熱處理淬火介質的新進展
2009-09-16 作者：李茂山；張克儉
摘 要：論述了淬火介質在熱處理生產中的重要性及我國淬火介質的現狀，介紹了淬火介質的分類、特性及水、油等常用淬火介質的優缺點，新型淬火介質及其應用。在此基礎上，提出了淬火介質的發展方向。
關鍵詞：熱處理；淬火介質；淬火冷卻技術
關鍵詞：熱處理；淬火介質；淬火冷卻技術
New Development of Quenching Medium for Heat Treatment
Li Maoshan （Institute No.52 Ordnance Industry of China，Baotou 014034）
Zhang Kejian （Beijing Huali Fine Chem.Co.，Beijing 102200）
Li Maoshan （Institute No.52 Ordnance Industry of China，Baotou 014034）
Zhang Kejian （Beijing Huali Fine Chem.Co.，Beijing 102200）
【Abstract】 The importance of quenching medium as well as present conditions of quenching medium at home was discussed．Classification and characterization of quenching medium，advantage and disadvantage of oil，water etc．used as quenching medium，a new type of quenching medium and its application were introduced．Based on these analysis，the developing direction of quenching medium was recommended．
Key words：heat treatment，quenching medium，quenching technique
多年來，我國在淬火介質的研究和應用方面，做了大量的工作，取得了一定的成績，基本上滿足了熱處理生產的需要，但與國外的先進水平相比差距很大。同時，由于在熱處理行業中長期存在著“重熱輕冷”（即重視工件的加熱技術，而輕視淬火冷卻技術）的傾向，且淬火冷卻的生產實踐又滯后于冷卻轉變的理論研究，致使淬火冷卻技術落后于熱處理其它技術領域的發展，是熱處理行業中的一個薄弱環節。為了縮短我國淬火介質與國外的差距，并能與熱處理的其它技術領域同步發展，滿足熱處理技術進步和對熱處理工件質量的更高要求，我們必須重視并大力加強淬火介質的研究和推廣應用工作。
1 淬火介質的分類及特性
實際使用的淬火介質種類繁多，一般可分為液體（水、無機物水溶液、有機聚合物水溶液、淬火油、熔融金屬、熔鹽、熔堿等）、氣體（空氣、壓縮空氣、液化氣等）、固體（流態床、金屬板等）3大類。其中，水、無機物水溶液、有機聚合物水溶液、各種淬火油等，在淬火時要發生物態變化，而氣體、熔融金屬、熔鹽、熔堿、金屬板等，在淬火時則不發生物態變化［1］。
工件淬火希望的理想效果是獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度，消除淬火裂紋和減小淬火變形。因此，理想的淬火介質應當是，當淬火工件浸入淬火介質中，為了獲得馬氏體組織，在過冷奧氏體穩定性低的溫度范圍，即C曲線的鼻溫附近，冷卻速度應大于臨界冷卻速度，使工件快速通過珠光體和貝氏體轉變區，保證工件淬火后得到足夠的硬度；而在Ms點和A1點稍下的溫度，希望工件的冷卻速度盡量緩慢，以減少由于工件內外溫度差而引起的熱應力和組織應力，從而可以有效地防止工件的變形和開裂。即通常所說的實現“高溫階段快冷，低溫階段慢冷”的理想冷卻。但這樣的淬火介質在實踐中是很難找到的。
通常對淬火介質特性的要求是應滿足鋼的奧氏體冷卻轉變曲線對冷卻速度的要求，避免工件變形和開裂；淬火后工件表面應保持清潔，即使有粘附物也易于清洗，不腐蝕工件；在使用過程中性能穩定，不分解、不變質、不老化、易于控制；工件浸入時不產生大量煙霧和有害氣體，以保持良好的勞動條件；便于配制、運輸和儲存，使用安全；原材料易得，成本低廉。
淬火介質的冷卻能力，主要取決于該介質的組成及其物理化學性能。在實際生產中，要注意淬火介質冷卻特性對淬火工件質量的影響，并根據工件含碳量多少、淬透性高低、有效厚度和形狀復雜程度等因素，來選擇合適的淬火介質。采用同一種淬火介質，如果能夠改進冷卻方法和適當調整工藝參數，則可以獲得Z佳的淬火效果。例如，對淬火介質進行循環、攪拌或施以一定的壓力通過工件表面時，可提高淬火介質的冷卻能力和工件冷卻的均勻性，這對于避免形成淬火軟點、減少變形和開裂具有良好的作用。
