淬火冷却介质的特性曲线及应用

冷却特性曲线的说明

淬火介质的冷却过程分三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段（见下图所示）。用符合ISO9950标准的ivf 冷却特性测试仪测出的冷却特性曲线（如下图）有几个特征值对淬火油的淬硬能力有重要影响。第一个是油蒸汽膜冷却阶段向沸腾冷却阶段转变的温度，即图中A 点对应的温度，叫做（上）特征温度; 第二个是出现最高冷却速度的温度，即图中B 点对应的温度; 第三个是最高冷却速度值，即B 点对应的冷却速度值; 第四个是对流开始温度，即C 点对应的温度。

如何从冷却特性选用淬火介质

热处理淬火介质，用的首先是它的冷却性能。因此，在确定介质的类别后，我们主张按介质的冷却特性来选择介质的品种。比如，当我们确定应当选用快速淬火油后，具体的品种就应当根据工件特点和热处理要求从油的冷却速度分布上去选。

不管选用何种淬火介质，大致都可以按以下五条原则进行选择。

一看钢的含碳量多少 ── 含碳量低的钢有可能在冷却的高温阶段析出先共析铁素体，其过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度（即所谓" 鼻尖" 位置的温度）较高，马氏体起点（Ms ）也较高。因此，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸汽膜阶段，且其出现最高冷却速度的温度应当较高。相反，对含碳量较高的钢，淬火介质的蒸汽膜阶段可以更长些，出现最高冷却速度的温度也应当低些。

二看钢的淬透性高低——淬透性差的钢要求用冷却速度快的淬火介质，淬透性好的钢则可以用冷却速度慢一些的介质。通常，随着钢的淬透性提高，过冷奥氏体分解转变的“C”曲线会向右下方移动。所以，对淬透性差的钢，选用的淬火介质出现最高冷却速度的温度应当高些；而淬透性好的钢则低些。有些淬透性好的

钢过冷奥氏体容易发生贝氏体转变，要避开其贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。

三看工件的有效厚度大小——如果工件的表面一冷到Ms 点，就立即大大减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火介质散失的速度也就立即放慢，这必然使工件表面一定深度以内的过冷奥氏体冷不到Ms 点就发生非马氏体转变，其结果，淬火后工件只有很薄的马氏体层。由于这样的原因，当工件比较厚大时，为得到足够的淬硬深度，所用淬火介质应当有较快的低温冷却速度。而薄小的工件则可以选用低温冷却速度较慢的淬火介质。

四看工件的形状复杂程度——形状复杂的工件，尤其是有内孔或较深凹面的工件，为减小淬火变形或需要把内孔淬硬时，应当选用蒸汽膜阶段较短的淬火介质。这是因为，内孔或凹面内部散热较其它部位慢。工件的其它部位冷得快先进入沸腾阶段获得快冷，而内孔或凹面内仍被蒸汽膜笼罩，冷得很慢。这种冷却速度上的差异可能引起较大的淬火变形和凹面的硬度低下。解决这类问题的办法是，选用蒸汽膜阶段较短而冷却速度又较快的淬火介质。当然，适当加大内孔与凹面内的介质流动速度，也有同样的效果。相反，形状简单的工件则可以使用蒸汽膜阶段稍长的淬火介质。此外，工件的形状越复杂，冷却时的内应力就越大。据此，形状复杂的工件允许的最高冷却速度较低，而形状简单的工件允许的最高冷却速度则较高。

五看允许的变形大小——从解决变形问题的硬度差异法推知，变形要求小的，淬火冷却中必须有较窄的冷却速度带；而允许的变形较大的，可以有较宽的冷却速度带。允许的冷却速度带宽的，采用能得到其淬火硬度要求的介质，往往就能满足变形要求。允许的冷却速度带特别窄的，必须采用能大幅度缩短工件冷却速度带的淬火方法。在能缩短工件冷却速度带的方法中，最简单和有效的是做等温(或分级) 的淬火。等温分级淬火介质应当具备的特性，首先是蒸汽膜阶段短，且液温变化对冷却特性的影响小；其次是较厚大的工件应当选用冷却速度快的淬火介质，而较小的工件则应当选用冷却速度较慢的介质。

生产中要处理的工件多种多样。不同工件对淬火介质冷却特性的要求可能相容，即可以用同一种淬火介质；但也可能不相容，即找不到共同适用的淬火介质。因此，企图寻找“一种理想的淬火介质，能同时适用所有不同工件的不同要求”就如同想寻找一种药物来包治百病一样是不现实的，至少当前是如此。

淬火油的使用和维护

1． 整槽使用新油注意事项

在倒入新油前必须认真检查清理好淬火油槽、冷却系统和储油箱。残存的水、油泥和其它渣滓都应清理干净。如果是在旧的油槽系统中改进新油，还应当把淬火油槽中油面以上槽壁和各种框架上的油污铲除清理干净。如果原来的油渣和污泥混入新油中，不仅影响油的光亮性还可能改变油的冷却特性。因此，清理工作应当做得比使用新油槽更彻底些。

整槽注满新油之后，一般不宜马上就用于淬火。淬火油在生产、运输和倾倒过程中，总会带入少量空气。淬火油中溶解的空气和分散存在的气泡都会降低淬火油高温阶段的冷却速度；应当加以去除。气体在油中的溶解度是随油温的提高而降低的。提高油温可以降低油的粘度而有利于气泡上浮。因此，可以用提高油温的办法来去除新油中的气体。粘度低的冷油，如今禹Y15系列油一般用80℃的油温，保温循环二至三天。粘度高的油，如今禹Y35系列热油，必须把油加热到约120℃到140℃保温循环三到五天。

2． 关于油的使用温度

本说明书对所有的淬火油都规定了允许和推荐的使用温度范围。在规定的范围内，可根据实际情况确定使用温度。适当提高油温可以降低油的粘度，从而使油的淬火冷却能力稍有提高。油温过高，因与工件的温差减小，又会使冷却能力有所降低。

油温高，油的氧化变质快；油温低，油的氧化变质则慢。淬火油的循环冷却系统应保持良好的状态，使能把淬火油的温度稳定在要求的范围。同时，为延长油的使用寿命，应少用过高的油温。

3． 淬火油的搅动

良好的搅动可避免局部油温过高，使槽中各部分的油温趋于均匀。

搅动能提高工件和淬火油之间的相对流速，从而提高油的冷却能力。

搅动装置的设置、工件的装挂方式等，都应尽量使同批淬火的不同部位的工件都获得基本相近的油温。部分工件或工件的局部相对流速过高或过低，都会对淬火冷却的均匀性产生不利的影响。当然，和水性淬火介质相比，这种影响的程度要小很多。

4． 油的污染和防范

淬火油的污染来源包括：外来的污染，如工件带入的氧化皮、冷却器渗漏而进入的水以及从外部来的其它物质；自身污染，在使用中不能自动排出而留在油中的氧化变质产物；再加上外来污染物与淬火油及其污染物发生反应后残存的产物。 内外污染物的积累会使油的颜色、透明程度、粘度、闪点、残碳和酸值等逐渐发生变化。这种变化过程就是淬火油的变质过程。在变质造成的影响中，与工件的热处理效果关系最大的是油冷却特性的变化和工件淬火后光亮性的变差。冷却特性的变化往往使相同工件的淬火硬度、淬硬深度和变形情况改变。

防止和减小外来污染、合理使用和管理好淬火油、做定期过滤都可以减缓油的变质和变质的影响。延长淬火油的使用寿命。对因变质污染较严重，以至于工件淬火硬度和变形等达不到要求的淬火油，还可以做去污处理，以清除其中大部分的

污染物，使油的冷却能力得以恢复。北京华立精细化工公司已给多家工厂做过这项去污处理，去污后油的冷却能力都得到很大提高，大大延长了油的使用寿命。

如何从冷却特性选用淬火介质

选择淬火介质，应当同时兼顾到对介质冷却特性、稳定性、可操作性、经济性和环保等方面的要求。在这些要求中，最重要的是介质的冷却特性。本文将以推理方式入手，通过分析讨论，提出一套从冷却特性选择淬火介质的可实用的原则方法。 钢件淬火冷却，希望的效果有三：1．获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度；2．不淬裂；3．淬火变形小。选好用好淬火介质是同时获得这三项效果的基本保证。当前，国内外多以国际标准方法（ISO9950）测定，并用冷却速度曲线来表征淬火介质的冷却特性。但是，对特定工件（即在钢种、形状大小和热处理要求一定）的情况下，如何从冷却特性上去选择合适的淬火介质？在生产现场，一个淬火槽中往往要淬多种不同钢种、形状、大小和热处理要求的工件。在这种情况下，如何选定它们共同适用的一种淬火液？一般的热处理车间，为满足所有工件的热处理要求，应当配备几种淬火液？──关于这类实际生产需要解决的问题，至今研究很少。有人[1、2]做过一些工作，但都提不出系统实用的原则方法。

