浆状淬火介质

五、浆状淬火介质

浆状介质是在水(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，浆状介质总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油而又快于普通风冷中间的空白。浆状介质不燃烧，淬火时无烟气，淬火后的工件一般可不清洗或只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。浆状介质可以直接排放，不污染环境。

图2－125　在不同浓度的水溶性塑料水溶液中淬火，喷嘴位于淬火表面上面200mm时，传热系数α与表面温度的关系曲线(曲线旁的数字为不同的浓度)

实线:试验压力为24.5×10⁴ Pa;

虚线:试验压力为14.7×10⁴ Pa。

1．浆状介质的组成和特性

这里所说的浆状介质是由液体和在其中的不溶解的固体粉末混合而成的悬浊液。可用的液体首选自来水，也可以用矿物油或其他液体。可选用的固体粉末的材料应当有很高的化学稳定性，保证在使用过程中不发生化学变化。在使用过程中，这些粉末的颗粒应当不会互相粘连，且也不会粘连到钢件和所接触的容器和管道上。同时要求粉体材料价廉，且不污染环境。

细粒黏土，尤其是重质黏土都可以选用。对新取的黏土，需作一次烘烧，以去除其中的草根等有机杂质。然后将黏土打成细粉。最后是过筛，选用粒度适合的部分作为配制浆状介质的粉体材料。为保证粒度均匀稳定，在没有合适黏土粉体材料时，也可以采用滑石粉等。

浆状介质中粉体材料的量(按质量分数计)通常在20%～60%。粉末含量过低，冷却的蒸汽膜阶段过短，得不到低于普通机油的冷却速度。粉末含量过高，浆状介质的流动性差，不利于使用。

配制浆状介质的办法很简单，按质量比备料，在槽子中通过搅拌混合成浆状就成了。可以用液体比重仪测量和控制浆状介质的固体粉末含量。

混合好的浆状介质是选定的液体中不溶固体颗粒的悬浊液。液体是它的分散介质，不溶颗粒是它的分散相。悬浊液不同于真溶液，也不同于胶体。悬浊液中分散相颗粒的大小一般在10^－7～10^－3mm范围内。胶体中分散相微粒大小在10^－9～10^－7 mm;而真溶液溶解的是溶质的分子。真溶液和胶体都是透明而稳定的，而悬浊液则是不透明而易分层的。悬浊液中的固体颗粒是通过搅拌而悬浮起来的。颗粒比较细时，悬浊液分层慢些。

固体颗粒的质量分数比不太高时，悬浊液有较好的流动性，可以通过泵和管道输送。这一特点使悬浊液可以像油和水一样做搅动、循环加热或冷却。由于它的分散介质是水，循环冷却中也就不会像熔融盐那样发生凝固而堵塞管路。

2．浆状介质的冷却特性

(1)在浆状介质中冷却。

观察炽热钢件在浆状介质中的冷却过程，我们能够看到的状况是:浸入介质后，钢件冷却的初期，浆状介质表面会显得很平静。如果钢件上部露在介质外，此时在浆状介质与炽热钢件相接触部位，可以看到介质完全不能浸润钢件，钢件是被一层气体包围着的。在这一阶段把钢件从浆状介质中提出来，钢件会非常干净，表面完全不会带粉末污迹。一旦发现有气体从介质表面突然冲出，这一阶段就结束了。

从有气体冲出起就进入了在浆状介质中冷却的第二阶段。从表面看，气体冲出与玉米面糊糊沸腾时的状况很相似。气体冲出一旦开始就迅速加剧、经过最激烈的冲气沸腾后，冲出的气体逐渐减少，直至停止冲气。在这一阶段把钢件提出，工件会有介质粉末带出。

冲气停止后，继续冷却钢件，介质表面又归于平静。这时提出钢件，看到的将是沾满粉末浆的表面。由于配制浆状介质用的固体颗粒不会相互粘连，也不会粘连到钢件表面，用少量的水一冲，就能将附在表面的粉浆冲掉。

图2－126是典型浆状介质的冷却特性曲线，可以用它来介绍在浆状介质中冷却的特点。

图2－126　浆状介质的冷却特性曲线(介质温度20℃，未搅动)