2 常用淬火介質的優缺點
2.1 水
水是應用Z早、Z廣泛、Z經濟的淬火介質，它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學性能穩定、冷卻能力很強。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設備，且工件淬火后的性能不太穩定，故未能獲得推廣應用。所以說，純水只適合于少數含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。
2.2 淬火油
用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎油，它具有閃點高、粘度低、油煙少、油垢少，抗氧化性與熱穩定性較好，使用壽命長等優點，適合于作淬火油使用。淬火油只適用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環境的污染大，淬火時易引起火災，需配備必要的清洗、通風和防火安全設施。
影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。普通機油的使用溫度一般都控制在60～80℃，Z高不超過120℃，以保證使用安全。另外，淬火油在使用過程中，因形成的炭黑及殘渣等會使粘度增加，閃點升高，降低其冷卻能力，致使淬火油老化和失效。淬火油的閃點、粘度、酸值、皂化值的變化是其臨近老化的重要數據，因此，必須進行定期檢測和維護，定期沉降過濾，適時補充新油，這對于延長淬火油的使用壽命是很重要的。
由于各種淬火油的組成不同，其密度、粘度和閃點也不相同，因而具有不同的種類和使用范圍。在油中加入各種不同的添加劑（如催化劑、光亮劑、抗氧化劑等），再配合攪拌、噴淋、超聲強化和改進淬火設備等，能大幅度提高淬火油的冷卻速度，改善冷卻的均勻性，或使工件表面光亮潔凈，或延長淬火油的使用壽命。隨著熱處理技術的發展，各種淬火油（如普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫、分級淬火油等）也得到迅速發展和廣泛應用，國外一些先進國家和我國都已形成了完整的淬火油系列產品供用戶選用。例如，北京華立精細化工公司生產的今禹Y15快速光亮淬火油、Y15D厚大件快速淬火油、Y35等溫快速淬火油、YG光亮淬火油等，其冷卻特性、熱穩定性和有效壽命等方面已達到進口淬火油的水平，而價格只有進口淬火油的一半；還生產Y15T、Y15DT、Y35T、
YGT等淬火油添加劑，將其按10％的比例加入到適當的油中，能使油的冷卻能力大幅度提高，可獲得相應牌號的淬火油。
2.3 熔鹽、熔堿
這類淬火介質的特點是在冷卻過程中不發生物態變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區域冷卻速度快，在低溫區域冷卻速度慢，淬火性能優良，淬透力強，淬火變形小，基本無裂紋產生，但是對環境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復雜、截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕作用。熔堿有氫氧化鈉、氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時應注意通風和采取防護措施。
3 新型淬火介質及其應用
3.1 有機聚合物淬火劑
近年來，新型淬火介質Z引人注目的進展是有機聚合物淬火劑的研究和應用。這類淬火介質是將有機聚合物溶解于水中，并根據需要調整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優點是無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化、使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可調，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質量，改善工作環境和勞動條件，給工廠帶來節能、環保、技術和經濟效益。目前有機聚合物淬火劑在大批量、單一品種的熱處理上用得較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機聚合物淬火劑更是成功的選擇。采用有機聚合物淬火劑比用淬火油更經濟、高效、節能。從提高工件質量、改善勞動條件、避免火災和節能的角度考慮，有機聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢（原用于淬火油的循環冷卻系統在改用有機聚合物淬火劑時，可不必修改更換），是淬火介質的主要發展方向。