本文以过去工作为[4、6]基础，从讨论实际生产中一些工件" 油淬不硬而水淬又裂" 入手，通过推理和实例分析，提出了对特定工件按冷却速度分布选择淬火介质的方法，并进而确定了能供多种工件淬火的一种淬火液的选择原则。 1 特定工件淬火的最低和最高冷却速度分布线

从普通机油和自来水的冷却速度分布（如图1）可以看出，普通机油的冷却速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自来水的冷却速度又太快，以致于多数钢种不能在其中淬火。在图中，自来水和普通机油之间有一个宽广的" 中间地带" ，只有普通机油和自来水的工厂，时常会遇到一些工件" 油淬不硬而水淬又裂" 的麻烦，原因就在这里。可以推知，对于一种这样的工件，如果将机油的冷却速度提高，该工件淬火硬度也会相应提高。我们假定，当机油的冷却速度提高到图2中带齿线水平时，该工件刚好可以得到要求的淬火硬度。无疑， 冷速更高，淬火硬度还将进一步提高。我们把它叫做允许的最低冷速分布线。同时，研究表明，自来水引起淬裂和变形，是自来水冷却太快，尤其是钢件冷到其过冷奥氏体发生马氏体转变的温度范围时受到的冷却太快的缘故。

于是又可以推知，如果能降低自来水的冷却速度，尤其是在工件冷到较低的温度以后的淬火冷却速度，就可以减小工件淬裂的危险。假定自来水冷却速度降到图3中带齿线所示的水平时，该类工件便不会再淬裂了，我们把这条线叫做此工件已确定条件下允许的最高冷速分布线。

把图2和图3合在一起，可以得到该工件能同时获得前述三项淬火效果的淬火介质的冷却速度分布范围，如图4所示。图中，只要所选的淬火介质的冷却速度分布曲线能全部落入这两条曲线之间的区域内，不管是快速淬火油还是水溶性淬火液，也不管这些淬火介质的冷却速度分布有何不同，上述工件在其中淬火都可以同时获得所希望的淬硬而又不裂的效果。

从另一角度说，有两种不同的淬火介质，它们的冷却速度分布有较大的差别。比如一种冷却速度快，快到接近允许的最高冷却速度线的水平，而另一种冷却速度慢，慢到接近图中最低冷却速度线的水平。但由于二者的冷却速度的分布都在允许的区域内，因而，二者都可以选用。或者说，对上述工件淬火冷却而言，二者能同样获得满意的淬火效果。

事实上，淬火冷却过程在使钢淬硬的同时，还会使工件发生一定程度的淬火变形。传统的观念认为，淬火冷却越快，工件的淬火硬度越高，淬火变形也越大；淬火冷却慢，淬火态硬度不高，工件的淬火变形就越小。但是，实际的情况是大多数和比较大的淬火变形是由淬火冷却偏慢，工件淬火硬度不足引起的。只有少数和较小的淬火变形是淬火冷却偏快，淬火硬度偏高引起的。由于这样的原因，本文把淬火硬度高低和淬火变形大小结合起来加以考虑。 本文作者在《解决淬火变形问题的新方法》[5]一文中，把钢的顶端淬火曲线改成钢的硬度-冷速曲线，如图5所示。由钢件的淬火硬度，可以从图上确定一个冷却速度值（指能获得该淬火态硬度的效果冷却速度）。根据特定工件淬火后的开裂、变形和硬度情况，图5中把冷却速度四个区，分别为过快冷速区，适度冷速区，不足冷速区和过慢冷速区，表中列出了工件获得的冷速在这些区域内的淬火效果。 可以看出，只有在第II ，即适度冷速区冷却，工件淬火后才能获得希望的淬火三效果。

图5 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区

接着，该文又将已发生淬火变形，开裂以及硬度不足的工件参与淬火变形部位中冷却速度的最高值和最低值所划定的范围叫做该工件淬火时的" 冷却速度带" 。根据实际工件的情况和淬火方法之不同，这种冷却速度带有宽有窄。工件上各部位获得的冷却比较均匀时，其冷却速度带就比较窄；当工件上各部位获得的冷却很不均匀时，其冷却速度带就比较宽。在工件的硬度-冷速曲线上，宽的冷却速度带容易跨越不同的冷却速度区，而窄的冷却速度带则往往落入某一冷速区之内。由于冷却速度带进入第I 冷速区会发生淬裂和变形，而进入第III 冷速区会硬度不足且变形严重，因此，只有使工件的冷却速度带完全落入其第II 冷速区，才能获得希望的淬火三效果。根据这样的道理，该文提出的解决淬火变形的方法和措施，都是使冷却速度带伸出第II 区的部分完全移入第II 冷速区。 用上述分

析和解决淬火变形问题的方法来认识图4中划定的区域，容易看出，淬火时，进入最低冷速分布曲线以左的区域，就会出现硬度不足并发生较大的淬火变形；而若进入最大冷速分布曲线以右的区域，又会发生淬裂。于是，可以按工件的淬火效果，把图4中两条曲线分割成三个区域，从左到右分别定为第III （即不足）冷速分布区；第II （即适度）冷速分布区以及第I （即过快）冷速分布区，如图6所示。本文把这样的图线叫做工件淬火效果-冷却速度分布图线。

图6 工件的淬火效果-冷却速度分布分区图

2 两例分析及选择冷速分布的五原则

例一、某厂在进口的多用炉中对该厂生产的汽车齿轮进行渗碳淬火，开始选用的是美国某公司的一种分级淬火油。一年多以后，开始发现渗碳淬火态齿轮的淬火硬度有明显降低，同时淬火变形也增大。在排除其它因素的影响之后，发现所用的分级淬火油的冷却速度分布与该种新油有较大区别，如图7所示。和未经使用的新油相比，使用一年多（中间做正常补充）后的旧油，蒸气膜阶段变短、最高冷速增大、且出现最高冷速的温度大有提高。如果按过去较普遍的说法，图7中的旧油是符合" 高温冷得快，低温冷得慢" 的更理想的淬火油。但在这样的旧油中淬火效果却是变形更大，硬度偏低，不如比它" 不理想" 的新油。

用图6图线所示的方法来分析该厂出现的问题，又可以画出图8所示的图线：旧油在中低温阶段冷速低于新油，以至在这一阶段使其冷却速度曲线进入了第III （即不足）冷速区，所以淬火硬度偏低。北京华立精细化工公司对该厂旧油进行了改性添加，使该厂旧油的冷却速度分布的中低温阶段冷速提高，达到稍高于原用油新油的水平。生产应用表明，在经过这样改性的旧油中淬火后，齿轮的淬火硬度明显提高，变形量也小于或等于原用新油。

例二、辽宁某弹簧厂的一条生产线上发生过一次这样的问题：一向正常的生产线上，突然发生钢板淬火硬度偏低，变形增大事故。在寻找原因的那些天里，板簧淬火硬度又有降低，变形也进一步增大。当该厂意识到可能是淬火油有问题后，经检查，发现上述淬火硬度不足和变形过大的原因是淬火油冷却系统有一处管壁破裂，冷却水渗透进去并部分乳化在油中造成的。乳化进油中的水量高达4%。图9是该厂已进水的旧油和无水的新油之冷却速度对比。含水旧油的GM 时间远高于新机油，只因其蒸气膜阶段太长，在高温阶段进入了第Ⅲ冷速分布区，因而引起淬火硬度低、变形大。对该油进行除水处理后，旧油中的水被分离和排除，油的冷却能力又得到了恢复。

从以上两个例子中可以看出，评价液体淬火介质的冷却能力高低，不能简单地看它的总的冷却烈度（H ），也不能简单地看它使特定镍球从850℃冷到300℃所需的时间（GM ），而应当看供选择的淬火介质的冷速分布与工件及其钢种的关系。关于从淬火介质的冷速分布作选择的原则，本文作者曾做过探讨[4]，再归纳实际生产经验，总结出以下五项选择原则：

一看钢的含碳量多少──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看。含碳量低的钢，因有可能析出先共析铁素体，

且它的过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度

（即所谓" 鼻尖" 位置的温度）较高，马氏体起点（Ms ）也较高，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸气膜阶段且出现最高冷速的温度应当较高。相反，对含碳量较高的钢，淬火介质的蒸气膜阶段可以更长些，出现最高冷速的温度也相应应当低些。再从允许的最高冷速曲线上看：碳含量少的钢允许的冷速高，碳含量多的钢允许的冷速低。

