純水淬火及其應用

安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 （馬鞍山 243131） 趙步青

中國兵器工業第五九研究所（重慶 400039） 胡慶華

水是最古老的淬火冷卻介質，“清水淬其鋒”流傳至今。由于水源豐富、價格低廉、節能環保，所以在諸多淬火冷卻介質中，水仍有很強的競爭力。在某些特殊領域，淬火冷卻介質非水莫屬。在很長一段時期，誤認為水是淬裂元兇則有失公允。淬裂與否不是水之過，而是人之錯，淬裂是冷卻不均勻造成的。同樣的45鋼圓棒常規水淬易淬，而感應加熱噴水就不會裂。以下簡介筆者及同仁從事水淬及水冷的經驗體會，有點局限性，僅供參考。

一、水的物理化學性能

水是自然界中物理化學性質最穩定的物質之一，其物理化學性能見表1。

表1 水的物理化學性能

二、水的冷卻特性

試驗用φ20mm銀球作為探頭，加熱至800℃，分別淬入靜止的水和循環（流動速度250mm/s）水中，測得的冷卻特性曲線如圖1所示。

圖1 水的冷卻速度曲線

（1）20℃靜止水的特性溫度約為380℃，從800～380℃為蒸汽膜階段，平均冷卻速度約為180℃/s，380～100℃為沸騰階段，平均冷卻速度為200℃/s，最大冷卻速度約為780℃/s，最大冷卻速度對應的溫度約為280℃，在100℃時的冷卻速度約70℃/s。

（2）與油相比，水的冷卻速度較快，見圖2（試樣為φ20mm的銀球，移動速度為25cm/s）。從圖2可以看出，在600℃時，水的冷卻速度約是油的6倍，而在200℃時，是油的28倍。

（3）水的特性溫度低（≈380℃），冷卻三個階段的溫度與鋼材的過冷奧氏體等溫轉變圖不相吻合。碳鋼的過冷奧氏體的最不穩定區域大多在650～500℃，這時冷卻水正處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快，致使截面較大的碳鋼件表面硬度不足或淬硬層太淺。在馬氏體轉變區水的冷卻速度極大，因而對形狀較復雜的工件易淬裂、畸變。

圖2 20℃水和50℃3號錠子油的冷卻速度與試樣中心溫度的關系

（4）水溫對冷卻能力影響很大。水溫升高，冷卻能力急劇下降，特別是高溫區，例如當水溫從20℃升高到40℃時，在600℃時的銀球冷速降低了1半，而在300℃以下時冷卻速度下降得較少。不同溫度水的冷卻特性曲線如圖3、圖4所示。其中特性溫度（Tvp）、最大冷卻速度（vmax）隨水溫的變化如圖5、圖6所示。合理利用水溫的變化能起到以水代油的效果，南京科潤工業介質公司曾作74℃水、L-AN32油、硝鹽水溶液（25%NaNO3+25%NaNO2+50%H2O）冷卻性能對比，結果見表2。

圖3 不同溫度水的冷卻曲線

圖4 不同溫度水的冷卻速度曲線

圖5 Tvp和Tmax隨水的溫度的變化曲線

圖6 vmax隨水的溫度變化曲線

表2 74℃水、L-AN32油、硝鹽水溶液冷卻性能對比

80℃的自來水和L-AN32機械油的冷卻曲線見圖7。水在不同溫度下冷卻性能及冷卻強度H值見表3。

圖7 80℃水和L-AN32機械油冷卻特性曲線

表3 不同溫度水的冷卻特性及冷卻強度H值

在ISO 9950標準中沒有自來水的冷卻性能數據，因為該標準原用于油，在研究水基淬火冷卻介質時，卻使用該標準，因此研究確定自來水的冷卻性能也十分必要。30℃的自來水冷卻性能見表4，最大冷卻速度在不同的文獻中相差很大，在630～530℃之間，有些試驗者得出應在550℃左右（530～570℃）。

表4 30℃自來水的冷卻性能

（5）工件在水中運動或水作循環，可使蒸汽膜提前破裂而進入沸騰快冷階段，可以有效地提高工件在高溫階段的冷卻速度，并可改善冷卻的不均勻性，例如20℃的循環水可使靜止水的平均冷卻速度由180℃/s提高到360℃/s，并使特性溫度和最大冷卻速度均有所提高。

