铸锻件冷却介质的选择

刘鹏 李世超 刘秉承 刘艺坛 姜涌泉 高禄爽

摘  要：通过分析大型铸锻件热处理材料成分、结构特征、一般技术要求等，针对热处理行业常用淬火介质水、油、新型有机淬火介质等各自优缺点，结合生产实际提出了型铸锻件热处理淬火冷却介质的选择原则，以供制定工艺参考。

关键词：大型铸锻件;热处理;淬火介质

1概述

大型铸锻件是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础和保证，是国家工业制造水平的重要标志之一，通常安全性要求较高，制造技术难度大。众所周知，合理、科学的热处理是零件获得良好性能的前提，冷却作为热处理工艺和生产的重要控制环节，其重要性更不言而喻了，它关乎工件相转变时间、组织状态、晶粒度等能否按照工艺预期顺利实现，直接影响材料微观组织和宏观性能，因此一直是热处理生产关注的重点。特别是对于大型铸锻件，因其淬火冷却要求高、技术难度大，就更显冷却的关键。因此，针对大型铸锻件结构及技术要求等合理选择淬火介质对于提高其热处理质量有重要意义。

2介质冷却的特性

大型铸件热处理大多使用具有物态变化的淬火介质，这类介质冷却在工件淬火时通常有3个阶段，蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶，每种淬火介质上述三个阶段的冷却速度、豁度等都不相同，同种介质也会随温度、介质流速、工件表面状态等因素变化而变化，这正是介质冷却特性差异的本质，也是选择和使用介质的依据。

2.1水

水成本低廉、安全清洁、冷却速度快，是最古老的淬水介质，但通常它的蒸汽膜阶段较长，沸腾冷却阶段和对流阶段发生的温度较低，且对流阶段冷却速度过大，一般在在250350℃范围，对大多数钢而言，正是其马氏体转变温度区间，马氏体转变区冷却速度过大，较容易引起变形和开裂。

另外，水的冷却特性对水温变化太敏感，冷却效果随水温升高变化较为明显，对于大工件极容易出现冷却不均匀的情况，工件表层出现软点。通过往水中加人各种无机盐、碱或其混合物，可以形成各种不同的无机物水溶液。无机水溶液可以提高工件在高温区的冷速，改善冷却均匀性，使钢件淬火后获得较高的硬度，减少淬火开裂和变形，但盐水淬火更易生锈，同时碱类溶液淬火不易控制，容易灼伤操作者，易产生有害气体，危害工人的健康。

2.2油

矿物油作为淬火介质，具有粘度低、抗氧化性、使用寿命长和热稳定性好等优点，在机械行业普遍应用，它的蒸汽膜阶段比水稍短些，沸腾冷却阶段冷却速度比水慢，但对流冷却阶段冷却速度比水慢，冷却较为缓和，因此有利于减轻工件变形和开裂风险。与水相比，其在一定温度范围内，通常是4085℃范围内，其冷却特性变化不大。但它冷却能力与水相比有限，仅能用在淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的场合。同时，它闪点较低，在淬火过程中易产生浓烟甚至诱发火灾，对环境压力较大。另外，在高、中温区冷却速度过慢、对低淬透性钢件淬火后易出现硬度不足、淬硬层深度浅等弊病。此外，长期使用过程中易出现酸化、豁度变化、冷却能力下降等。

2.3灰（砂）冷

锻件放在石灰、炉渣或砂中冷却。所用的石灰、炉揸或砂必须干燥。一般钢锻件入灰的温度不应低于500-700℃，周围盖灰的厚度不能小于80mm。出灰温度不应高于150℃。

2.4炉冷

锻件停锻后直接人炉，在炉中随炉缓慢冷却。钢锻 件入炉温度一般不低于500----700℃。炉子应事先升到与锻件终锻同样的温度保温，待全部锻件装人炉后，再按具体要求控制冷却速度。锻件出炉温度一般不得高于100----150℃。由于可通过炉 温调节来控制锻件的冷却速度，因此，适用于高合金钢、特殊合金 钢锻件及大型锻件的锻后冷却。