二看钢的淬透性高低──先从允许的最低冷速曲线看，淬透性差的钢，要求的冷却速度快；淬透性好的钢，要求的冷却速度则慢些。同时，因随着淬透性的提高，钢的"C" 曲线会向右下方移动，所以对淬透性差的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度高些；而对淬透性好的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度低些。有些淬透性好的钢，过冷奥氏体也容易发生贝氏体转变。要避开贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。再从允许的最高冷却速度值上看：淬透性低的钢允许的冷速较高，而淬透性高的钢允许的冷速较低。

三看工件的有效厚度──工件表面一冷到Ms 点，立即大大减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火液散失速度也大大减慢，工件表面一定深度以内的过冷奥氏体就很难冷到Ms 点以下。其结果，淬火后工件只有很薄一层马氏体组织。由于这样的原因，当工件比较厚大时，为得到足够厚的淬硬层深度，所用的淬火介质应当有较快的低温冷却速度。相反，工件薄小时，则可用低温冷速较小的淬火介质。再从允许的最高冷速分布曲线上看，厚大的工件允许的冷速高，薄小的工件允许的冷速低。

四看工件形状复杂程度──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看，形状复杂的工件，尤其是有内孔或较深凹面的工件，为减小淬火变形或需要把内孔淬硬时，应当选用蒸气膜阶段较短的淬火介质。一般说工件内孔或凹面内部散热较其它部位慢，工件其它部位冷得快，最先进入沸腾阶段而获得快冷，而内孔面尚处于蒸气膜阶段，冷却速度尚很慢。这种冷却上的差异可能引起这类工件较大的淬火变形和内孔或凹面淬火硬度低下。解决这类问题的办法是选用蒸气膜阶段较短的淬火介质。适当加大内孔部分介质的流动速度，也有同样的效果。相反，形状简单的工件，则可以使用蒸气膜阶段稍长的淬火介质。再从允许的最高冷速分布曲线看，形状复杂的工件允许的冷速低，而形状简单的工件允许的冷速高。 五看允许的变形大小──从分析解决变形问题的方法[6]推知，工件要求的变形小，淬火冷却应当有窄的冷却速度带，而允许的变形较大的，可以有宽的冷却速度带。允许的冷却速度带宽的，可以采用一般能达到淬火硬度要求的介质。在能缩短工件冷却速度带的方法中，最简单和有效的是做等温（或分级）淬火[7]。等温淬火介质应当具有的特性，首先是蒸气膜阶段短和液温变化对冷速的影响小，其次，较厚大的工件应当选用冷却速度快的介质，而较魔小的工件则可以选用冷速较慢的介质。 工件种类繁多，对淬火介质的要求是多种多样的。不同工件的要求可能相容，也可能不相容。因此，寻找" 一种理想的淬火介质，能同时适用所有不同的工件" 的想法，如同想寻找一种药物来包治一切疾病一样，是不现实的。

3 适用于多种工件的同一淬火介质

前面的讨论已说明，任何一种特定的工件都有自己淬火冷却的最低和最高冷速分布曲线划定的第II 冷速分布区。当要在同一种淬火液中淬多种不同的工件时，又如何选择它们共同适用的一种淬火介质呢？显然，要能选出一种这样的淬火介质的先决条件，是这些工件淬火冷却的第II 区的" 交" ，即共同适用的第II 区存在并且是连贯的。图10是由两种工件的第II 冷速区确定它们共同适用的第II 冷速区的示意图。无疑，它们共同的第II 区必然小于（等于）诸工件中最小的一个第II 区。 由于共同的第II 区最狭小，生产现场选出共同适用的淬火介质就不容易。

事实上，由于可用的淬火介质就那么两三种，加上又没有做合理的选择，不少工件的淬火质量并不高，尤其是截面硬度分布往往达不到要求。 那么，如何选择多种工件共同适用的同一种淬火介质呢？利用本文前面谈到的道理，下面将分别对淬火油和水性淬火剂加以研究，并提出它们各自适用的选择原则。

3.1 淬火用油的选择原则

淬火用油几乎都是有较高闪点的矿物油，这些油的比热约为自来水的1/2，导热率约为自来水的1/4，对流开始温度高，加上粘度远比水高，使淬火用油的冷却速度，尤其是低温阶段的冷却速度远比水低。 由于这样的原因，绝大多数工件在油中淬火（包括各种快速油中）没有淬裂危险，而通常担心的是油的冷却速度较低，使较厚大的工件或淬透性稍低的钢种达不到要求的淬火硬度和淬硬深度，并因此发生较 大的变形。

为此，选用淬火用油时，往往只从各种工件的最低冷却速度分布曲线去加以考虑。

图11是几种工件要求的最低冷却速度分布。显然，只有

当选定的淬火油的冷却速度分布曲线能从右边将这几种

工件的最低温度冷却速度曲线包围着，这几种工件在其

中淬火才能全部获得淬火冷却的三效果。 可以推知，一

般说来，所选的油的蒸气膜阶段越短，对流开始温度越

低，且最高冷速越大，这样的油的冷却速度曲线可能从

右边包围的最低冷却速度分布曲线就越多，即适用的工

件（钢种）越多。这就是适于多种工件的淬火油的选择

原则。

3.2 水溶性淬火液的选择原则

在水（及水溶液）中淬火的主要危险是淬裂，而降低水性淬火液的"300℃冷速" 则可以减小这种危险。水性淬火剂（液）的"300℃冷速" 越低，防止淬裂的能力就越强，因而适用的钢种和工件就越多[5]。如果将多种工件的最高冷速分布曲线画在一起，同样可以画出它们共同的第II 区的右边界线，得到的也是这样的结论。 当水或水溶液液温过高时，比如通常超过60℃后，淬火冷却的蒸气膜阶段显著增长，蒸气膜相当稳定，这时用于工件淬火，冷却速度曲线容易从上方进入其第Ⅲ冷速区，从而引起淬火硬度不足和大的变形。所以，使用水性淬火液应当控制好液温，一般以平均液温不超过60℃为宜。 当淬火液的品种确定后，生产中还可以通过调节淬火液浓度、液温和与工件的相对流速来改变工件淬火时的冷却速度分布，以适应生产的需要。这方面的规律和方法可参考其它有关资料。 由上述分析可知，普通机油（如32号机油）冷却能力并不高，却可适于某些类工件淬火；普通自来水冷却很快，却仍可适于另外某些类工件淬火。由于在普通机油与自来水的冷却速度分布曲线之间有很宽广的空白地带，只配备普通机油和自来水是不够的。那么，一般机械厂的热处理车间应当配备哪几种淬火液，才能满足大多数工件的淬火需要呢？根据前面的分析讨论，建议为普通热处理车间配备以下四种淬火液（槽）：

1．将普通机油换成一种快速淬火油，其冷却特性应为：淬火冷却的蒸气膜阶段短，对流开始温度低，且最高冷速大。

2．一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液，其30℃液温，不搅动情况下的300℃冷速在20～30℃/s之间。

3．一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液，其30℃液温，不搅动情况下的300℃冷速在50～70℃/s之间。

4．自来水

如果所处理的工件种类不太多，也可以用一种300℃冷速在30～50℃/s之间的水溶性淬火液代替2、3两种淬火液，即共配制三种淬火液（槽）。

4 结论──从冷却速度选择淬火介质的原则

通过本文的分析可以说明：

1

．为什么同一种工件可以在多种不同冷却特性的淬火介质中淬火而都达到该工件的热处理

要求。

2．为什么多种不同的工件可以在同一种淬火介质中淬火而都达到各自的热处理要求。

3．特定工件选择淬火介质应同时从五方面加以考虑：一看钢的碳含量多少，二看钢的淬透性高低，三看工件的有效厚度，四看工件的形状复杂程度，五看允许的变形大小。

4．对淬火用油，从冷却速度分布上看，它的蒸气膜阶段越短，对流开始温度越低，最高冷速越大，则该种油适用的钢种和工件就越多。

5．对水性淬火液，从冷却速度分布曲线上看，它的300℃冷却速度越低，则它适用的钢种和工件就越多。

参考文献：

[1]Karl-Erik Thelning．所测淬火烈度与淬火件硬度分布的关系-IFHT 的任务之四．第五届国际材料热处理年会译文集，《金属热处理》编辑部选译，机械工人出版社，1988，（9）：366-368．

[2]S.O.Segerberg.Classification of quench oils:a method of comparison.Heat Treating,1989,No．12:30-33.

[3]Chartes E.Bates．ASM HandbookTM,Volume 4,Heat Treating,1990:96-98.