有機聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度、使用溫度和攪拌程度3個基本參數的影響。一般說來，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要：①使溶液濃度均勻；②加強溶液的導熱能力，從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產生淬火軟點和變形、開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調整有機聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達到理想的淬火效果。一般說來，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機聚合物淬火劑大多制成含水的濃縮液出售，在使用時可根據工件的特點和技術要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應不同的淬火需要。另外，注意精心維護，防止污染，盡量保持淬火液的良好清潔度，對長期穩定地用好有機聚合物淬火劑是相當重要的。
不同種類的有機聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩定性，能適合不同淬火工藝的需要［2］。目前世界上使用Z穩定、應用面Z廣的有機聚合物淬火劑是聚烷撐二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點的產生，使用壽命長，適合于各類感應加熱淬火和整體淬火。此外，聚丙烯酸鹽（ACR）類淬火劑和聚氧化吡咯烷酮（PVP）類淬火劑，屬無逆溶性品種，其300℃冷卻速度較慢，也有人使用。曾經得到大力宣傳推廣的聚乙基惡唑啉（PEO）類淬火劑，也有逆溶性，其300℃冷卻速度可以降到與油相當的程度，但因生產應用中存在一些問題［3］，在國外實際應用得不多，在我國的情況也大體如此。
有機聚合物淬火劑在國外已有40多年的發展歷史，美國、日本和原蘇聯等國家都進行了大量深入的研究，并得到了廣泛的應用。近年來在我國也開展了試驗研究工作，已有多種有機聚合物淬火劑研制成功，如北京機電研究所研制的聚醚-乙二醇、江西工學院研制的羥乙基纖維素、沈陽工業大學研制的XL水溶性淬火介質等［4］，并有多家工廠提供系列產品用于生產，例如，由北京華立精細化工公司開發生產的今禹8-20和8-50水溶性淬火劑，系選用國外優質原材料和添加劑精制而成，屬PAG類淬火劑，具有冷卻特性可調，濃度易測易控，熱穩定性好，抗污染性強，使用壽命長，對淬火槽和工件有很好的防腐防銹性，淬火時無煙氣、不燃燒，生產環境清潔，帶出量少，淬火后工件可不清洗而直接回火等一系列優點，是一種優良的水溶性淬火介質品牌，適用于碳素鋼、合金鋼的淬火冷卻，到目前為止，已在全國20多個省市自治區、200多家工廠得到成功應用。此外，由深圳好富頓公司生產的AQ251、AQ364屬PAG類淬火劑，AQ3610屬PEO類淬火劑，由美國聯合碳化公司生產的UCON A、UCON E屬PAG類淬火劑等，也得到了一定的應用。
3.2 無機物水溶液淬火劑
向水中加入適量的某些無機鹽、堿或其混合物，形成各種不同的無機物水溶液，可提高工件在高溫區的冷卻速度，改善冷卻均勻性，使工件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開裂和變形，且無毒、無污染，工件易清洗，使用管理方便。
常用的無機物水溶液淬火劑有：
（1） 氯化鈉水溶液：常用的濃度為10％～15％，鹽水溫度為20～40℃，其冷卻均勻性好，淬透能力強，淬火硬度高，能減少淬火裂紋、變形和軟點的產生，無污染，成本低，廣泛用于碳素工具鋼及部分結構鋼工件的淬火。但鹽水對工件有銹蝕作用，所以淬火后要進行清洗。
（2） 氫氧化鈉水溶液：常用的濃度有10％和50％兩類。當濃度為10％時，在高溫區的冷卻速度比純水和鹽水都高，而在低溫區的冷卻速度比純水和鹽水稍低，因而工件淬火后硬度高又均勻，不易產生裂紋和變形，且工件表面光亮美觀，適用于淬透性較低的鋼的淬火；當濃度為50％時，在高溫區和低溫區的冷卻速度都顯著降低，適用于易產生變形和裂紋的鋼的淬火。但氫氧化鈉水溶液腐蝕性較強，使用時要注意防護。