由于冷卻是一個復雜的過程，應該指出的是，水中含有氣體或不溶或微溶的少量物質，都會引起冷卻性能的降低。因為水中的氣體和這些外來的質點都能作為形成蒸汽的核心，加速蒸汽膜的形成且會增加膜的穩定性，淬火時易形成軟點軟塊。若水中含有鹽、堿等有機或無機可溶性物質時，其冷卻能力反而提高。還應該強調，各地區水質不同，其冷卻性能也有差別。從以上分析不難看出，純水作為熱處理淬火冷卻介質，其優缺點均很突出，因此我們要揚長避短，使其為人類造福，為熱處理增效。

三、在熱處理中的應用實例

1.45鋼沸水淬火代替調質

45鋼的淬透性較差，自來水淬火的臨界直徑為10～15mm，鹽水冷卻也不超過25mm。工件的尺寸超過臨界直徑，如調質肯定不盡如人意，尺寸越大，調質效果越差，故一般較大截面工件調質處理時，沿截面會得到不均勻的組織。為了改善鋼的調質效果，一般采用提高加熱溫度或選用劇烈的淬火冷卻介質，前者會引起氧化脫碳，且能耗增大；后者易引起淬火畸變與開裂。因此，對于大型45鋼工件往往采用正火作為最終的熱處理，但正火除冷卻速度慢外，還要受到環境、氣溫、溫度的影響，使硬度不易受控，質量實難保證。

國內有人用尺寸為φ50m m×150m m、φ70mm×210mm、φ80mm×210mm，wC為0.46%的45鋼作沸水淬火試驗，加熱溫度為840℃，淬入沸水中，沿其1/2長度橫截面上過中心區域均勻分布的3條直線上測定硬度，結果令人滿意。

（1）大截面45鋼工件在沸水中淬火，沿整個截面的硬度和組織分布是均勻的，由于水溫始終保持100℃，因而受淬火工件力學性能不受環境和季節的影響。

（2）45鋼在74～100℃的水中冷卻時，隨著水溫的降低，珠光體量增加且片間距變小，因而其強度增加，塑性及韌性基本保持不變。

（3）沸水淬火可以代替普通正火，如作為最終的熱處理，淬火溫度應下降15～20℃。

（4）根據工件尺寸等具體情況，適當調整水溫，45鋼大截面工件沸水淬火完全可以代替普通的調質處理，從而節約成本，縮短生產周期，符合節能減排大方向。

（5）試樣尺寸從φ50mm增至φ80mm，淬火表面硬度由245.5HBW降至243HBW，差值不到0.5HRC。心部硬度與表面硬度相差值也不足1HRC。

2.軋制木工麻花鉆水淬

將軋制與熱處理相結合的軋制木工麻花鉆很有競爭力，它省去幾道工序，有些企業運用自如，取得很好的效益，但也有不少企業在失敗中掙扎。其關鍵是控制好水溫，均勻冷卻。

3.改善高速工具鋼鏟削性能新工藝——沸水淬火

高速工具鋼均以退火態供貨，其硬度多在207～255HBW，這么低的硬度在鏟削加工時，齒面難以達到Ra≤3.2μm的表面粗糙度值。為了提高鏟削性能，國內一般工具廠均采用不完全淬火+高溫回火的調質工藝，將硬度控制在36～42HRC。實施這一工藝生產中常發生一些問題：一是硬度不均勻，粘在工件上的殘鹽影響冷卻速度而產生軟點；二是很難將硬度控制在工藝范圍內；三是清洗費時，生產成本高。而沸水淬火只要選好加熱溫度、控制水爆時間就能達到滿意效果，而且水爆后無需回火，節能增效。

4.煤釬流動水淬火

打蜂窩煤煤釬用45鋼制造，按常規鹽浴淬火，畸變大且時有開裂，而采用半快速加熱，淬入流動的自來水，節能環保。

加熱溫度為875～880℃，φ14mm煤釬，每掛24件，加熱時間由原7.5min縮短至2.5min，效率提高2倍，節電，變形小，淬火工件80%以上不用校直，彎者趁熱很容易校直，300～320℃×1h硝鹽回火，硬度50～52HRC，使用情況良好，極少折斷，壽命較常規處理提高8～10倍。