[4]张克俭．淬火用油的分型定级[J]．金属热处理，1992，（8）：50-53上有部分内容，全文登在北京华立精细化工公司．淬火介质的特性和用法技术，第一辑．1993，10．

[5]张克俭．水溶性淬火剂定级方法探讨[J]．金属热处理，1995，（3）：23-24．

[6]张克俭．解决淬火变形问题的新方法[J]．金属热处理，1997，（6）．该论文经修改完善后定名为" 解决淬火变形问题的硬度差异法" ．

[7]张克俭．解决淬火变形问题的硬度差异法．汽车齿轮，2000，（2）：16-32．

水溶性淬火剂定级方法探讨

一、水溶性淬火剂需要定级！

某弹簧厂得到一桶供免费试验的淬火剂，立即组织人员安排方案，对该厂常用钢种进行淬火试验……。两、三个月后，花费了大量的人力，留下一大堆试片，终于得出了结论：" 这种淬火剂在我们厂不适用" 。──象这样的工作，一直在各地进行着。虽有少数工厂能选中适合的淬火剂，但总的说浪费很大，损失不小。 水溶性淬火剂类型很多，不同的类型有不同的特性，在同一类型中，不同的品种在性能上又有很大差异。当前尚没有统一的标准来指导工厂选用淬火剂。同时，不少淬火剂生产厂又不能提供正确及时的技术服务。在这种情况下，为避免上述盲目选择和试验，减少由此而造成的损失和浪费，很有必要给水溶性淬火剂建立一个简单实用而又科学的评判方法，用以对各种淬火剂品种进行定级，以利于用户工厂有针对地选择和使用。

二、用"300℃冷却速度" 进行定级

作为淬火介质，自来水优于普通机油的特性是，在淬火冷却的高温阶段冷却速度相当快，因而有利于获得更高淬火硬度和更大的淬硬层深度。为什么又不能直接用自来水代替油进行淬火？原因是用自来水淬火时，钢件冷到低温阶段的冷却速度过大。研究开发水溶性淬火剂的第一指标，就是在保持或基本保持高温阶段冷得快的同时，降低水在低温阶段的冷却速度。低温阶段最有代表性的温度在

300℃附近。我们把钢件冷到300℃附近时获得的冷却速度，叫做所用淬火介质的"300℃冷却速度" 。

理论和经验告诉我们，淬火介质的300℃冷却速度对多数钢件淬裂与否起着决定性的作用，由此，本文选用300℃冷却速度值来对淬火介质定级。

选用最新国际标准（ISO/DIS9950）方法测定淬火介质300℃冷却速度，作为钢件300℃冷速的参考值来进行定级。

具体做法是：

1．取待测淬火剂或配制有代表性浓度的水溶液，在液温30℃不搅动条件下，测出其300℃冷却速度；

按表1定级方法，将常见淬火介质进行定级，结果如表2：

9-12号为非水性淬火介质。在此列出相应的级别，只用以说明300℃冷却速度大小。由于它们的冷却速度分布与水溶性淬火介质有很大差异，用于淬火时淬火效果与同级别的水性淬火剂有很大不同。

三、按级别选择合适的水溶性淬火剂

选择原则和步骤：

1．含碳量高、淬透性好的钢种，应选低级别的淬火剂（或淬火液浓度）。

2．在保证不淬裂的前提下，选用级别稍高的淬火剂（或淬火液浓度）可以获得更深的淬火硬化层。

3．在适合的级别中，应选择性能稳定，使用寿命长，容易管理且价格低的品种。

4

5．首先按上述步骤和资料选定水溶性淬火剂品种，再用它进行试验。此时，试验的目的就是熟悉用法，确定生产中合适的浓度和工艺参数，而不是所选的淬火剂品种是否适用，通常也不会造成本文第一部分所述的失败结果。

四、说明

1．碳量高的中合金钢和高合金钢，以及所有可以在静置空气中冷却淬火的钢种，都不能在水溶液中淬火。

2．可以调节浓度的水溶性淬火剂，通常只列出它代表浓度上的冷却速度级别。改变浓度，还可以获得不同级别的淬火介质，比如PAG 类淬火剂。PAG 类属浓度可变，因而冷却特性可调的淬火介质。通常降低浓度级别提高，升高浓度级别降低。本表以15%浓度定其级别，基本上指该种淬火剂可能达到的最低级别。

3．同一种淬火剂或淬火液浓度，当液温改变后，300℃冷却速度会发生变化，变化的规律大致为：淬火液温度升高，其300℃冷却速度会降低；淬火液温度降低，其300℃冷却速度则会升高。也就是说，淬火介质的级别是随液温升高而降低，液温降低而升高的。

4．在冷却速度曲线上有很短的蒸气膜阶段，不会影响钢件的淬火冷却效果，有时还有见效淬火初期热应力型变形的作用。但是，过长的蒸气膜阶段，则会降低淬火冷却效果。优良的水溶性淬火剂不应有过长的蒸气膜阶段。

解决淬火变形问题的新方法

生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的麻烦和巨大的损失。淬火变形的产生，从理论上说，当然与热应力和组织转变应力的影响有关，但是，在分析和解决实际工件的淬火变形时，这种理论却很难做具体应用。至今，尚没有用来分析和解决工件淬火变形问题的实用的系统方法。热处理行业期待的是能用来分析和解决实际工件淬火变形的系统而实用的方法。以此为目标，本文发展了一种以钢的端淬曲线为依托，从检测出发生变形的工件上的硬度差异入手去分析和解决工件淬火变形问题的方法，我们把它叫做" 硬度差异法" ，供热处理行业采用并指正。

一、本新方法的适用范围

说工件发生了淬火变形，指的是工件上某些部位发生了超过图样公差的变形。本文把工件上发生变形的部分和与之相关连的部位合称为该工件的参与淬火变形部位。参与淬火变形部位指的是工件上多个部位的总体，须根据实际工件的(变形) 情况来确定。在已发生淬火变形的工件上，参与了淬火变形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明显差异。硬度差异反应出这些部位的淬火转变产物(即组织) 之不同。由于不同的组织有不同的比容，比容差本身及其在淬火过程中的作用必然对淬火后的变形有直接的影响。由于这样的原因，本文把最终发生了淬火变形的工件分为两类。第一类:因装炉时的冲撞，因淬火加热中工件的装挂或堆放不当，以及出炉转移到淬火介质过程中所受的外力或自重引起的变形。这类变形容易从操作方法和装挂方式入手去解决。第二类：工件参与淬火变形部位有明显或不明显的硬度差异，也可能伴有淬火开裂。在第二类情况下，引起变形的原因既有淬火冷却过程中的应力作用，也有转变产物比容差之最终的影响。 本文提出的概念和方法，仅限于用来分析和解决第二类淬火变形问题。

二、淬火变形工件的冷却速度带及减小变形的努力方向

作为本方法的基础，先引进淬火变形工件的硬度-冷速曲线、冷却速度带及其跨区等概念。

１．硬度-冷速曲线的分区及其与淬火变形的关系

图1是有代表性的顶端淬火曲线示意图。为适应本文的需要，我们将下方的横座标定为冷却速度，并按冷却速度大小和淬火态硬度分布，将端淬曲线分成四个区(如图1所示) 。这样的曲线，我们把它叫作硬度-冷速曲线。

图1 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区

在图1划出的第Ⅰ冷速区内淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速过快，可能产生淬火变形，或可能伴有淬裂。

在第Ⅱ冷速区内淬火，冷却速度适当，工件可以充分淬硬。硬度均匀说明可能参与淬火变形部位的淬火转变产物基本相同，因此，工件淬火冷却中可能引起淬火变形的过程中的应力也不会很大。结果，最终的淬火变形也就相当小，通常能在允许的公差之内。故本文把第Ⅱ冷速区叫做小变形区。

在第Ⅲ冷速区内淬火，由于硬度-冷速曲线走势很陡，如图1所示，工件上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化，也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速区淬火时，可能引起淬火变形的因素既有过程中的，也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。总起来说，在此区淬火后变形大，硬度高低不均，且硬度不足。

在第Ⅳ冷速区，即过慢冷速区内淬火，工件上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低，各部位间温差小，加上各部位都远未淬硬，最终转变产物也基本相同，故变形小。

2．工件上参与淬火变形部位的冷却速度带

变形工件上参与变形的各部位之间得到的冷却情况不同，是造成最终淬火变形的原因。实际工件是个实体，它上面参与变形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲线上一定范围内。本文把这些不同冷速所达到的范围叫做该工件在所经受的淬火条件下参与变形部位的冷却速度带，以下简称为该工件的冷却速度带。工件上参与变形部位间的冷却速度相差小，它的冷却速度带就窄；相反，它的冷却速度带就宽。

