淬火冷却技术发展概况

一、淬火冷却技术发展概况

淬火冷却技术作为热处理工艺过程的重要组成部分，自始至终伴随着热处理技术的发展而不断进步。但是，由于冷却过程的复杂性和瞬间完成的特点，加之测量仪器和研究手段的局限，而使其研究水平和控制水平滞后于热处理的加热过程。近些年来，随着测量技术、计算水平、重视程度以及对淬火质量的要求不断提高，在淬火冷却过程机制研究、过程模拟、控制冷却、新型淬火方法、新型淬火介质、淬火介质评价以及冷却技术标准制订等领域取得了显著的进展。

1．淬火冷却过程计算机模拟技术

20世纪70年代末，ASM组织(淬火冷却委员会)已经把计算机数值模拟作为现代热处理技术的一个重要组成部分，并把它作为保持竞争力的重要手段。Kobasko通过模拟给出了淬火件获得最大表面压应力的时间，解决了汽车半轴用40钢代替40CrNi2Mo钢强烈淬火获得最大表面压应力的淬火工艺问题。

上海交通大学在20世纪90年代中期完成了国家自然科学基金资助的“界面条件剧变的淬火冷却过程计算机模拟与淬火工艺CAD”项目，实现了形状复杂的工件在复杂的淬火操作过程中，温度场、相变、应力/应变的模拟。例如:卡爪淬火冷却时温度场十分复杂，由于厚薄相差悬殊，温差很大，淬火时容易开裂，需要采用预冷→水淬→油冷或预冷→水淬→自回火等复杂的操作方法。在相继进行的不同冷却阶段中，表面换热系数相差几个数量级，只有采用界面换热条件剧变的处理方法，才能较好地模拟卡爪的淬火冷却过程，才能正确地预测淬火后的组织分布和性能分布。试验表明，模拟结果与实测结果基本相符，在生产应用中收到了避免淬火开裂、合格率达到100%的效果。此外，清华大学、大连理工大学等在淬火冷却过程计算机模拟方面也都进行了大量的研究工作。

实际工件的淬火冷却是一个十分复杂的过程，涉及到温度场、相变场、应力/应变场和流体场的瞬间变化和交互影响。在计算机模拟中，要全面考虑温度变化引起的应力和应变、相变的体积效应、相变塑性、应力对相变动力学的影响、物性参数随温度的变化、介质的动态特性和湿润过程等多种因素的影响。因此，获得与实际情况相吻合的物性参数和边界条件是模拟的前提。虽然，与淬火冷却过程计算机模拟相关的基础理论研究工作近些年来发展很快，但是，模拟工作仍是一个不断完善、基础数据的测试与积累和与实际工件对比修正的过程。尽管许多模拟与实际还存在较大的误差，但模拟与必要的实际工件测试或热物理过程模拟相结合，可成为研究淬火冷却机制和制订工艺参数的有效决策工具。

2．磁场淬火技术

磁场淬火是将淬火工件，浸入到有稳定磁场或强脉冲磁场作用下的淬火介质中冷却的工艺方法。

磁场作为一种新型的冷物理场，在材料研究领域得到了日益广泛的重视，研究物质在强冷物理场中的各种性质变化已成为一项崭新的研究课题。磁场作用的实质是一种能量的传递过程，与传统的能量场(如温度场、应力场等)类似。但与传统的能量场相比，磁场的作用机制有所不同，磁场是通过影响物质中电子运动状态使相变发生变化的。

20世纪30年代，Kelsall首先指出磁场对软磁材料的热处理及处理后的磁性能有影响。在以后的20多年时间里，物理学者们对这种影响及其机制进行了深入的探讨，并成功地推出了用于改善软磁材料磁性的磁场热处理方法。在磁场的作用下，用于改善各种金属材料力学性能的热处理方法称为磁场热处理，此法于1959年由美国RDCA公司的总冶金师Bassett最先提出，故称为贝氏法。