5.高速工具鋼車刀、直柄麻花鉆沸水爆鹽

高速工具鋼車刀、直柄麻花鉆分級或等溫淬火后一般都要冷到室溫再進行清洗和校直，國內有些單位進行沸水爆鹽嘗試，收到了很好的效果。具體操作為：淬火刀具經500～620℃分級后立即浸入74℃以上的熱水中爆鹽1～2s，不必擔心爆裂，從圖3可以看出，沸水的冷卻速度比油還慢。經水爆后刀具表面光潔，便于趁熱校直，一舉多得。

6.接柄刀具清水淬柄

接柄刀具柄部材料多為45鋼，采用920～950℃快速加熱，淬入流動的自來水，效果很好，不過要嚴格控制水溫和出水溫度。

7.65Mn鋼卡瓦熱水爆鹽+油冷淬火

某工廠所用的大型卡瓦（又稱彈簧夾頭），材料為65Mn鋼，水淬變形大，油淬頭部又不易淬硬，為此試用熱水爆鹽+油冷淬火，取得了很好的效果。操作工藝如下：820～840℃鹽浴加熱，首先淬入80～85℃熱水中爆鹽，接著轉入35～50℃的L-AN32油中冷卻。

經上述處理，卡瓦頭部硬度在61～62HRC，使用壽命提高數倍。

8.高錳鋼水韌處理

高錳鋼是一種常用的耐磨鋼，它不但具有高的耐磨性，而且還有很高的韌性，因而在工業上得到廣泛的應用，尤其在冶金、礦山、建筑、鐵道及農機等機械制造業中常用來作耐沖擊、耐磨損件。

高錳鋼鑄件中常出現較粗大的鑄態組織，這種組織會降低鋼的塑性，增加熱脆和冷裂的傾向，鑄件澆注的溫度越高，這種傾向越明顯。由于高錳鋼鑄件不能用常規的熱處理方法使晶粒細化，因此，必須采取水韌處理。

高錳鋼的水韌處理是通過水淬的方式來實現的，但水淬后不得回火，否則碳化物析出后會嚴重降低鋼的韌性，碳化物在高錳鋼中溶解的極限溫度約1000℃，加熱溫度過高會引起晶粒劇烈長大，因此常用的淬火溫度選用1050～1100℃。如緩慢冷卻時，低于820℃才開始析出碳化物，所以高錳鋼鑄件淬火前的表面溫度不應低于950℃（從打開爐門到入水時間越快越好）。水冷至室溫出爐空冷。

9.軸承鋼雙細化處理——沸水淬火

雙細化處理工藝是一種使碳化物和晶粒均得到細化的預處理工藝，具體操作如下：工件約850℃停鍛后立即投入沸水中淬火（冷卻速度25～30℃/s），工件冷至500～400℃出水空冷，然后（730～740）℃×（3～4）h后出爐空冷，得到均勻分布的點狀珠光體+細粒狀珠光體，硬度207～229HBW，碳化物顆粒細小，粒度≤0.6μm。

10.鑲軋機械刀片淬自來水

刃鋼為中低合金工具鋼、基體為低碳鋼的鑲軋機械刀片，在箱式保護氣氛爐中加熱后，直接淬入流動的自來水中（2013年3月筆者在日本參觀現場時親眼所見）。此技術的關鍵是控制水溫和刀片出水的溫度。由于刀體低碳鋼的塑性變形可以減小刃鋼馬氏體相變的應力作用，所以刀片水淬也不會開裂，節能環保，經濟效益好。

11.感應加熱、火焰加熱噴水淬火

碳素鋼軸類工件和齒輪等感應淬火、火焰淬火冷卻多用循環的自來水噴冷，控制好電參數、水溫等均可收到很好的效果。此技術沿用已久，日臻完善。

12.鑄造碳鋼的調質水淬

鑄造碳鋼件調質水淬應用較普通，例如，ZG270－500，850～830℃水淬，300～400℃回火，364～440HBW；ZG310－570℃，810～830℃水淬，440～460℃回火，硬度約為 269HBW。