冷却速度带的确定方法：

拿到一个发生了淬火变形的工件，首先找到它上面发生了淬火变形的部位，再连同其相邻或相关的部位，合而成为该工件上参与淬火变形部位。接着检查参与变形部位内外表面的硬度，并凭测出的最高和最低硬度值(HRC)在所用钢种的硬度-冷速曲线图上找到两个相应的冷却速度值，把这两个冷却速度值水平连接起来，即构成该工件的冷却速度带。举例来说，有一筒状工件，50Cr 材质，经770℃加热后水淬1.5秒再转油冷。淬火后未发现淬裂，但有明显的变形:两端孔径增大，呈双头喇叭形，如图2所示。因工件形状简单，且变形牵涉面大，可以把整个工件都看成参与变形部位。检查该变形工件内外表面的硬度后发现，筒两端硬度约55HRC ，而内孔中部只有35HRC 。从手册上查出50Cr 钢的端淬曲线，取其中线作出本工件的硬度-冷速曲线。由淬火硬度最高的端头部位(B)之55HRC 找到冷速点b 。再由淬火硬度最低的筒内中间部位(A)之35HRC 找到冷速点a 。连接a 、b 两点的带ab 即为该工件的冷却速度带。按照相似的方法步骤，可以画出其它淬火变形零件的冷却速度带。需要说明的是，如果工件上有内孔(或凹陷部位) 而且在该部位或邻近部位发生了淬火变形，则该部位就属于参与变形部位，在确定该工件的冷却速度带时，就需要将该工件的内孔或凹陷部位剖切开，测量该部位的表面硬度。

图2 由参与变形部位的最高和最低淬火态硬度值确定工件的冷却速度带

3．冷却速度带的跨区情况

实际生产中，不同工件的钢种、形状大小、热处理条件以及工艺方法有很大差异，它们的冷却速度带必然有宽有窄。当工件的冷却速度带比较窄时，可能只落入某一个冷速区，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速区，相应的变形情况如图1所示。当工件的冷却速度带比较宽时，往往要跨越两个甚至两个以上的冷速区。比如，图2所举的例子，工件的冷速带就跨越Ⅱ、Ⅲ两个冷速区。又如，有一种65Mn 制的大圆锯片，直径1600mm ，厚8mm ，在专用的槽式电阻炉中垂直悬挂加热后，直接放入有循环搅动的淬火槽中淬火，淬火液为一种聚合物水溶液，水温约25℃。淬火后工件有相当严重的翘曲变形。出槽后检查发现, 圆锯片边沿齿口

部位有几处淬裂。硬度检查结果, 边沿部分(B)最高硬度62HRC ，而近中间部位(A)的硬度最低为30HRC 。对于这样薄而大, 变形严重的工件, 也宜把工件之整体都看成参与变形部位。

按前述方法，如图3, 确定该圆锯片的冷却速度带ab 。由于该圆锯片边沿齿口处已淬裂，说明该部位已进入第Ⅰ冷速区。而在近中间部位淬火态硬度只有30HRC ，未淬硬，说明该部位已进入第Ⅲ冷速区。这样, 整个圆锯片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区。对于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷却中跨越三个冷速区，就很容易发生严重变形。

图3 65Mn大圆锯片的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区

4．减小工件淬火变形的努力目标

通常，对工件淬火效果的要求是：获得高而且均匀的淬火硬度、足够的淬硬深度、不淬裂且无淬火变形。显然，按本文的分析原理和方法，只有当工件上参与变形部位的冷却速度带落入第Ⅱ冷速区，才能获得这种淬火效果。据此本文减小工件淬火变形的措施和方法，均以使工件上参与变形部位的冷却速度，即该工件的冷却速度带完全落入其第Ⅱ冷速区为努力目标。实现这个目标，就可以控制变形。以下归纳的做法都是以此为目标的措施。

5．对硬度差异法的解释

众所周知，淬火变形是钢件淬火冷却中的热应力和组织转变应力共同作用的结果。这里所说的工件的冷却速度带的宽窄，反应的正是这种共同作用的大小。共同作用力大的，其冷却速度带宽，该共同作用力就大，而冷却速度带窄的，该作用力就小。而工件的硬度-冷速图线上第II 区的宽窄，反应的是该工件的变形要求。变形要求严的，第II 区窄；变形要求松的，第II 区宽。使工件的冷却速度

带完全落入其第II 区中，也就是把该工件淬火冷却中的热应力和组织转变应力的共同作用力的大小控制在不引起超差变形的范围。硬度差异法从工件淬火态硬度差异入手去分析解决变形问题，其本质上就是通过控制这种硬度差异的大小和范围来控制工件淬火中的热应力和组织应力的复合作用大小，从而控制淬火变形。

三、减小淬火变形的改进方向

1．整体移动冷却速度带

通过整个提高或降低淬火冷却速度等措施，使工件的冷却速度带整体移入该工件的第Ⅱ冷速区。这种方法适用于工件的冷却度带比较窄，发生淬火变形的原因是其冷却速度带整个或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速区。

当工件上有局部或全部参与变形部位淬火硬度偏低时，说明该部分淬火冷速进入了第Ⅲ冷速区。按照上面提出的解决办法，为消除这种淬火变形，可以采取提高整个工件的淬火冷却速度，适当提高淬火加热温度，以及改用淬透性更好的钢种制做该工件等措施之中的一个或几个，就可以使该工件的冷却速带发生移动并进入第Ⅱ冷速区，从而消除该淬火变形。

当工件发生变形且淬火硬度高或同时发现有淬裂，说明部分或全部参与淬火变形部位进入了该工件的第Ⅰ冷速区。解决这类变形问题的措施有降低该工件的淬火加热温度，降低整个工件的淬火冷却速度以及改用碳量及合金元素含量稍低的钢种等，目的在使工件的冷却速度带整个移入第Ⅱ冷速区。

例如，某汽车板簧厂采用13%的今禹8-20水溶液，在液温25℃时淬11×75mm的60Si2Mn 钢板，出槽后发现有高达4mm 的侧弯变形和相当大的弧高变化。起初，有关人员分析认为，是淬火应力(热应力和组织转变应力) 过大引起。因此, 采取了降低淬火应力的方法：适当降低淬火加热温度，提高淬火液液温，并停止淬火机的摆动以减小相对流速，甚至曾一度将今禹8-20的浓度提高到15%。所有这些措施，都在降低板簧片的淬火冷却速度，都想减小淬火应力来消除淬火变形。但结果与希望相反，板簧片的变形更大且仍然无规律可循，同时，钢板的淬火硬度更低，根本不能满足热处理要求。

后来，用本文所述的方法分析该批板簧的淬火变形，发现淬火硬度不足且高低不均，大约在28～52HRC 之间，其冷却速度带正好落在第Ⅲ冷速区，如图4所示。按前面提到的原则和方法，解决这一变形问题的措施就不是设法降低淬火冷却速度, 而是提高淬火冷却速度，以便使该板簧片的冷却速度带整体向左移入其第Ⅱ冷速区。具体的做法是，向淬火槽中补加自来水，将今禹8-20的浓度降到10%，并在淬火过程中使淬火机不停地摆动，以便进一步提高淬火冷却速度。结果，在其它工艺方法保持不变的情况下，同批板簧片淬火后的变形(侧弯和弧高变化) 极小，同时淬火硬度都在59～61HRC 内，没有淬裂，完全满足了工艺要求。

图4 移动冷却速度带消除板簧片的淬火变形

2．使冷却速度带收缩进第Ⅱ冷速区

当变形工件的冷却速度带跨越两个以上冷速区时，解决淬火变形问题的办法就是使工件上参与变形部位中原来冷速过快(因而发生淬裂、变形) 的部分淬火冷速降低，相当于使工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的左端部分向右收缩，达到左端头也进入第Ⅱ冷速区；使工件上参与变形部位中硬度不足或硬度过低部位的淬火冷速提高，以使其冷却速度带向右伸出第Ⅱ区的部分向左收缩，也进入第Ⅱ冷速区。

例如，图3所示的大圆锯片，它的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区，因此，采取的消除变形措施应能使其冷却速度带的两端同时向中间收缩，直至全部落入其第Ⅱ冷速区。经分析，该圆锯片外沿齿间底部发生淬裂，是在淬火冷却中该部位受到过激的水流冲刷的缘故。解决这一部分(即冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区那一段) 的淬裂变形的措施是设法使该部位不受水流冲击，可以在淬火槽中安装护板或改变淬火液循环流动的分配方式，其目标都是使原来冷却太快的外沿部分的冷却速度降低至不发淬裂的程度。而对于圆锯片上近中间部位，淬火硬度偏低说明其受到的冷却不足。分析这些部位冷速不足的原因发现，在淬火冷却过程中这些部位长期被流动缓慢的热水包围。由于锯片很大，从下至上做上升流动的热水达到锯片中间部位时液温已相当高，使圆锯片近中心部位有较长时间在蒸气膜及热水笼罩之下，加上该部位实际的有效厚度又远比边沿部位大，使这些部位得不到足够的淬火冷速，淬火硬度自然偏低。又由于上升过程中形成的热水区的液温分布相对于圆锯片是不稳定和不规律的，故淬火后圆锯片的变形大而没有规律性。解决这些部位淬火冷却速度不足的办法，是根据圆锯片在槽中的位置，安设足以使其近中间部位获得适当水流冲击来加快散热，提高冷速，使这些部位对应的冷速带右端向左收缩，直至进入第Ⅱ冷速区。由于这类大圆锯片多是专业厂生产，生产装置是专用的，通过适当的试验改进，最终实现使圆锯片的冷速带从左、从右同时收缩进第Ⅱ冷速区，从而消除淬火开裂、变形和中间部刚度不足等问题，可以收到一劳永逸的效果。关于解决这类圆锯片淬火变形、开裂问题，本文在后面还将提出另一种解决办法。