（3） 氯化鈣水溶液：可代替水-油雙介質淬火，適用于碳鋼和低合金結構鋼的淬火。
（4） 氯化鎂水溶液：高濃度時，沸點和粘度較高，低溫階段（100～300℃）的冷卻速度明顯降低，而在高溫區（～600℃）保持較高的冷卻速度，能使工件淬火后獲得較高的硬度，并可減少變形和開裂。
（5） 過飽和硝鹽水溶液：主要是三硝水溶液，其冷卻能力較為理想，而且能減少變形和開裂，可代替水-油雙介質淬火，適用于碳鋼和低淬透性合金鋼的淬火。
（6） 碳酸鈉水溶液：常用濃度為3％～15％，其冷卻能力在同樣濃度下比氯化鈉水溶液略低一些。
（7） 水玻璃水溶液：將水玻璃用水稀釋，并添加一些鹽、堿，可提高其冷卻速度，用來代替水-油雙介質淬火，也可代替淬火油。
目前我國已研制成功了一些新品種的無機物水溶液淬火劑，并在熱處理生產中獲得了一定程度的應用，例如，氯化鋅、氯化鈣水溶液淬火劑，具有良好的淬硬淬透冷卻能力，工件淬火開裂小、變形小，且無毒無害，可用于45鋼、T10、40Cr、GCr15等鋼材的淬火，是值得推廣的新型無機物水溶液淬火劑。
3.3 流態床冷卻
流態床淬火槽的冷卻能力一般介于空氣和油之間，而比較接近油。其優點為冷卻能力在一定范圍內穩定可調，冷卻均勻，工件變形和開裂傾向小，表面光潔，淬火后不需清洗，流態床不老化、污染少、使用安全、可實現程序控制。采用流態床冷卻可取代鹽浴淬火，為雙液淬火、貝氏體等溫淬火、馬氏體分級淬火提供了可供選用的方法，適合于用高淬透性合金鋼制作的形狀復雜和截面不大的工件的淬火。近年來，人們對流態床的冷卻特性和機理進行了大量的試驗研究工作，并已在鋼鐵和鋁合金熱處理的淬火冷卻中得到應用，其發展前景令人矚目。
4 淬火介質的發展方向
4.1 加強淬火冷卻的基礎理論研究
淬火冷卻是一個非常復雜的過程，鋼的奧氏體連續冷卻轉變機理，新型淬火介質的原理，水溶性淬火劑的濃度、液溫和攪拌程度對淬火烈度的影響，淬火介質冷卻特性對淬火工件質量的影響，淬火烈度與淬火工件硬度分布的相互關系，淬火工件的Z佳內應力及其控制方法，淬火介質冷卻能力的測定和評價，淬火介質的污染過程及其維護，淬火過程的計算機模擬和數學模型的建立等方面的研究要加強。這些對于發展新型淬火介質，改進和提高原有淬火介質的性能，完善淬火工藝，減少工件變形和開裂，提高工件的性能和質量，都具有重要的指導意義。
4.2 不斷改進和提高原有淬火介質的性能
水和油等常用淬火介質的使用效果并不理想，通常有“水淬開裂，油淬不硬”的說法，已越來越不能滿足熱處理生產的要求，為此要對原有的淬火介質進行改進。例如，在水中加入無機鹽和有機聚合物，可以不同程度地降低工件淬火時的低溫冷卻速度，因而能防止工件淬裂和變形，或獲得更高的淬火硬度和更深的淬硬深度，從而提高淬火工件的質量。對于淬火油在保留其原來優點的基礎上，提高其冷卻速度和改善其某些特性后，仍然是很有前途的淬火介質。如開發添加有催冷劑、抗氧化劑、光亮劑等的高效多用淬火油，可以獲得更強的冷卻能力和更合理的冷卻速度分布和更長的使用壽命，或者更能保持工件表面的光亮性，更能減少工件的變形和開裂，從而實現一油多用。此外，改進淬火設備，用物理方法（攪拌、噴淋、超聲等）來強化冷卻，都可以提高淬火油的冷卻速度，滿足淬火工藝的要求。
4.3 大力研究開發和應用新型淬火介質
無機物水溶液淬火劑和有機聚合物淬火劑是我國淬火介質的發展重點，特別是要加強對有機聚合物淬火劑的研究，并擴大其應用。隨著研究工作的深入，有機聚合物淬火劑的適用性、穩定性和經濟性進一步提高，應用也越來越廣泛。我們要密切注視和分析研究國外的發展動態，跟蹤國外新型有機聚合物淬火劑的研究和應用成果，研制生產出立足于國內、符合于國情，冷卻速度介于水和油之間，并可根據需要調整冷卻速度的新型有機聚合物淬火劑。對已經研制成功并投產的有機聚合物淬火劑，要增加品種、提高質量、降低成本、穩定貨源、保證供應，搞好售前咨詢和售后技術服務，爭創名牌產品，以滿足大批量、低成本淬火工藝的要求。大力推廣應用新型淬火介質，加強生產現場的使用管理與維護，則是用好新型淬火介質的前提。上述這些應成為我國今后新型淬火介質的研究方向和工作重點。
4.4 新型淬火介質與新的淬火冷卻方法密切配合
為了使工件實現理想的冷卻，獲得Z佳的淬火效果，除根據實際情況選用新型淬火介質外，還需不斷改進現有的淬火方法，并采用新的淬火方法。這些新的淬火方法有［5］：
（1） 高壓氣冷淬火法：工件在強惰性氣流中快速均勻冷卻，可防止表面氧化，避免開裂，減少變形，保證達到所要求的硬度，主要用于工模具鋼的淬火。這項技術Z近進展較快，應用范圍也有很大擴展。
