二、气体淬火介质
1．空气淬火介质
高淬透性钢种(马氏体类钢)工件，奥氏体化后在静止空气中冷却或吹风冷却也可以获得马氏体组织，工件截面较大或为了得到更深的马氏体层，可使用压缩空气喷嘴高速吹向工件。如20CrNi3A、30CrMnSiA、40Cr、65Mn、9SiCr等低合金钢小型件，采用速度为20～40m/s的压缩空气介质淬火可代替油淬，畸变及开裂倾向减少。速度为20～40m/s的压缩空气在700℃及200℃时的冷却速度与N32机械油接近。采用压缩空气介质(用喷嘴)，可容易实现工件局部冷却或分区冷却，满足工艺要求，例如需求内孔强化可单独冷却内孔，操作方便。
2．真空炉高压气淬用气体介质
真空气淬的冷速与气体种类、气体压力、流速、炉子结构及装炉状况有关。可供使用的冷却气体有氩、氦、氢、氮。它们在100℃时的某些物理特性见表2－101，技术要求见表2－102。
表2－101 各种冷却气体的物理特性(100℃时)
表2－102 热处理用气体技术要求(JB/T 7530—1994)
续表
注:①在15℃，大于11.8MPa条件下测定。
②包含微量惰性气体氦、氩、氖。
③液态氮不规定水含量。
与相同条件下的空气传热速度相比较，以空气为1，则氮为0.99，氩为0.70，氢为7，氦为6，见图2－109。
图2－109 氢、氦、氮、氩的相对冷却性能
在任何压强下，氢都具有最大的热传导能力及最大的冷却速度，氢可以应用于装有石墨元件的真空炉，但对含碳量高的钢种，在冷却过程的高温阶段(1050℃以上)有可能造成轻微脱碳，对高强度钢有造成氢脆的危险。因此，人们不太愿意用它。
冷却速度仅次于氢的是惰性气体氦。空气中φ(He)仅为0.0005%，一般在天然气［φ(He)=1%～2%，高的达7%～8%］液化过程中制取氦比氮的价格可高至上百倍。只有在某些场合下必须用氦，在经济上也合理的特殊情况下才使用它。
氩的冷却能力比空气低，它在大气中的体积分数为0.93%，用压缩空气使之液化，精馏而来的氩成本较高。所以，只在必要时作为氮的代用气体使用。
氮的资源丰富，成本低，在略低于大气压下进行强制循环，冷却强度可上升约20倍。它是使用安全、冶金损害小的中性气体。在200～1200℃温度范围内，对常用钢材氮呈惰性状态;在某些特殊条件下，如对易吸气并与气体反应的钛锆及其合金，一些镍基合金、高强钢、不锈钢等，易呈现一定活性，需使用其他气体。
氮中含氧［如φ(O2)为0.001%以上］可使高温下的钢轻微氧化、脱碳。因而，一般常规所使用的高纯氮气纯度为99.999%(相对露点－62℃，相应于真空度1.33Pa)。鉴于高纯度氮价格昂贵，有时在无特殊要求情况下，可以用普通氮气。实践证明，这对产品表面状态并无明显损害。工业用普氮的纯度一般为99.9%(O2＜0.1%，露点－30℃)。氧气站提供的氮气，氧的体积分数可达1.5%且有较多的水，因此，必须在净化后使用。
在气体淬火中，若只考虑对流传热，按牛顿公式，则传热量为
Q= K(tw－tf) F(kJ/h)
可见，Q与固体温度(tw)和气体温度(tf)之差(tw－tf)以及工件表面积大小(F)成正比。在特定的工艺和装炉量下，后两者基本是固定的。这时，对流传热系数K的变化，将与传热量Q(亦可理解为冷却速度)成正比变化。对流传热系数K是气体热导率λ、黏滞系数η、流速ω、密度ρ(亦可视为气压)的函数，即
式中: d为工件直径; C为因雷诺系数范围不同而异的常数; m为幂指数，在所讨论范围内是0.62～0.805。
从此公式看出，提高冷却气体的密度(压力)和流速，可以成正比地加大对流传热效率，这是提高真空炉气冷速度的重要手段。
图2－110及图2－111给出了冷却气体的压力与冷却时间(亦可理解为冷却速度)的关系。
提高气体的流速可以提高其冷却速度。例如，静止空气的冷却烈度H=0.008，激烈搅拌的空气H= 0.20，这是由于流速增大和气流的紊流程度加大，可使边界层减薄，热阻下降，因而传热系数增大的结果。例如，当气体流速从10.2m/s提高到50.8m/s时(一般情况下不大于25m/s)，氮、氢(氧)、氦的对流传热系数将提高3倍。
真空高压气淬的淬硬能力见表2－103。
图2－110 气压对冷却速度的影响
1．0.66m3/s 2．0.566m3/s
图2－111 冷却气压力和冷却时间的关系
真空气淬的冷却能力也可用热交换系数来衡量，见表2－104。
表2－104 真空气淬的冷却能力
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