四、调节冷却速度带的基本措施

从前面的讨论中可以看出，解决变形问题的途径，实质上是针对具体情况，应用一些能调节冷却速度带的措施，以实现工件冷却速度带的移动和收缩，使其完全进入第Ⅱ冷速区。在热处理生产中，可以采取的基本措施大致有:改变淬火加热温度，改变工件局部冷却状况，改变淬火介质的温度、浓度和流动情况，改换淬火介质，以及适应钢材化学成分和质量波动情况，直至改换钢种和改变工件外形设计等几类。在生产中根据具体情况灵活应用其中的一类或几类方法，通常可解决本文所指的淬火变形问题。以下对各类基本措施分别加以说明。

1．改变淬火加热温度

当工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区时，适当降低工件的淬火加热温度，可以使工件的冷却速度带的左端向右方发生一定量的收缩。这类措施中也包括局部降温后淬火。当工件的冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区时，适当提高整个工件或工件上局部区域的淬火加热温度，可以使其冷却速度带的右端向左做一定量收缩。如果原来的淬火加热保温不足，则延长保温时间，也有同样效果。

2．淬火冷却介质上的变换

从淬火介质上想办法，以求减小工件的淬火变形，早已为热处理现场采用。本文采取的办法与习惯办法之不同，主要在两点上。第一，本文改变淬火介质使用状况或改换淬火介质品种等办法，是以前面建立的原则和方法为指导来进行的。第二，过去习惯的做法，调整淬火介质及使用状况的目标，往往限于降低淬火冷却速度，以求降低淬火冷却过程的内应力。而本文的方法，是按工件冷却速度带的跨区情况而定的，既有以降低淬火中的应力为目标的降低淬火冷却速度的措施，更有提高淬火冷却速度的措施。事实上，工件的淬火变形，大多是工件上参与变形部位的冷却速度不足即进入了第Ⅲ冷速区引起的，因而需要以提高冷却速度的办法来解决这类工件的淬火变形问题。采用这种措施提高的是工件相对于淬火介质的冷却速度，即对外的冷却速度，而在工件内部参与变形部位之间却因全部进入第Ⅱ冷速区而使相对差异减小，所以最终能减小工件的内应力，从而减小淬火变形。

在可以采用的淬火介质中，自来水冷却太快，会使许多钢种淬裂并发生淬火变形。遇到这种情况，改换成机油，淬火冷速大大降低，通常可以防止这类淬裂及变形。这是众所周知的办法。由于自来水与机油的冷却速度相差很大，不少钢件在水中淬裂、变形，而在机油中却淬不硬且发生变形。

在自来水中加入适量水性淬火剂，可以在一定程度上降低自来水的冷却速度。而以矿物油(机油) 为基础做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。这些都为控制淬火变形提供了条件。

有些水性淬火剂可以通过调节浓度来改变水溶液的冷却速度。以PAG 淬火液为例,15%时的300℃冷速约为20℃／s ，相当于某些超速淬火油。而浓度为9％时的300℃冷速约为50℃／s ，相当于饱和氯化钙水溶液。而当浓度降低至5～7％

时，300℃冷速增大至70～80℃／s ，就与所谓的三氯或三硝淬火液相当了。于是，可以通过提高淬火液浓度使工件的冷速带向右移，也可以通过降低淬火液浓度来使工件的冷速带向左移。本文图2所举的淬火变形例，其产生淬火变形的原因是工件冷却速度带的右端伸入了第Ⅲ冷速区。具体的说，当进行水淬时，该工件的两端冷得快而避开了其过冷奥氏体冷却转变的" 鼻尖" 位置，随后在油中继续冷却时转变成了马氏体。但是，筒体内面近中间部位在水淬中尚未冷到" 鼻尖" 位置对应的温度，因此，在随后的油冷中产生了相当量的非马氏体组织。解决这一淬火变形的办法，是改用6％的PAG 淬火液做单液淬火，一冷到底，且在淬火冷却中使淬火液做适当循环流动，以提高筒体内部的冷却速度。这一解决办法，实现的是使冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区的部位向左收缩进其第Ⅱ冷速区。采用这种做法后，淬火操作简化了，淬火硬度高而均匀，没有淬裂，淬火变形消失了。 好的水性淬火液，其淬火冷却的高温冷速大多较高，即蒸气膜阶段较短且不稳定。因此，评价水性淬火液的冷却特性，主要看它的300℃冷却速度。淬火油多有较长且相当稳定的的蒸气膜阶段，因此，评价油的冷却特性应当看的是整个冷却速度分布，包括蒸气膜阶段长短、最高冷速大小和出现最高冷速的温度高低、以及对流开始温度等。不能单以其最高冷速的大小来评价油的冷却能力。从冷却速度曲线上容易看出，所谓" 最高冷却速度" 只存在一瞬间，对工件的淬硬效果作用不一定大。

普通机油的冷却速度慢，因此，在其中淬火后有超差变形的工件，其淬火冷却速度带大多伸入甚至整个落入第Ⅲ冷速区。遇到这种情况，将原用的机油改换成有适当冷却速度分布的快速淬火油，或者在现有的机油中加入适当的油改性添加剂获得同样的冷却速度分布，以便工件在其中淬火时使冷却速度带发生左移或向左收缩，最终全部进入第Ⅱ冷速区，便可以解决这类淬火变形问题。在决定是选用水性介质还是淬火油时，还必须考虑液温变化对淬火冷却特性的影响。对淬火油而言，在一定范围内提高油温，油的冷却特性基本不变。在允许的使用温度范围内，进一步提高油温，还会使油的蒸气膜阶段有所缩短，冷却能力相应有所增大。油温过低，油的粘度增大，流动性变差，冷却能力会降低。有些工厂有这样的经历，冬季新开炉时，油温很低，工件的淬火变形大且淬火硬度不足。这是工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区的缘故。遇到这种情况，设法提高油温，比如使油温升到50～80℃再淬同类工件，由于冷却速度提高，工件的冷却速度带左移至全部进入第Ⅱ冷速区，淬火变形就消失了，淬火硬度也达到了工艺要求。 与油相反，在水性介质中淬火时，提高水温会降低淬火冷却速度。降低的程度与介质的品种、使用的浓度和当时的水温有关。当变形工件的冷速带伸入其第Ⅰ冷速区时，适当提高水溶液的液温，可以使其冷却速度带稍向右移。又当水溶液温度过高，淬火冷却速度不足，工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区而引起变形时，适当降低水温则有使其冷却速度带左移的作用。

当然，对于以水为基的淬火液，采取降低和升高水温来调节工件的冷却速度带时，水温的变化范围是比较窄的。降温以不发生凝固为限，而升温以60～70℃为限。水温太高，淬火冷却的蒸气膜阶段过长，使水溶液冷却能力大减，会使工件的淬火硬度不均匀。

前面图3所举大圆锯片的例子中, 采用水溶液时边沿齿口部淬裂，而近中间部位又淬不硬。边沿部位水温低，又受冲刷，冷却速度过快，是边沿缺口部位淬裂的原因。圆锯片中间部位水温远比边沿部位高，相应地淬火冷却速度低，是这些部位淬不硬并从而引起变形的原因。对于这样的淬裂与变形问题，除采取前述在边沿部位加护板，降低冷速，同时在中间部位安设喷水管适当分配水流来提高冷速外，还可以采用专配快速淬火油代替现用的水性介质，也能生产出合格产品。专配快速淬火油可以解决该圆锯片淬裂和变形问题的原因是，这种油的淬火冷却速度比普通机油快, 可以使8mm 厚的65Mn 圆锯片中间部位淬硬。又由于专配淬火油的冷却速度远比水和水溶液低，可以保证该工件不发生淬裂。关于中间部位的淬硬问题，由于油的冷却速度随油温升高能有所提高，与接近中间部位的实际厚度比边沿大正好相匹配，也能保证淬硬。从该圆锯片的冷却速度带的跨区情况看，改用专配快速淬火油后，和用水溶液相比，锯片的冷却速度带变窄了：边沿部位对应的冷却速度带从第Ⅰ冷速区缩进第Ⅱ冷速区；而近中间部位对应的冷速带却向左收缩进入其第Ⅱ冷速区。最终获得淬硬不裂且变形小的淬火效果。

