淺談大型鑄鍛件淬火冷卻介質的選擇

劉紅梅

摘 要：文章通過分析大型鑄鍛件熱處理材料成分、結構特征、一般技術要求等，針對熱處理行業常用淬火介質水、油、新型有機淬火介質等各自優缺點，結合生產實際提出了型鑄鍛件熱處理淬火冷卻介質的選擇原則，以供制定工藝參考。

關鍵詞：大型鑄鍛件；熱處理；淬火介質

中圖分類號：TG154.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0089-02

1 概 述

大型鑄鍛件是發展電力、船舶、冶金、石化、重型機械和國防等工業的基礎和保證，是國家工業制造水平的重要標志之一，通常安全性要求較高，制造技術難度大。眾所周知，合理、科學的熱處理是零件獲得良好性能的前提，冷卻作為熱處理工藝和生產的重要控制環節，其重要性更不言而喻了，它關乎工件相轉變時間、組織狀態、晶粒度等能否按照工藝預期順利實現，直接影響材料微觀組織和宏觀性能，因此一直是熱處理生產關注的重點。特別是對于大型鑄鍛件，因其淬火冷卻要求高、技術難度大，就更顯冷卻的關鍵?？刂拼慊鹄鋮s技術的核心是根據選擇工件具體情況和技術要求選擇適合的淬火介質。所謂合適的淬火介質既要滿足零件熱處理性能要求，又要保證工件無過大變形、開裂，同時對環境影響較小，并要兼顧經濟性。因此，針對大型鑄鍛件結構及技術要求等合理選擇淬火介質對于提高其熱處理質量有重要意義，而大型鑄鍛件多為非標準件，結構特殊，尺寸較大，技術要求較高，不同于常規機械零件熱處理，目前，鮮有關于這方面研究報道。本文重點探討大型鑄鍛件淬火冷卻介質的選擇。

2 大型鑄鍛件淬火冷卻的特點

大型鑄鍛件大多為標準件，結構和尺寸一般較為龐大，有時一個零件就有幾噸，在熱處理基本理論方面與中小件無本質區別，但正因為其尺寸大，質量效應凸顯，因此在具體熱處理技術實現方面表現出與小件完全不同的特點，如經常出現小件不易發生或易于消除的晶粒粗大、混晶、殘余應力過大、回火脆性明顯等問題；同時大型鑄鍛件多為重型裝備關鍵零部件，大多受力環境復雜，服役條件惡劣，因此對力學性能要求大都較常規產品高，這些都對熱處理工藝提出了挑戰，往往不能用處理小件的常規方法進行簡單處理，最明顯的就是淬火冷卻效果完全不同于常規機械零件。這是因為隨著大型鑄鍛件的尺寸和重量的增加，有效厚度也隨之增加，工件傳熱和冷卻過程自然會變慢，特別是在淬火冷卻過程中，工件實際獲得的冷卻速度相對小件會大大降低，同樣冷卻方式下與小件相轉變過程甚至會完全不同，故而按照常規熱處理制度往往達不到目標熱處理效果和預期組織和性能，如某材質小件采用較為緩和的油冷淬火就能完全滿足技術要求，但同樣材質零件有效尺寸增大到一定程度時，要達到相同的技術要求，采用油冷就不能達到相同的技術要求，即使采用較為激烈的水冷淬火也未必能完全達到相同技術要求。

對于大型鑄鍛件，如果淬火介質選擇不當，常出現淬火效果差，達不到技術要求，或者零件變形超差、開裂、表面硬度低和淬硬層較淺等問題。為了減輕大型鑄鍛件質量效應的不利影響，通過采用添加較多Cr、Mo、Ni、Mn等提高淬透性的合金元素，但對于尺寸過大的結構件，這種方法作用也十分有限。生產實踐中，比較通用與實用的是改進工藝方法，如淬火冷卻采用水空水間歇交替冷卻、噴淬代替水淬油冷或油冷淬火。雖然這樣可能會在一定程度上解決問題，但熱處理工藝要求較高，極易引起工件的畸變和開裂，因為隨著大型鑄鍛件的尺寸增加，成分偏析、非金屬夾雜缺陷概率會增加，再加上相變潛熱的影響，在加熱和冷卻過程中產生的應力較大，這些因素都極大地增加了工件冷卻過程中的風險。

3 淬火介質冷卻的特性

大型鑄件熱處理大多使用具有物態變化的淬火介質，這類介質冷卻在工件淬火時通常有3個階段，蒸汽膜階段、沸騰冷卻階段、對流冷卻階，每種淬火介質上述三個階段的冷卻速度、黏度等都不相同，同種介質也會隨溫度、介質流速、工件表面狀態等因素變化而變化，這正是介質冷卻特性差異的本質，也是選擇和使用介質的依據。

3.1 水

水成本低廉、安全清潔、冷卻速度快，是最古老的淬水介質，但通常它的蒸汽膜階段較長，沸騰冷卻階段和對流階段發生的溫度較低，且對流階段冷卻速度過大，一般在在250～

350 ℃范圍，對大多數鋼而言，正是其馬氏體轉變溫度區間，馬氏體轉變區冷卻速度過大，較容易引起變形和開裂。

另外，水的冷卻特性對水溫變化太敏感，冷卻效果隨水溫升高變化較為明顯，對于大工件極容易出現冷卻不均勻的情況，工件表層出現軟點。通過往水中加入各種無機鹽、堿或其混合物，可以形成各種不同的無機物水溶液。無機水溶液可以提高工件在高溫區的冷速，改善冷卻均勻性，使鋼件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開裂和變形，但鹽水淬火更易生銹，同時堿類溶液淬火不易控制，容易灼傷操作者，易產生有害氣體，危害工人的健康。

