）温度的影响　黏度大的油与黏度小的油比较，黏度小的油受温度的影响较大。生产中常把油温升高再淬火，一般在60～80℃具有最好的冷却性能。在这个温度范围内，既可降低油的黏度，提高其冷却性能，又不会使油过早老化。油温过高，氧化加速，烟雾增大，黏度下降，寿命降低，油温高到接近闪点还有引起火灾的危险。

黏度大的油（如汽缸油），由于特性温度高，闪点高，在高温区的冷却能力比较高，在中、低温区域的冷却能力比较低，所以允许在更高温度（120～140℃）下使用，它可以用于分级淬火和等温淬火。

（3）搅拌的影响　实践证明，搅拌能很好地改善油的冷却能力，同时也可避免局部油温过高。流动地冲刷工件表面，使油的蒸汽膜提前破坏，增大了前两个阶段的冷却速度。这使得冷却过程中的两个转折点变得不明显，工件得到均匀冷却。搅拌对冷却的第三阶段影响较小，因为这时油已与工件全面接触。淬火油的黏度越小，流速的影响越大。

1.5.5.5　快速淬火油

加入效果更高的催冷剂，可制成快速淬火油。首先选定一种油作为基础油，然后加入各种适量的添加剂，用以提高其冷却性能。

（1）基础油的选择原则　配制快速淬火油的关键问题是选择好合适的基础添加剂。选择基础油通常考虑以下几点：①基础油黏度要小，流动性好，以利于对流传热；②黏度指数高或黏度比较小，即油的黏度随温度的变动而改变的幅度比较小；③油品的馏分组成应当较窄，开口闪点较高，以保证在使用过程中不会引起火灾和较大的安全性；④油品的热氧化稳定性要好，不易氧化变质，使用寿命长；⑤对添加剂感受性要好，精制程度较深，最好采用由溶剂脱蜡、精制的机械润滑油类。选用哪种油作为基础油，除考虑上述条件外，还要考虑货源难易、成本高低及使用条件等。

（2）催冷剂　快速淬火油添加剂通常分为两类：催冷剂和抗氧化剂。催冷剂在基础油中起破坏油蒸汽膜的作用，增加油对金属的湿润性。分散于油中的催冷剂，遇到高温工件后受热分解。其分解产物灰分沉积在工件表面上，增加了形成气泡的核心，加剧了沸腾过程，从而提高了冷却速度。在专利和文献中提到的催冷剂有聚异丁烯、异乙烯聚合物、无灰分散剂、萜烯聚合树脂、氧茚聚合物、石油磺酸盐、石油丙烷精制残渣、氧化沥青和煤焦油等。国内实际使用的有石油磺酸盐、硫磷化聚异丁烯钡盐和烯基丁二酰胺等。

（3）抗氧化剂　油经长期使用后，黏度升高、出现油渣、冷却能力下降，即发生所谓的老化现象。其原因正如前面所述，油与灼热的工件表面接触，产生热分解与热聚合；油温升高以后，在与空气接触过程中加速氧化与聚合反应；工件带入油中的盐类、污物或氧化皮起着催化剂的作用，也加速油的氧化与聚合。随着使用条件的不同，上述原因的某一方面可能是主要的。例如，油温愈高，氧化进行得愈快，所以氧化是主要的，而在中性或还原性气氛中，油热分解过程是主要的。在一般的淬火油槽中，氧化、聚合和分解可能同时发生。在矿物油中，轻质油比重质油寿命长。

通常使用的抗氧化剂有2，6-二叔丁基对甲酚、3，5-二叔丁基四羟基苯甲烷和二烷基二硫代磷酸锌。加入抗氧化剂后，其抗氧化能力比基础油提高3～5倍。

1.5.5.6　光亮淬火油

油受热“裂解”形成的树脂状物质和灰分黏附在工件表面，将影响到加热后淬火工件的表面光亮度。应该尽可能用一定馏分切割的石油产品作为基础油，而不用全损耗系统用油。以石蜡质原油炼制的矿物油作为基础油比苯酚质原油炼制的基础油性能稳定，工件淬火光亮效果好。一般认为低黏度的油光亮度比高黏度的油好，用溶剂精炼法比用硫酸精炼法精制的油光亮度好。生成聚合物和树脂越少，残炭越少，硫分越少，油的光亮性越好。在基础油中加入催化剂可制成快速光亮淬火油，常用的光亮添加剂见表1-38。