13.農機具及五金工具水淬

碳鋼及部分彈簧鋼制農機具及五金工具常采用水淬火，此舉的難度在于設計好專用夾具、裝夾量及出水溫度，極少數單位在水中放入微量溶劑，以提高冷卻性能。

14.鋁合金水淬處理

經過各種加工變形的熱處理強化鋁合金半成品，它們的強度都不太高，必須通過淬火時效工步，使強化相溶入固溶體，隨后快速水冷，使固溶體的過飽和狀態保留至室溫，以獲得所需的強化效果。鋁合金水淬應根據工件的復雜程度控制好水溫，小件或形狀簡單件水溫＜40℃，形狀復雜件水溫40～50℃；大型復雜件淬火水溫可提高到50～80℃甚至更高一點溫度。

值得提醒注意的是，鋁合金淬火必須動作迅速，不得拖泥帶水，有效厚度越小的工件，從出爐到入水時間越短越好。成批工件同時淬火，轉移時間不應超過20s，一般工件不得超過15s，薄壁工件不應超過10s，鑄件在水中的冷卻一般不少于5min。

15.銅合金固溶處理

為提高銅合金的強度和硬度，常采用固溶時效強化處理。銅合金固溶處理的目的是獲得均勻的過飽和固溶體，作為時效前預備組織，通過隨后的時效處理來取得強化效果。鈹青銅、硅青銅等銅合金固溶處理后可提高塑性，便于進行冷變形加工，而像復雜的鋁青銅經固溶激冷后可獲得馬氏體組織。

銅合金固溶處理溫度必須嚴格控制。溫度過高會致使合金晶粒粗大，嚴重氧化或過燒，材質變脆；溫度過低，固溶不充分，又會影響隨后的時效強化，爐溫誤差應精確控制在±5℃，對于某一固定成分的產品，控溫精度越高越好。冷卻的水溫控制更為嚴格，一般為±3℃。

16.真空水淬

有色金屬、耐熱合金、鈦合金及碳鋼需在水中激冷，真空加熱完畢后工件在幾秒鐘內淬入循環水中。真空水淬，節能環保，運用得當，效益可觀。

市場上已提供有WZSC、HZSC等型號的雙室水淬真空爐，用戶可根據情況選擇。

17.高速工具鋼盤條退火爆火

將正常退火處理后的盤條加熱至Ac1以下的某一溫度，保溫一段時間后快速爆火冷卻至室溫，有研究報道，高速工具鋼正常的退火工藝后增加爆水工藝，可以明顯改善盤條的冷拉塑性，有利于拉拔的順利進行。國內某公司施行的工藝為：M2鋼盤條880℃×2h→爐冷至760℃×5h→爆水。試驗表明：經爆水處理的盤條，其抗拉強度、硬度和正常等溫球化退火相當，但塑性指標有了較大提高，其中斷面收縮率提高了37%。

18.鋼材快速軟化的方法——水退火

水淬火是碳鋼硬化常用的工藝方法，廣為人知，而水退火則不多見。水退火是不完全退火的一種特殊形式，在急于進行作業或以軟化達到機械切削加工為目的時它是很好的快速軟化方法。

水退火是在水中急冷而軟化，關鍵是退火加熱溫度比相變點低約100℃，加熱10min以上，然后投入水中急冷1～2min，都能使硬度下降至30HRC以下（即使原來硬度≥60HRC）。水退火非常適用于單件小批量生產，加熱宜用鹽浴爐，采用流動的自來水冷卻。

19.其他工件水淬處理

以鎂、鈦、鎳、鈷、鉬等為基的時效強化合金或奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼，以及部分馬氏體不銹鋼，為了改善其鑄態或鍛態的強化相不均勻分布，降低硬度提高塑性，提高耐蝕性以及導電性等，或為后續的時效過程作組織準備，均需加熱到一定的高溫，使強化相全部或大部分溶入固溶體，并調整晶粒尺寸，然后以較快的速度淬入清水。根據合金牌號及工件尺寸確定正確的淬水工藝參數。

綜上所述，各行各業離不開水，水在熱處理中的地位非常重要，我們要傳遞正能量，管好用好水冷卻介質。

（20131101）