3.2 油

礦物油作為淬火介質，具有粘度低、抗氧化性、使用壽命長和熱穩定性好等優點，在機械行業普遍應用，它的蒸汽膜階段比水稍短些，沸騰冷卻階段冷卻速度比水慢，但對流冷卻階段冷卻速度比水慢，冷卻較為緩和，因此有利于減輕工件變形和開裂風險。與水相比，其在一定溫度范圍內，通常是40～85 ℃范圍內，其冷卻特性變化不大。

但它冷卻能力與水相比有限，僅能用在淬透性好、工件壁厚不大、形狀復雜、要求淬火變形小的場合。同時，它閃點較低，在淬火過程中易產生濃煙甚至誘發火災，對環境壓力較大。另外，在高、中溫區冷卻速度過慢，對低淬透性鋼件淬火后易出現硬度不足、淬硬層深度淺等弊病。

此外，長期使用過程中易出現酸化、黏度變化、冷卻能力下降等。

3.3 新型淬火介質

目前，比較流行的是各種新型淬火介質主要是水基淬火介質，新型水溶性淬火劑大多屬有機聚合物系，因其聚合物種類不同而有PAG類、PSA類等種類，它們大多是被加到自來水中配成淬火液來使用，目的在于降低水的低溫冷卻速度。

通過對濃度、溫度和攪拌程度的控制，可以在一定范圍內改變上述冷卻三個階段各階段的發生溫度、冷卻速度，進而獲得最適合工件冷卻要求的介質，可彌補水油冷卻特性方面的不足，進而更好適應工件淬火技術要求，以滿足某些特殊場合的使用，另外，它在一定溫度范圍內，冷卻能力變化不大，可適應批量生產和大件淬火，可有效避免和減輕工件軟點區，提高質量穩定性。同時，生產中相對環保，無淬火油煙排放，對工件及淬火設備腐蝕相對很小，淬后工件無需后序清洗；但是維護和使用相對麻煩，易滋生微生物需要定期檢測和維護，盡量減輕老化和變質問題。

關于新型淬火介質的應用已有很多研究，但在大型鑄件淬火時大批量使用這些介質尚有太多報道，一是由于大型鑄件工藝復雜，目前不能精確掌握工件淬火時內部組織及應力狀態變化，又因其制造成本高，新型介質在這方面的應用研究還沒全面展開，因此工藝改革難度較大，但新型淬火介質的優勢明顯。

4 淬火介質的選擇原則

簡而言之，最理想的淬火介質是在鋼的Ms點溫度以上冷得快些，冷到Ms點以下后冷得慢些，但目前為止，還沒有那種介質能做到如此，因此必須根據零件具體特點和要求綜合考慮。一般而言，主要結合材料化學成分、結構特點、技術要求綜合考慮。

化學成分影響鋼的相變點位置、相變區大小、轉變曲線的移動，是工藝制定的重要參考和工藝風險評估的重要依據。如通常含碳量和合金量越高，過冷奧氏體約穩定，即鋼淬透性越好，但同時如果冷卻不當，開裂風險也越大，對于大型鑄鍛件更是如此，因此中溫階段應選擇冷卻速度較慢的介質。而到了低溫階段，即略高于Ms點溫度附近溫度區間，對于過大工件選擇冷速更慢的介質有益于減小淬火應力，有時甚至需要空冷或爐中空冷。又如，有些鋼因某個元素含量變化，其冷卻轉變曲線會受到明顯影響，這些必須引起注意。

結構主要包括形狀和尺寸因素，有效尺寸過大的工件結合材料淬透性等，考慮選擇淬火介質應當有較快的低溫冷卻速度，水等。形狀復雜的工件盡量選擇蒸汽膜階段較短而冷卻速度又較快的淬火介質，以防止變形超差，可以考慮合適的有機淬火介質。另外，一般而言，變形要求小的，淬火冷卻中必須有較窄的冷卻速度帶；而允許的變形較大，可以有較寬的冷卻速度帶。

技術要求主要指取樣位置，性能要求等級，通常同種材料，要求等級不同，淬火介質選擇就有很大差異，尺寸較大工件取樣位置不同，應考慮淬硬層深度，全面權衡。如水冷大工件易于出現質量波動，取樣結果可能會不穩定。

在實際生產中，大型鑄鍛件淬火往往綜合具體要求及工件特點等因素，靈活采用水、油、或二者結合，或水空間歇等淬火生產，但隨著淬火介質理論和實踐的不斷豐富和數值仿真技術的發展，工藝研究者們將會更加科學靈活選用淬火介質，最大程度地滿足工件淬火冷卻要求，提高工件性能。

5 結 語

大型鑄鍛件熱處理淬火介質的選擇應依據材料成分、結構特點及技術要求綜合考慮，選擇最符合工藝冷卻要求的介質。

隨著數值仿真技術和淬火介質理論的不斷完善，大型鑄鍛件熱處理淬火介質的選擇將更加科學、靈活。

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