1.5.5.7　真空淬火油

真空淬火是在低于大气压力的条件下进行的。要求淬火油：不易蒸发，饱和蒸气压低，足够的冷却速度，保证淬火硬度，不易污染炉膛，不影响真空炉的真空度。工件淬火后表面光亮度高，油的热稳定性好。

真空淬火油是用石蜡基润滑油馏分，经溶剂脱蜡、溶剂精制、白土处理及真空蒸馏、真空脱气后，加入催冷剂、光亮剂和抗氧化剂等配制而成的。国产1号真空淬火油、2号真空淬火油的性能见表1-39。

用ф8mm×24mm银棒测得不同真空度下1号、2号真空淬火油的冷却曲线，见图1-65、图1-66。

1.5.5.8　分级淬火油和等温淬火油

分级淬火油和等温淬火油的使用温度为100～250℃，应具有闪点高、挥发性小、氧化安定性好等特点。例如国产的DF2-S淬火油闪点为260℃，可用于100～150℃分级淬火；QF2-A淬火油的闪点为280℃，可用于150～200℃分级淬火或等温淬火。

分级淬火油、等温淬火油、快速光亮淬火油、快速淬火油及真空淬火油在不同温度静止时的冷却特性见表1-40。

1.5.5.9　淬火油缺陷

即使选择正确的淬火油，在使用过程中也会产生这样那样的问题。常见的，对生产造成明显影响的主要缺陷有以下四种。

（1）冷却速度下降　多数与催冷剂的质量有关。

如前所述，蒸汽膜破裂的温度的高低，是靠某种高分子聚合物来调节的，如果高分子聚合物的分子链结构不合理或热稳定性不好，都将造成淬火油的冷却速度在短期内下降。

（2）淬火油抗氧化能力低　基础油的化学结构、精制程度、抗氧化剂的种类和添加剂量都对淬火油的抗热氧化能力构成直接影响。淬火油黏度上升，流动性下降；胶质和油泥黏附在工件表面。这两种现象不仅造成冷速下降，而且使光亮性恶化，对工件的腐蚀性增强，直至淬火油报废。如果长期超温服役，这种现象尤为严重。

（3）光亮性恶化　强调光亮性的淬火油一般是在保护气氛或真空条件下使用的。造成淬火油光亮性恶化的因素有三种：选用的光亮剂不合理或加入量不足；淬火油被氧化后，氧化物对工件和光亮剂的污染；基础油质量低下。外界因素也有影响：整个系统密封不严，有空气进入；炉内裂解的保护气氛中炭黑含量高（裂解温度低或滴注量过大），对淬火油造成严重污染；油中水分超过0.3％，亦会使光亮性下降。

（4）泡沫多　有的光亮剂，如咪唑啉油酸盐，在反应不完全时本身就具有起泡性；淬火油中水分受热汽化或搅拌过于剧烈，都会产生大量的泡沫。

对使用的淬火油进行可追溯性的管理是一项重要的工作。纵观国内一些热处理企业，对淬火油的管理基本上是被动式的，即出现淬火质量问题，才对淬火油进行会诊。这不太合理。正确的方法是从新油进厂就化验建档，投入使用后，定期进行主要项目的分析，再根据指标变化情况，及时调整净化，甚至更换整槽油品。这种主动的、规范化的管理模式可避免淬火油缺陷进一步演变成淬火缺陷，对保证淬火质量、减少损失是十分必要的。