从20世纪60年代起，我国研究人员就开始了磁场淬火的研究，先后有近20篇的论文发表于各种杂志上。综合国内外学者们的理论研究与实验，磁场淬火有如下特点。

(1)磁场淬火可促进奥氏体向马氏体转变，使M s点提高，残余奥氏体量减少，并细化马氏体组织。

(2)磁场淬火能使马氏体嵌镶块碎化并形成明显的织构，采用交变纵向磁化、提高含碳量或提高磁场强度，都能提高磁场淬火的效果。

(3)在磁场中淬火冷却会使CCT曲线左移，降低过冷奥氏体的稳定性。

(4)在脉冲磁场等温淬火条件下，也会降低过冷奥氏体的稳定性，但会促进过冷奥氏体向贝氏体转变，可缩短等温时间。

(5)磁场淬火可降低淬火形成的组织应力，有利于减少淬火畸变与开裂。

(6)磁场淬火可提高钢和铸铁的力学性能。

从现有的资料看，磁场淬火工艺方法可应用于碳素结构钢、碳素工具钢、合金钢及铸铁，而应用于铸铁的效果更为明显。

磁场淬火具有重要的理论和应用价值，随着理论研究的深入及设备制造水平的提高，相信磁场淬火这项热处理工艺将在工业生产中得到更广泛的应用。

3．流态床淬火技术

自20世纪60年代起，流态床开始引入热处理生产，作为加热或冷却设备。近20年，流态床淬火冷却技术已越来越受到热处理工作者的重视，对流态床的冷却特性和机制进行了大量的研究，并已在铝合金和钢铁热处理的淬火冷却中得到应用，解决了一些特殊零件在传统工艺中所出现的畸变和开裂的问题，并成功地用于代替铅浴进行钢丝强韧化处理。

已有研究表明:淬火件在流态床中冷却，其畸变仅是油淬的1/3左右，工件处理后不需清洗，表面光洁;作为淬火介质，流态床没有着火、爆炸、老化、腐蚀等问题，且冷却能力在一定范围内稳定可调。然而，它存在着一个严重的不足，就是在过冷奥氏体不稳定区的冷速较慢，这就限制了一部分钢种及大尺寸工件的淬火。为此，围绕强化它对工件高温阶段的冷却能力开展了较多的工作。实验表明，在保证流化质量良好的情况下，调整流化气体的压力和流量、流动粒子的种类和大小、流态床的结构和尺寸均不能明显改变流态床的冷却能力。采用对流态床微量喷水和利用循环液氮降低床层温度的办法，可使高温阶段的冷速提高10%～20%，但同时带来结构复杂、操作和控制难度增加、成本较高等不利因素。江苏理工大学程晓农教授研制出半导体致冷流态床，使床层温度稳定在－30℃，与室温床相比冷却能力提高了20%以上，冷速大于40% 903聚醚淬火液50%左右，略低于淬火油。用于7CrSiMnMoV钢制弹簧片成型凸模，硬度为HRC65，比油淬高HRC1～2，畸变量最大仅为0.004mm，为油淬时1/3左右，表面光洁，使用寿命比油淬提高近8倍左右。

4．强烈淬火技术(Intensive Quenching)

强烈淬火技术最早是在1964年由Ковазко博士发现和提出的。1992年，乌克兰科学院工程热物理研究所的H.N.Koбcko院士研究开发出一种可避免开裂、减少畸变的钢材和钢件强烈淬火技术。强裂淬火技术是采用高速搅拌或高压喷射或CaCl₂水溶液或液氮中进行快速冷却，当工件的表面层形成最大压应力时，强烈淬火过程停止，随后进行等温冷却。