图2－126的冷却特性与普通的淬火油、自来水和水溶性淬火液的冷却特性有很大差异。其特点是:蒸汽膜冷却阶段从高温延伸到约400℃，随后进入沸腾冷却阶段，最后在100℃附近进入对流冷却阶段。其蒸汽膜阶段的冷却速度不高，且是随钢件的温度降低而逐渐减慢的。沸腾开始后，冷却速度再增大。图中沸腾的最大冷却速度出现在300℃附近，但最大冷却速度只有35℃/s，仍然远低于相同条件下在自来水中淬火时的300℃冷却速度(大约90℃/s)。沸腾期结束后，进入冷却的对流阶段。由于浆液流动性差，其对流阶段的冷却速度也低于自来水的对流阶段的冷却速度。

图2－126所示的冷却特性曲线上，有几个指标可以说明它的特征。首要指标是蒸汽膜阶段与沸腾阶段交界点的温度，即蒸汽膜阶段的长度;第二是蒸汽膜阶段的冷却速度大小;第三是沸腾阶段的最高冷却速度及其对应的温度。

和上面外观描述的状况相对照，图2－126中的蒸汽膜阶段对应的是冷却初期比较平静的阶段，沸腾阶段对应的是从浆状介质中冲出气体的阶段，而对流阶段对应的是停止冲出气体后继续冷却的阶段。

(2)特殊冷却特性的成因。

和自来水或油中冷却相比，在浆状介质中冷却，其特点是:蒸汽膜阶段特别长，蒸汽膜阶段的冷却速度更快，沸腾阶段的冷却速度比自来水慢。可以认为，这种特殊性是由以下几方面的原因引起的。

①浆状介质的流动性差，对流散热速度慢，这将使蒸汽膜更稳定，并使沸腾阶段的冷却速度降低。

②蒸汽膜冷却阶段，来自工件的热辐射在浆液层受到固体颗粒的反射和遮挡，使辐射加热层的温差加大，且被加热层变薄。这些都有稳定蒸汽膜的作用。

③形成蒸汽膜失去水分后，包围蒸汽膜的浆液表面层浓度会增高。浓度增高引起的遮挡作用增大，并使表层黏度增大而流动性更差。这也有稳定蒸汽膜的作用。

④由于固体粉末的存在，单位体积中水的量必然比单纯自来水少。由于固体粉末材料的比热远小于水，使单位体积的热容比水低。这样，在蒸汽膜阶段和沸腾阶段，受到工件接触加热和辐射加热的浆液的温度容易升高，蒸汽膜阶段会更稳定，沸腾阶段的冷却速度会更低。

⑤浆液的密度也大于水，在相同介质深度上，浆液的压强必然高于水和水溶液。压强高，水沸腾温度会有所提高，水汽化就更困难些。因压强大的原因，在蒸汽膜阶段，相同深度的蒸汽膜要薄一些，蒸汽膜内的水蒸气密度要大一些，工件获得的冷却速度就高一些。在沸腾冷却阶段，由于气泡涨大要做更多的功，随着深度的增加，水的沸点增高，沸腾的激烈程度变弱，沸腾阶段的冷却速度就低一些。

3．浆状介质的稳定性

用自来水和泥土或其他无机矿物粉末配制的浆状介质，作为淬火介质在化学上都是非常稳定的。这里所说的稳定性专指的是悬浊液中固体颗粒必然发生的沉降所引起的问题。

悬浊液不稳定，放置中悬浮的固体颗粒会发生沉降。发生沉降后，不同深度上的介质浓度不同将造成相应的冷却特性差异。

一般都用自来水配制浆状介质。组成分散介质的粉状物质，它的密度高低和粒度大小对浆状介质的稳定性也有重要影响。

如果作为自由沉降来处理，则液体的密度ρ₁、粒子的密度ρ₂、粒子的直径d、液体的黏度η和粒子的沉降深度V之间有以下关系:

V∝d²(ρ₂－ρ₁)/η

因为沉降速度与粒子直径的平方成正比，粒子的大小对沉降速度影响最大。减小粒子直径则可以显著提高介质的稳定性。ρ₂－ρ₁是液体和粒子材料的密度差。密度差越小，沉降速度越低。液体的黏度越大，粒子的沉降速度就越慢。

满足各方面要求的粉体都是一些无机矿物质，它们的密度一般在2.2～3.0g/cm³。表2－110列出了几种典型固体物料的密度值。它们的密度都比水大，因此，发生的总是分散相下沉。白土容易分散在水中，因此，它的浆液稳定性较好。通常选用较细的泥或粉体作为分散相，浆状介质就有足够的稳定性，正常生产条件下，即使几十分钟不搅动，也看不出明显的分层现象。只有因停止生产，浆状介质较长时间不搅动，才可能发生明显的分层。加入少量分散剂也能提高浆液的稳定性。