1.5.6　分级淬火、等温淬火用盐浴或碱浴淬火介质

此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。通常在高温区冷却速度快，在低温区冷却速度慢。适用于形状复杂、截面尺寸变化悬殊的工具、模具等的分级淬火或等温淬火，以减少畸变和开裂。介质的成分、工件与热浴的温差以及热浴的流动程度是影响其冷却能力的主要因素。由于盐浴对环境有污染，应尽量限制使用，并切实采用有力措施，治理盐浴“三废”，做到达标排放，造福人类。

这类淬火介质应具备如下特点：

①所配热浴熔点应比工作温度低，以保证淬火介质在工作状态下有良好的流动性；

②热浴具有较小的黏度，以减少工件的带出损失；

③不易老化、不腐蚀工件；

④在工作状态下不产生大量蒸气，以减少有害气体对环境的污染。

等温淬火和分级淬火的常用盐浴为硝盐浴和氯化盐低温盐浴。硝酸盐（KNO3、NaNO3）和亚硝酸盐（KNO2、NaNO2）以不同的比例配比，即可得到不同熔点的硝盐浴。图1-67为KNO3-NaNO3-KNO2-NaNO2系熔化曲线。

在硝盐浴中加入少量水，可以显著提高冷却能力，改变工件的冷却过程。含水量3％以上时有沸腾现象，含水量少时无此现象。图1-68表明在170℃时，55％KNO3+45％NaNO2盐浴的含水量与通入压缩空气对冷却速度的影响。不同浴温下的含水量对冷却速度的影响见图1-69。

工模具在盐浴中淬火可以获得较高的硬度和较小的畸变，不易开裂。盐浴淬火的缺点是易于老化，对工件有轻微氧化及腐蚀作用。使用时会将氯化盐带入到硝盐中，将使硝盐浴的黏度增加，应定期捞渣和补充新盐。往硝盐浴中添加的水应在低于150℃时通过插入盐浴的铁管导入，以防飞溅。禁止用石墨或铸铁坩埚作为容器，以免发生爆炸。氯化盐低温盐浴常用高速钢、高合金钢分级淬火，其成分和使用温度见表1-41。

表1-41中序号4的配方是目前高速钢刀具的主要冷却剂，冷却曲线见图1-70。

各种成分硝盐的冷却曲线见图1-71。硝盐浴熔点越低，流动性越好，对流和传导性能也越好；所以冷却能力也越强。如图1-72所示，曲线1硝盐的熔点为130℃，曲线2硝盐的熔点为100℃，由图1-72可以明显地看到后者的冷却能力比前者强。同一成分的盐浴，随着使用温度的降低，使得介质与工件间的温差增大，这就能增大对流和传导的速度，其结果表现为介质的冷却能力增强，见图1-73。

以上简述了各种不同配比的盐浴在不同温度下的冷却特性，以前也有用碱浴的。碱浴有较大的冷却能力，应用广。工件加热若未氧化淬入碱浴可得到银灰色的洁净表面。常用的淬火碱浴有三种：①65％KOH+35％NaOH，熔点为155℃，使用温度为170～300℃；②80％KOH+20％NaOH，另加6％H2O，熔点为130℃，使用温度为150～250℃；③85％KOH+15％NaOH，另加3％H2O，熔点为140℃，使用温度为160～250℃。碱浴蒸气有较强的腐蚀性，对人的皮肤有伤害，应注意通风和采取防护措施。

碱和盐的混合液也可以作为淬火介质，也就是人们常说的发蓝淬火剂。用它进行发蓝淬火，不但可使工件畸变量减小，而且可使工件表面生成蓝色或褐色的氧化膜，光亮美观，还具有一定的防锈能力。适用于形状复杂，要求畸变量小的碳素工具钢、弹簧钢和其他一些低合金钢工具的淬火。常用的碱和盐混合浴的成分及使用温度见表1-42，不同成分的碱、盐浴冷却速度曲线见图1-74。