（2） 強烈淬火法：采用高壓噴射淬火介質，使其強烈地噴射在工件表面上，通過控制噴射淬火介質的壓力、流量和配比，調整其冷卻能力，促進均勻冷卻，能獲得表面硬度均勻且變形小的優質工件。
（3） 水-空氣混合劑冷卻法：通過調節水和空氣的壓力以及霧化噴嘴到工件表面之間的距離，可以改變水-空氣混合劑的冷卻能力，并使冷卻均勻。該法已成功地應用于表面感應加熱淬火。
（4） 沸騰水淬火法：采用100℃的沸騰水冷卻，可獲得較好的硬化效果，用于鋼的淬火或正火。
（5） 熱油淬火法：采用熱的淬火油，使工件在進一步冷卻之前的溫度等于或接近Ms點的溫度，以便把溫度差減至Z小，能有效地防止淬火工件的變形和開裂。
（6） 深冷處理法：將淬火工件由常溫繼續冷卻到更低的溫度，使殘留奧氏體繼續轉變為馬氏體，其目的是提高鋼的硬度和耐磨性，改善工件的組織穩定性和尺寸穩定性，有效地提高工模具的使用壽命。
5 結論
綜上所述，淬火介質是實施淬火工藝過程的重要保證，對熱處理后工件的質量有著很大的影響。但我國在淬火介質應用方面與國外的差距很大，是熱處理行業中的薄弱環節，應給予重視和加強。發展新型的淬火介質和改進原有淬火介質的性能，是淬火介質的重要發展方向。優良的新型淬火介質，是集當代先進科技成果之大成的高科技產品，它不僅應有優質的實物產品（硬件產品），還應有與之相配套的使用維護技術（軟件產品），以滿足熱處理生產發展的需要。積極研究開發和推廣應用新型淬火介質，已成為改變我國熱處理生產落后面貌，提高機械產品質量的當務之急，在熱處理生產中可以收到事半功倍的效果。
作者單位：
李茂山：中國兵器工業第五二研究所（包頭 014034）
張克儉：北京華立精細化工公司（北京 102200）
參考文獻：
1 中國機械工程學會熱處理專業學會編.熱處理手冊，第2版第1卷.北京：機械工業出版社，1992：153～154
2 金義華，尹付成.聚合物淬火介質的正確選用.國外金屬熱處理，1997，18（5）：28～29
3 鳴海孝雄.水溶性燒入液の現狀.熱處理，1995，35（4）：211
4 譚家俊，李國俊主編.國內外金屬材料及熱處理技術現狀與發展．北京：國防工業出版社，1995：230
5 熊劍主編.國外熱處理新技術.北京：冶金工業出版社，1990：577～586
Key words：heat treatment，quenching medium，quenching technique
多年來，我國在淬火介質的研究和應用方面，做了大量的工作，取得了一定的成績，基本上滿足了熱處理生產的需要，但與國外的先進水平相比差距很大。同時，由于在熱處理行業中長期存在著“重熱輕冷”（即重視工件的加熱技術，而輕視淬火冷卻技術）的傾向，且淬火冷卻的生產實踐又滯后于冷卻轉變的理論研究，致使淬火冷卻技術落后于熱處理其它技術領域的發展，是熱處理行業中的一個薄弱環節。為了縮短我國淬火介質與國外的差距，并能與熱處理的其它技術領域同步發展，滿足熱處理技術進步和對熱處理工件質量的更高要求，我們必須重視并大力加強淬火介質的研究和推廣應用工作。
1 淬火介質的分類及特性
實際使用的淬火介質種類繁多，一般可分為液體（水、無機物水溶液、有機聚合物水溶液、淬火油、熔融金屬、熔鹽、熔堿等）、氣體（空氣、壓縮空氣、液化氣等）、固體（流態床、金屬板等）3大類。其中，水、無機物水溶液、有機聚合物水溶液、各種淬火油等，在淬火時要發生物態變化，而氣體、熔融金屬、熔鹽、熔堿、金屬板等，在淬火時則不發生物態變化［1］。
工件淬火希望的理想效果是獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度，消除淬火裂紋和減小淬火變形。因此，理想的淬火介質應當是，當淬火工件浸入淬火介質中，為了獲得馬氏體組織，在過冷奧氏體穩定性低的溫度范圍，即C曲線的鼻溫附近，冷卻速度應大于臨界冷卻速度，使工件快速通過珠光體和貝氏體轉變區，保證工件淬火后得到足夠的硬度；而在Ms點和A1點稍下的溫度，希望工件的冷卻速度盡量緩慢，以減少由于工件內外溫度差而引起的熱應力和組織應力，從而可以有效地防止工件的變形和開裂。即通常所說的實現“高溫階段快冷，低溫階段慢冷”的理想冷卻。但這樣的淬火介質在實踐中是很難找到的。
通常對淬火介質特性的要求是應滿足鋼的奧氏體冷卻轉變曲線對冷卻速度的要求，避免工件變形和開裂；淬火后工件表面應保持清潔，即使有粘附物也易于清洗，不腐蝕工件；在使用過程中性能穩定，不分解、不變質、不老化、易于控制；工件浸入時不產生大量煙霧和有害氣體，以保持良好的勞動條件；便于配制、運輸和儲存，使用安全；原材料易得，成本低廉。