表2－110　典型固体物料的密度值

4．影响浆状介质冷却特性的因素

(1)分散相粒子大小对冷却特性的影响。

分散相粉末的粒度大小对浆状介质的冷却特性有较大影响。在相同的质量分数比浓度下，颗粒大的，冷却的蒸汽膜阶段短，沸腾开始温度高，且沸腾的冷却速度也高;而颗粒小的蒸汽膜阶段长，沸腾开始温度低，沸腾的冷却速度也低。图2－127是3种粒度的浆状介质在相同浓度和相同液温下的冷却特性曲线。容易看出，颗粒大小对蒸汽膜阶段长短和沸腾冷却的快慢有很大影响。随着颗粒直径的减小，沸腾开始温度会持续下降。

图2－127　浓度40%，液温40℃，3种粒度的滑石粉浆液的冷却特性

此外，固体颗粒越细，悬浊液就越不容易分层，不同部位的冷却特性差就越小。

(2)分散相浓度高低的影响

图2－128和图2－129分别是粒度为1250目的滑石粉配制的浆状介质，在液温20℃和80℃时，分散相质量百分比(即浓度)对冷却特性的影响。

图2－128　20℃液温下浆液浓度对冷却特性的影响(1250目滑石粉配制的浆液)

可以看出，浓度越高，蒸汽膜阶段越长，蒸汽膜阶段的冷却速度越低，沸腾阶段的开始温度越低，沸腾的最高冷却速度值也越小。

图2－129　在80℃液温下浓度对浆液冷却特性的影响(采用1250目的滑石粉)

浓度变化对浆状介质冷却特性有明显影响。这说明改变浓度可以获得不同冷却特性的浆状介质，以适应不同的需要。

(3)介质温度对冷却特性的影响。

滑石粉粒度为1250目的浆状介质，当浓度为35%和50%时，液温变化对冷却特性的影响分别如图2－130和图2－131所示。可以看出，这种影响的大致趋势是:液温升高，蒸汽膜阶段就长。但值得注意的是，液温不相同时，蒸汽膜阶段的冷却速度值却相差不大。另外，沸腾阶段的冷却特性变化趋势是:随液温增高，冷却速度是降低的，但变化也不大。而沸腾阶段最大冷却速度出现的温度则基本不受液温高低的影响。

图2－130　液温变化对35%的滑石粉(1250目)浆液冷却特性的影响

图2－131　液温变化对50%的滑石粉(1250目)浆液冷却特性的影响

总之，在一定温度范围内，液温变化对浆状介质冷却特性的影响相当小。应当说，这是浆状介质的一大优点。它表明，浆状介质的浓度一定时，介质的平均液温高低，以及同一槽中不同部位的液温差别对冷却的均匀性影响不大。这个特性使我们容易获得均匀的冷却效果。

(4)相对流速对冷却特性的影响。

通过搅动或使介质流动，都能使介质与工件之间发生相对运动，造成一定的相对流速。轻微搅动对浆状介质的冷却特性影响很小。但是，当搅动速度加大时，会使包围工件的蒸汽膜变薄，因而能加快蒸汽膜阶段的冷却速度。如图2－132中曲线所示，容易看出，静止和中等强力搅动获得的冷却速度差别很大。更大的相对流速会将包围工件的蒸汽膜冲破而提早进入沸腾阶段，从而使冷却速度显著提高。如果采取先强力搅动而后再静止下来的方法在浆状介质中冷却工件，就可以获得高温冷得快而低温冷得慢的理想效果。因为浆状介质的粒度、浓度和可以采取的搅动速度可以调整，把搅动和静止结合，可以创造出多种特性各异的冷却效果。

图2－132　搅动对浆状介质冷却特性的影响

5．浆状介质的用途

(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、冷作模具钢等类材料制作的工件，它们需要比普通机油慢的冷却介质。这类用途中，工件必须在进入沸腾冷却阶段之前从浆液中取出。

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

(3)铝合金的淬火冷却。沸腾开始温度约在500℃，而最高冷速出现在300～400℃之间的浆状介质，适于这类场合使用。

(4)用水淬—浆液冷却代替水淬—油冷。

(5)结构钢件的快速正火。为了获得好又均匀的预备组织，现在正推广使用等温正火(也叫等温退火)方法。当前使用的等温退火炉中，快速冷却采用的是风冷。风冷有它的优点，但风冷的速度不够快，且均匀性也不一定很好。