浴中的盐、碱含量的比例应适当控制，NaNO2对氧化膜的生成和质量有很大的影响。其含量提高，将使氧化膜变薄，抗锈蚀能力减弱。含量降低，膜将变厚，且疏松而易剥落。NaOH含量增高，将生成红色的含水氧化铁沉积在工件表面上；含量降低则浴温不能升高，达不到需要的工艺温度，膜薄而色泽变浅。

1.5.7　气体淬火介质

高淬透钢种工件，奥氏体化后在静止的空气中或吹风冷却就可以得到马氏体组织，工件截面较大或为了得到更深的马氏体淬硬层，可使用压缩空气喷嘴高速吹向工件，如9SiCr、CrWMn、65Mn等低合金钢小零件，可采用速度为20～40m/s的压缩空气，在700℃和200℃时的冷却速度与N32机械油接近，采用带喷嘴的压缩空气介质，容易实现工件局部冷却或分区冷却，满足工艺要求，例如需要内孔强化，可单独冷却内孔，操作方便。

气体的冷却能力与气体的种类、气体的压力、流速有关（见图1-75、表1-42）。

（1）常压下的气淬　对于Cr12系列高淬透性的合金工具钢、高速钢，可以在空气中吹风淬硬。为了提高冷却速度，可将简单模具放在平整的钢板上，并在上方置一风扇吹风冷却，使工件工作面达到高硬度且畸变很小。厚度小于50mm的凹模可以淬硬，厚度更大者需放在通水的铜板上淬硬。

（2）高压气淬　由于模具工业的迅猛发展，真空加热与高压气淬越来越多。工件在真空炉中加热后，为了获得所需要的淬火组织，采用高压气体喷射冷却的热处理技术正在迅速发展。常用的冷却气体有N2、He、H2和Ar，其导热能力如表1-43、图1-75和图1-76所示。H2的导热能力最好，但与空气混合后易发生爆炸，安全性能差，在1050℃以上还会引起钢的脱碳，其推广使用受到限制。而N2的冷却效果虽然差些，但安全、便宜，故使用广泛。

多层工件密集装炉时，高压气淬很难达到油淬的冷却效果，采用流速在10～200m/s范围变化的高速气流喷嘴可显著地提高气淬的冷却能力。为了确保工件冷却的均匀性，还必须考虑合理的淬火室结构、喷嘴的布置、工件的装夹方式、压力等。

热处理用气体的技术条件见表1-44。

N2的资源丰富，成本低，在略低于大气压下进行强制循环，冷却能力可提高20倍。氮在200～1200℃范围内，对常用钢材呈惰性状态；但在某些特殊情况下，如对不锈钢等易呈一定的活性，需更换气源。

（3）热等静压件的高压气淬　气体介质的换热系数随压力的提高而不断增高。100～200MPa的惰性气体具有相当高的冷却能力，因此，对于一些需要采用热等静压方法制备的工件，可以采用热等静压制备后在100～200MPa气体中淬火的方法。工件冷却均匀，淬火畸变很小，表面整洁，对环境无污染。

1.5.8　悬浮粒子淬火介质

悬浮固体粒子的载体可以是气体（空气、氮气），也可以是液体（水）或者水加空气。

（1）固-气流态化淬火介质（流态床淬火介质）　流态床由气流和悬浮的固体颗料构成。在带有细孔格板的淬火冷却槽中，放入金属或非金属的细小颗粒（也可加入适量的水），再通入压缩空气，吹动固态微粒使其呈悬浮状，形成流态，加热后的工件可以随意淬入其中进行冷却。选用不同的固体微粒，调整压缩空气的流量和流速，控制流态床的温度和深度等，可调节其冷却能力，且调节范围很宽。流态床的冷却能力介于空气和油之间，接近于油；具有冷却均匀、腐蚀性小、无爆炸危险等优点；且工件淬火变形小、表面光洁；适用于淬透性好、形状复杂的小型合金钢件的淬火。