3．改善工件的局部冷却状况

在工件上冷速过快的部分加冷的或热的附板以减少这些部位的淬火冷却速度，可以使工件冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的部分向右缩进第Ⅱ冷速区。相反，当工件上某些参与淬火变形部位冷速过慢时，又可以通过向这些部位多分配些液流，以增大冷速，使这些部位对应的、伸入第Ⅲ冷速区的冷却速度带向左收缩，进入第Ⅱ冷速区内。本文图3所举大圆锯片用水溶性淬火液淬火中，就是同时采取了在圆锯片外沿加冷附板和向圆锯片近中间部位多分配水流的方法来解决的淬裂、淬硬和变形问题。另外，有一种20Cr 汽车后桥齿轮，渗碳后直接在机油中淬火，发现有较严重变形：内孔涨大、失圆，内外圆翘曲，公法线长度变化，使产品合格率很低。剖切取样测量其内外表面的硬度发现，渗碳的齿面硬度58～61HRC, 未渗碳的内孔侧面淬火硬度不均, 壁厚处约20HRC, 壁薄处约30HRC ，如图5所示。

图5 汽车后桥齿轮的淬火变形及未渗碳部分的冷却速度带

考虑到该齿面淬火硬度已足够高，无淬裂，说明该工件渗层部位已落入第Ⅱ冷速区，因而把研究的目标集中到齿轮的内侧面。内侧面未渗碳，取20Cr 钢的端淬曲线中间值，画出其硬度-冷速分区图，由于硬度曲线随冷速降低变化很大，按本文后面将提到的原因，20Cr 钢属易变形钢种，其第II 冷速区很窄。工件内侧对应的冷却速度带大部分落入其第Ⅲ冷速区。

根据这种分析可以判定，该齿轮发生淬火变形的原因，主要是淬火中内侧部位冷速不足。在生产中造成内侧冷速慢的原因是，渗碳中工件串堆太高，且挂具底板上无通孔，淬火时串堆的齿轮已相当于一个平底杯子，底朝下淬入油中。由于" 杯" 内油的流动性不好，" 杯" 的内侧散热慢，内侧表面较长时间受蒸气膜笼罩，结果造成齿轮内外过大的冷速差，从相应的冷速带看，外面齿部在第Ⅱ冷速区，而内面在第Ⅲ冷速区。

又由于串堆在一起的齿轮有的在" 杯口" ，有的在" 杯中间" ，有的在" 杯底" ，冷却情况差别较大。结果，各个齿轮的变形情况又有不同，使得该工件的变形很不规律。串堆的齿轮越多，这种差别也越大。解决这种淬火变形的措施共三项:⑴改用蒸气膜阶段较短的专用快速淬火油，以加快" 杯" 内的冷却速度；⑵适当减少串堆齿轮件数(即" 杯" 的高度) ，以减少串堆中不同部位的冷速差异；⑶在挂具底板上多开通孔，以加快" 杯" 内淬火油的循环流动。采取这些措施后，该类齿轮的淬火变形问题得到了解决。

4．马氏体分级淬火控制淬火变形

马氏体分级淬火能控制淬火变形的原因，通常用

图6到图8加以说明。图6是普通淬火工艺的示

意图，由于是一冷到底，工件表面和心部的冷却

进程相差很大，因此工件的内应力大，淬火变形

也就大。

图7是高于Ms 点的马氏体分级淬火工艺的示意

图，由于经过高于Ms 点温度的分级处理，工件

表面和心部的温度基本一致，再缓慢冷却，发生

马氏体转变时，工件内外温差大大减小，结果，

淬火变形也小。图8是低于Ms 点的分级淬火工

艺的示意图，其减小淬火变形的原因与图7的解

释基本相同。

按照本文提出的方法，马氏体分级淬火控制淬火

变形的原因，应改用工件冷却速度带的位置和宽

度来加以说明。图9是对普通淬火的工艺的分

析。 图6 普通淬火的工艺示意图

图7 高于Ms 点的工艺示意图 图8 低于Ms 点的工艺示意图

图9 普通淬火的工艺过程和相应的冷却速度带位置

和前面的分析方法不同的是，图9中的两条冷却曲线代表的不再是工件的" 表面" 和" 心部" 的冷却过程，而是工件上参与淬火变形部位的" 快端" 和" 慢端" 的冷却过程。由于是一冷到底，在对应的硬度-冷速曲线上，冷却速度带的快端伸进了第I 区，这就引起了超差的淬火变形。快端向右退缩，至完全进入第II 冷速区，变形问题也就解决了。

按照这种分析方法，解决这类工件淬火变形问题的方法就是使冷却速度带的两端向右缩进到第II 区。马氏体分级淬火用以减小冷却速度带的宽度，并使其完全进入适度冷速区。图10中(a) 图9. 普通淬火的工艺过程(a)和 相应的冷却速度带位置(b) 和(b)分别是用本文的方法对高于与低于Ms 点的马氏体分级淬火控

制变形作用的分析。可以看出，马氏体分级淬火使冷却速度带的两端向右退缩，至完全进入第II 冷速区，变形问题也就解决了。

图10 马氏体分级淬火控制淬火变形原因分析

这里用到的也是工件上参与淬火变形部位的冷却速度带的快端和慢端，而不是工件的表面和心部。实际上，淬火冷却中，除标准的圆球并能完全均匀地冷却球面各部分的情况外，工件表面各部分的冷却速度相差是很大的，尤其是形状复杂的工件。实际生产中很难找到相当于图6到图8中" 表面" 的冷却过程曲线。所谓工件的心部，一般也是不好确定的。前面谈到，决定工件淬火变形大小的应当是冷却速度带相对于第II 区的位置，而不是工件上无法确定的" 表面" 和" 心部" 。 可以看出，能够用分级淬火方法解决的往往是形状较复杂，变形要求较严，因而其第II 区较窄的工件，用普通一冷到底的方法，其冷却速度带的快端伸入了过快冷速区(第I 区) ，而慢端在过快冷速区或在适度冷速区(第II 区) 的淬火变形问题。由于马氏体分级淬火冷速较慢，那些会使冷却速度带的慢端伸入了不足冷速区(第III 区) 的淬火变形问题，通常不能用马氏体分级淬火方法得到解决。这就是马氏体分级淬火只适用于尺寸较小的工件和淬透性较好的钢种的原因。可以推知，选用淬火冷却速度更快的分级淬火介质，可以成功地控制尺寸较大和淬透性更低钢种制件的淬火变形。

5．钢材品种和材质的因素

钢种不同，顶端淬火曲线的形状也不同。淬透性好的钢，其硬度随距离的变化较平缓，淬透性差的钢，变化比较陡。在硬度-冷速分区图上，淬透性好的钢种，第Ⅱ冷速区比较宽，而淬透性差的钢种，第Ⅱ冷速区则比较窄。淬透性好的钢，其第Ⅲ冷速区较宽，即硬度-冷速曲线变化速率不大；相反，淬透性差的钢的第Ⅲ冷速区变化陡，硬度随冷速变化较大，如图11所示。根据前面的道理，可以推知，钢种的淬透性越好，越容易控制工件的淬火变形。当然，随着钢的淬透性提高，其第Ⅰ冷速区也随之变宽，因而需要采用更缓慢的淬火介质来防止淬裂。

图11 硬度-冷速曲线形状与钢材淬透性高

低的关系

再看同一钢种的淬透性带图线，如图12所

示。当成分波动使钢材的淬透性取图中上

限时，其硬度-冷速关系成图中上面一条曲

线。而当成分波动取下限时，分区情况如

图中下方曲线所示。上端曲线的第Ⅰ冷速

区稍宽些，第Ⅱ、Ⅲ冷速区则进一步加宽；

下端曲线则相反。按前述道理推知，若同

一钢种发生成分波动引起淬透性波动时，

淬透性偏高的钢，比较容易控制工件的淬

火变形，淬透偏低时，则较难控制工件的 淬火变形。当然，淬透性偏高，尤其是因

碳含量偏高所致时，工件淬火的第Ⅰ冷速图12 钢的淬透性波动对冷速分区情

况的影响 区较宽，比较容易淬裂。

上述钢材方面的因素对工件淬火变形和开裂的影响规律，可以用来指导预防或解决淬火变形。有时候，可以通过改用淬透性更好的钢种，在相同条件下淬火，来控制工件的淬火变形。而当钢材成分波动使淬透性降低并因此发生淬火变形时，可以改用冷却速度更快的淬火介质来控制变形。为了预防钢材成分波动引起淬火变形，当用油淬火时，可以改用快速油或在现有的机油中加专配淬火油添加剂使其变成适合的快速淬火油，以覆盖可能的成分波动的影响。能这样做的另一个原因是，绝大多数钢种在油中(包括在快速油中) 不会淬裂。对于多数结构钢工件，使用合适的水溶性淬火剂，往往可以消除变形和开裂，其原因也在于淬火冷速更快，可以保证工件的冷却速度带不会伸入第Ⅲ冷速区。