2.5喷雾冷却

喷雾冷却就是利用压缩空气吹到与其成一定角度的水柱上，使水的方向改变并使之成雾状，然后利用雾化了的水和风对缓慢转动的轴类零件进行冷却，水压和风压可以根据要求进行调整，有些工厂还在喷雾装置上设置喷水冷却装置，这样使冷却速度可以在水冷到自然空冷的寬广的范围内进行调整。

2.6新型淬火介质

日前，比较流行的是各种新型淬火介质主要是水基淬火介质，新型水溶性淬火剂大多属有机聚合物系，因其聚合物种类不同而有PAG类，PSA类等种类，它们大多是被加到自来水中配成淬火液来使用，目的在于降低水的低温冷却速度。

通过对浓度、温度和搅拌程度的控制，可以在一定范围内改变上述冷却三个阶段各阶段的发生温度、冷却速度，进而获得最适合工件冷却要求的介质，可弥补水油冷却特性方面的不足，进而更好适应工件淬火技术要求，以满足某些特殊场合的使用，另外，它在一定温度范围内，冷却能力变化不大，可适应批量生产和大件淬火，可有效避免和减轻工件软点区，提高质量稳定性。同时，生产中相对环保，无淬火油烟排放，对工件及淬火设备腐蚀相对很小，淬后工件无需后序清洗;但是维护和使用相对麻烦，易滋生微生物需要定期检测和维护，尽量减轻老化和变质问题。

3淬火介质的选择原则

简而言之，最理想的淬火介质是在钢的Ms点温度以上冷得快些，冷到Ms点以下后冷得慢些，但目前为止，还没有那种介质能做到如此，因此必须根据零件具体特点和要求综合考虑。一般而言，主要结合材料化学成分、结构特点、技术要求综合考虑。

化学成分影响钢的相变点位置、相变区大小、转变曲线的移动，是工艺制定的重要参考和工艺风险评估的重要依据。如通常含碳量和合金量越高，过冷奥氏体约稳定，即钢淬透性越好，但同时如果冷却不当，开裂风险也越大，对于大型铸锻件更是如此，因此中温阶段应选择冷却速度较慢的介质。而到了低温阶段，即略高于N1s点温度附近温度区间，对于过大工件选择冷速更慢的介质有益于减小淬火应力，有时甚至需要空冷或炉中空冷。又如，有些钢因某个元素含量变化，其冷却转变曲线会受到明显影响，这些必须引起注意。

结构主要包括形状和尺寸因素，有效尺寸过大的工件结合材料淬透性等，考虑选择淬火介质应当有较快的低温冷却速度，水等。形状复杂的工件尽量选择蒸汽膜阶段较短而冷却速度又较快的淬火介质，以防止变形超差，可以考虑合适的有机淬火介质。另外，一般而言，变形要求小的，淬火冷却中必须有较窄的冷却速度带;而允许的变形较大，可以有较宽的冷却速度带。

技术要求主要指取样位置，性能要求等级，通常同种材料，要求等级不同，淬火介质选择就有很大差异，尺寸较大工件取样位置不同，应考虑淬硬层深度，全面权衡。如水冷大工件易于出现质量波动，取样结果可能会不稳定。

在实际生产中，大型铸锻件淬火往往综合具体要求及工件特点等因素，灵活采用水、油、或二者结合，或水空间歇等淬火生产，但随着淬火介质理论和实践的不断丰富和数值仿真技术的发展，工艺研究者们将会更加科学灵活选用淬火介质，最大程度地满足工件淬火冷却要求，提高工件性能。

4结语

大型铸锻件热处理淬火介质的选择应依据材料成分、结构特点及技术要求综合考虑，选择最符合工艺冷却要求的介质。随着数值仿真技术和淬火介质理论的不断完善，大型铸锻件热处理淬火介质的选择将更加科学、灵活。

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