根据组成流态物质的不同，流态床可分为气固流态床和气液固流态床两种，其组成及冷却能力见表1-45。

流态床淬火介质可以通过调整液固比值和压缩空气的流量来控制流态床的冷却能力。通常，在液固比值一定的情况下，通过改变气体流量的方法可以方便地调整冷却速度。因此，流态床对于实现程序控制冷却非常方便。常用流态床的冷却曲线如图1-77所示，流态床与常用淬火介质冷却曲线的比较见图1-78。

（2）固-液-气流态的淬火介质　在槽中盛有固体微粒和水，当压缩空气通过有孔的底板时产生小气泡，使固体微粒层湍动而形成流态，流态床中的液体与固体微粒之比可以在（5:1）～（10:1）之间。改变液固比值及压缩空气的流量，可调节流态床的冷却能力。增加水含量可提高冷却速度，使工件淬火后得到较高的硬度。适合于工模具的淬火。

1.5.9　浆状淬火介质

浆状淬火介质是在水（或其他液体）中加入质量比例达20％以上的不溶解的固体粉末，并经搅拌而成的悬浊液，也简称为浆液。这种介质的冷却特性是，蒸汽膜冷却阶段可以持续到相当低的温度，而后的沸腾阶段的冷却速度又远比自来水相同温度的冷却速度低。这种介质的冷却特性可以在一定范围内调整，当处于静止状态时，浆状介质的冷却速度大致可以降低到风冷和油冷之间，这正好填补了常用冷却介质中，冷却速度低于普通机械油而又快于风冷中间的空白。浆状淬火介质不会燃烧，淬火时无烟雾，淬火后工件一般不清洗或用清水稍做冲洗就十分干净。使用中除补充一些水外，浆状介质几乎没有什么消耗。浆状介质节能环保，可以直接排放，不污染环境。

前几年曾有人介绍过的泥巴淬火剂就属于此类。细粒黏土，尤其是重质黏土都可以选用。对新取的黏土，需做一次烘烧，以去除其中的草根、石粒等杂质，然后将黏土打成细粉，最后过筛，选用黏度适合的部分作为配制浆状介质的粉体材料，按20％～50％（质量分数）配制。粉状含量过低，冷却的蒸汽膜阶段过短，得不到低于普通机油的冷却速度。若粉状含量过高，流动性差，不利于使用。

配制浆状介质的方法很简单，按质量比备料，在槽子中通过搅拌混合成浆就可使用。浆状介质的应用如下。

①要求高中温阶段冷却缓慢的高合金钢的淬火冷却，例如，高速钢、冷作模具钢等材料制作的工件。具体操作中工件进入沸腾冷却阶段之前必须从浆液中提出。

②对某些种类的高合金钢，浆状介质可以作为分级冷却的替代品，而得到简化操作并减少畸变的效果。

③用水淬-浆液冷却代替水淬-油冷。

④结构钢的快速正火，为了获得既好又均匀的淬火组织，应当推广等温正火的方法，传统的风冷正火冷速不够快，且均匀性欠佳，加热后工件投入浆液中冷却能提高正火质量。

1.5.10　用金属板散热冷却淬火

这种工艺方法适用于淬透性很高的合金工具钢，简单易行，效果甚佳，但生产效率低，不适合批量生产，只有在特殊情况下被迫使用。

为适应节能环保的要求，矿物油并不符合工模具钢的淬火要求，迟早被淘汰。但由于习惯势力的影响，它将持续被运用，为减少它对环境的危害，要规范化管理、再生处理、配方改进；植物油基的生态淬火油、聚合物水基淬火介质和流态床介质，具有优良的冷却性能和良好的环境界面，今后将会有长足的进步。硝盐浴是减少零件畸变、获得良好组合的等温分级淬火介质，水溶液在碳钢工具淬火上相当成功。硝盐淬火介质虽然有一些缺点，但它仍是工具热处理主要的淬火介质之一。只要盐浴炉不淘汰，氯化盐浴还是高速钢刀具淬火分级用盐；用真空淬火，高压气淬是方向。究竟采用何种淬火介质，不可能千篇一律，应各取所需，既要节能环保，更要工件寿命长。