五、基本措施的应用次序

上面介绍的四类调节冷却速度带基本措施，也就是控制淬火变形的四类基本方法。在热处理生产中，解决工件淬火变形问题时，如果有足够的实际经验，则可以判定直接采取某一类或几类措施；如果经验尚不足，则又可以按下面介绍的基本措施应用次序，逐一试用，直至解决问题为止。

第一条措施：改变热处理工艺参数

首先，可以根据淬火变形工件的冷却速度带的跨区情况，采取以下热处理工艺措施:

-提高或降低工件(或其局部) 的淬火加热温度；

-升高或降低淬火液液温；

-增大或减小淬火冷却过程中工件(或其局部) 对淬火液的相对流速。

采取一项或几项这类措施，通常可以解决不少淬火变形问题。

第二条措施：改变淬火液使用浓度

浓度易测易控的水溶性淬火剂配成的淬火液，适于采用这类措施。由于浓度变化后较难还原，因此，是在采取第1条措施尚不能解决问题时，才可考虑用第2条。

第三条措施：改换淬火介质品种或加入专配添加剂

改换介质包括:

-由自来水换成某种水溶性淬火液；

-由一种水溶性淬火液改成另一种水溶性淬火液；

-由自来水或水溶性淬火液改成油性介质；

-由普通机油改成某种淬火油；

-由一种淬火油改成另一种淬火油；

-由冷油改成热油；

-在普通机油中加入专配添加剂。

这都要根据工厂的情况和变形问题的特点来选定。由于这类改造是不可回复的，费用也较大，应当慎重些。为避免改换上的失误，事先应当对现用淬火液的冷却特性以及需要改成什么样的冷却特性的淬火液才能完成所希望的冷却速度带的变动有充分的了解。对于水性淬火液，主要考虑它的"300℃冷速" ，可以根据淬火剂的级别(或可以调节到的级别) 来选用。对于淬火油，由于淬裂倾向相当小，需要考虑的是它在淬火过程中的蒸气膜阶段长短，低温冷却速度高低，以及其出现最高冷速的温度和最高冷速值(淬火油的冷却速度分布) 。工件的钢种、形状、有效厚度和热处理要求不同，需要相适应的冷却特性分布的油, 才可以保证其冷却速度带全部落入第Ⅱ冷速区。但有一项经验对选用淬火油(或旧油作油改性) 有帮助：对于多数钢种，当淬火油的蒸气膜阶段较短，低温冷速较大, 以及最高冷速较高时，对保证淬硬和防止变形都很有效。

第四条措施：改换钢种

按传统的防止淬火变形措施，换钢种是工件在自来水中淬火发生变形后，改换成淬透性好的钢种，在机油中淬火来控制变形。对这种做法的习惯性解释为：原钢种在自来水中淬火，冷速太快，内应力过大引起了超差的淬火变形。改换成淬透性更好的钢种，由于油中冷得更慢些，内应力减小，因此可以减小淬火变形。这种做法通常有效。而对这种做法的解释则不尽全面。按本文方法做解释，换钢种用油淬火，首先是淬透性更好的钢种有更宽的第Ⅱ冷速区，可以使该工件在油中淬火时的冷却速度带全部落入第Ⅱ冷速区。说那种解释片面，是因为在自来水中淬火发生了超差变形，其原因可能有两种，一是工件的冷却速度带进入或部分伸入了其第Ⅰ冷速区，二是工件的冷速带进入或部分伸入了其第Ⅲ冷速区。当为第一种可能时，可以首先采取第1条措施去解决, 如果解决不了，可采取第2条、

第3条措施，以至再采取换钢种的措施。改换成淬透性更好的钢种成本高，从生产经营和节省合金元素资源上说，都不宜首先采用。当此类工件发生变形的原因是其冷却速度带进入或部分伸入了其第Ⅲ冷速区时，除可以采用第1步骤外, 还可以采取改换成碳量稍高、淬透性稍高的钢种，仍然在原自来水中淬火，同样可以解决淬火变形问题。

说那种解释法较片面，还可以从以下情况加以说明。当某工件在普通机油中淬火发生超差变形时，如果变形原因是工件的冷却速度带伸入了第Ⅰ冷速区，再采取那种改用淬透性更好的钢种显然会使问题更严重，而还想找比普通机油冷却更慢的介质，恐怕就只有分级淬火或空冷了。当变形原因是工件的冷却速度带进入了第Ⅲ冷速区时，解决变形问题的方法就应当是改用快速淬火油，对原用的机油做油改性添加，以及采用合适的水性淬火液。

综上分析，根据原淬火变形工件的冷却速度带的跨区情况，在采取前3步措施仍不能解决问题时才可考虑改换钢种，可以是改成淬透性更好的钢，也可以改用淬透性更差的钢。通常，改换钢种的同时应改换淬火介质。

第五条措施：改变零件结构设计

当采取上述四条措施仍无效后，可以考虑用这一种方法。改变零件设计的作用是可以改变零件第II 区的左右分界线的位置，如减少凹、凸部的尖锐度，使第II 区的左边界向左移而防止淬火变形或开裂；也可以是减小工件不同部位的厚度差使其冷却速度带变窄而完全进入第II 冷速区；还有将一个复杂的零件分成几个形状简单、厚度比较均匀的零件(即变成几个冷却速度带容易完全进入第II 冷速区的零件) 等等……。

六．淬火变形问题" 复杂" 的原因

热处理界通常认为" 淬火变形问题很复杂" ，" 解决变形问题的措施和方法时灵时不灵。即便把多项措施一起用上去，也不见得就行" 。在不少地方，问题确实如此。变形问题搞得这样复杂，原因在哪里呢？

用本文前面提出的方法和列出的移动冷却速度带的热处理工艺参数措施，制成控制淬火变形基本措施的作用方向简表如表1。表中列出了常见热处理工艺参数变化对冷却速度带的作用方向。比如，淬火加热温度升高，通常使工件淬火硬度升高，相当于使冷却速度带左移；而降低淬火加热温度的作用相反，是使冷却速度带右移。又如，增大工件与介质的相对流速，就会使冷却速度增加，其作用就是使冷却速度带左移，而减小相对流速的作用相反，是使冷却速度带右移……等等。

表1 控制淬火变形基本措施的作用方向简表

所有表列参数的增减引起冷却速度带的变化都分左移和右移两种。由于这些参数可以用来改变工件的淬火变形，也就都是解决变形问题的措施。显然，需要同时采取几种措施来解决工件的淬火变形问题时，只能把作用方向一致的措施用上。把作用方向相反的几种措施同时用于解决一个变形问题，其结果就很难说了，或许能解决变形问题、或许无效果、也或许会使工件的变形进一步增大。过去认为变形问题很复杂，解决问题的措施不灵等，原因是不明白各措施的作用方向，也不知道如何有方向地移动工件的冷却速度带。按本文提出的分析方法，找到所解决的变形问题需要向哪个方向移动冷却速度带，再根据具体情况，由简单到复杂，由成本低到成本高地把同方向的措施加上去，直到使冷却速度带完全进入其第II 冷速区，问题也就解决了。

七．解决淬火变形问题的途径和措施汇总表

在说明了解决淬火变形问题的思路、目标、措施之后，为增强理解，便于灵活应用，有必要再做一次汇总。

1．解决问提的途径

本文解决淬火变形的途径不外两类。一类是移动或收缩冷却速度带，使其完全落入该工件的第II 冷速区，如图13所示。另一类途径是移动第II 区的边界，直到把工件的冷却速度带框进去，如图14所示。

图13 移动或收缩冷却速度带使其完全落入第II 区

图14 移动第II 区的边界把冷却速度带框进去

2．解决问题的措施

讨论过的措施可以如表2所示分成三类。

表2 解决变形的措施分类表

其中，第一类措施是整体或局部移动冷却速度带的措施，主要是热处理工艺方法有关的条件和参数变化，如表1所示。

第二类措施是能移动第II 区边界的措施。通过有目的和方向的移动边界，直到把工件的冷却速度带完全框进其第II 冷速区中。属于这类的具体措施包括:a．改善钢的预备组织；b ．控制钢的化学成分；c ．改换钢种；d ．消除内应力等。 第三类措施是可能同时起到移动冷却速度带和第II 区边界的措施，主要包括改变零件设计方面的措施。这些措施有:a．减小零件上的应力集中，使I 、II 区分界线向左移；b ．减小不同部位的厚度差，使冷却速度带变窄；c ．改善零件的对称性，使II 区变宽；d ．做成分体式，把问题简单化