强烈淬火技术的优点如下。

(1)与油淬的零件相比，使用寿命提高3～4倍。

(2)可用低成本的碳钢或低合金钢替代中、高合金钢。

(3)可用水或水溶性介质替代油。

(4)工艺稳定，易于实现自动化生产。

目前，强烈淬火技术在汽车半轴、链轮、轴承圈、紧固件、销轴和模具上得到了应用。

5．控制冷却技术

控制冷却技术是指通过对淬火件的淬火冷却条件(如介质流速、介质温度等)的研究，控制其中的相关因素而得到所要求的组织及性能的技术。随着计算机技术的发展，以及控制技术与计算机的紧密结合，淬火冷却过程正向可控方向发展。

S.W.Han等人提出了控制浸淬系统ITQS(Immersion Time Quenching System)。该系统的核心是通过控制搅拌的速度和方向来实现在淬火开始阶段增大淬火烈度，以获得高硬度，当工件温度达到M s点区域时，减低淬火烈度以减小工件的畸变和开裂倾向。结果表明，该系统对于减小工件畸变的效果明显。ITQS系统成功的关键是精确地确定初始冷却阶段(ARI)的冷却时间，其方法是通过计算或试验测量得出获得一定淬硬层所要求的H因子(相当于淬火烈度)，然后再查相应的表，确定ARI所需要的时间。ITQS系统与传统的实时淬火方法的差别在于，前者改变搅拌速度的时间次序是由理论计算，并经试验验证的，然后用计算机控制使其在生产实际中重现;而后者则采用反复试验的方法，其成功与否是由操作者决定的，重现性较差。

控制冷却技术所用淬火介质可以用油或者水溶性聚合物，控制技术的关键是确定达到M s点的时间。

应用实例。直径为1100mm、模数8mm的齿轮毛坯，进行调质处理。材料为40CrMoA钢。淬火加热温度为850℃，采用配有可变调速的介质搅拌系统的淬火油槽进行控制冷却，然后在560℃回火。经计算得出，M s= 308℃，达到M s点的时间为467s，淬火烈度值H= 0.42，M s是以前的搅拌器转速为400r/ min。测试结果为R_m986～1007MPa，R_p0.2869～913MPa，A₅19.4%～20.2，Z 64.7%～66.0%，α_K137～141J/cm²，HBS291～294。性能满足了技术要求，避免了淬火开裂和严重的淬火畸变。

目前，控制冷却技术在国外已得到了较为广泛的应用，取得了明显的效果，该技术在国内也开始采用，可以说，控制冷却技术是今后浸液淬火发展的主导方向。

6．超声波淬火技术

超声波淬火是将淬火工件投入具有超声波振动的淬火槽内冷却的工艺方法。淬火时，由于超声波对淬火介质的“空化”作用，强化了淬火介质的冷却过程，提高了淬火烈度和冷却均匀性。同时，工件的淬火硬度和淬硬层深度也得到了提高，并适用于一些常规方法不能实现的某些材料的淬火。它是近年来发展起来的一种淬火新技术。

用于超声波淬火的介质为水和油，此外，超声波对乳浊液淬火介质的冷却特性也有较大的影响。如氯化钠水溶液与变压器油混合而成的乳浊液，在超声波的作用下，可以使乳浊液中的质点弥散度提高，无须添加活性剂，能使介质冷却特性加强而且稳定。

由于超声波淬火是一种使淬火冷却过程得到强化的淬火，因此，它主要应用于必须加强冷却的各种材质零件的淬火，即那些需要提高淬火硬度和淬硬层深度零件的淬火。

7．变烈度淬火技术

此法是通过对工件在淬火槽中的滑道内外提供不同介质流速的办法，使淬火件在M s点以上获得较快的冷却速度，在M s点以下冷却速度降低。该办法对解决某些材料标准件的水淬开裂，油淬力学性能达不到要求的问题有明显的效果。

8．膨胀流淬火技术

该方法是被处理的工件在经过连续炉完成加热工艺过程后，热工件的淬火冷却过程不是下落到淬火介质中，而是将淬火介质提升到热工件高度实现淬火冷却。该方法消除了淬火工件在转移或下落过程中产生的冲击力，达到了减小畸变的目的。国外轴承制造业已开始采用该方法进行轴承圈的淬火。