淬火介質的冷卻能力，主要取決于該介質的組成及其物理化學性能。在實際生產中，要注意淬火介質冷卻特性對淬火工件質量的影響，并根據工件含碳量多少、淬透性高低、有效厚度和形狀復雜程度等因素，來選擇合適的淬火介質。采用同一種淬火介質，如果能夠改進冷卻方法和適當調整工藝參數，則可以獲得Z佳的淬火效果。例如，對淬火介質進行循環、攪拌或施以一定的壓力通過工件表面時，可提高淬火介質的冷卻能力和工件冷卻的均勻性，這對于避免形成淬火軟點、減少變形和開裂具有良好的作用。
2 常用淬火介質的優缺點
2.1 水
水是應用Z早、Z廣泛、Z經濟的淬火介質，它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學性能穩定、冷卻能力很強。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設備，且工件淬火后的性能不太穩定，故未能獲得推廣應用。所以說，純水只適合于少數含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。
2.2 淬火油
用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎油，它具有閃點高、粘度低、油煙少、油垢少，抗氧化性與熱穩定性較好，使用壽命長等優點，適合于作淬火油使用。淬火油只適用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環境的污染大，淬火時易引起火災，需配備必要的清洗、通風和防火安全設施。
影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。普通機油的使用溫度一般都控制在60～80℃，Z高不超過120℃，以保證使用安全。另外，淬火油在使用過程中，因形成的炭黑及殘渣等會使粘度增加，閃點升高，降低其冷卻能力，致使淬火油老化和失效。淬火油的閃點、粘度、酸值、皂化值的變化是其臨近老化的重要數據，因此，必須進行定期檢測和維護，定期沉降過濾，適時補充新油，這對于延長淬火油的使用壽命是很重要的。
由于各種淬火油的組成不同，其密度、粘度和閃點也不相同，因而具有不同的種類和使用范圍。在油中加入各種不同的添加劑（如催化劑、光亮劑、抗氧化劑等），再配合攪拌、噴淋、超聲強化和改進淬火設備等，能大幅度提高淬火油的冷卻速度，改善冷卻的均勻性，或使工件表面光亮潔凈，或延長淬火油的使用壽命。隨著熱處理技術的發展，各種淬火油（如普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫、分級淬火油等）也得到迅速發展和廣泛應用，國外一些先進國家和我國都已形成了完整的淬火油系列產品供用戶選用。例如，北京華立精細化工公司生產的今禹Y15快速光亮淬火油、Y15D厚大件快速淬火油、Y35等溫快速淬火油、YG光亮淬火油等，其冷卻特性、熱穩定性和有效壽命等方面已達到進口淬火油的水平，而價格只有進口淬火油的一半；還生產Y15T、Y15DT、Y35T、
YGT等淬火油添加劑，將其按10％的比例加入到適當的油中，能使油的冷卻能力大幅度提高，可獲得相應牌號的淬火油。
2.3 熔鹽、熔堿
這類淬火介質的特點是在冷卻過程中不發生物態變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區域冷卻速度快，在低溫區域冷卻速度慢，淬火性能優良，淬透力強，淬火變形小，基本無裂紋產生，但是對環境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復雜、截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕作用。熔堿有氫氧化鈉、氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時應注意通風和采取防護措施。
3 新型淬火介質及其應用
3.1 有機聚合物淬火劑
近年來，新型淬火介質Z引人注目的進展是有機聚合物淬火劑的研究和應用。這類淬火介質是將有機聚合物溶解于水中，并根據需要調整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優點是無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化、使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可調，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質量，改善工作環境和勞動條件，給工廠帶來節能、環保、技術和經濟效益。目前有機聚合物淬火劑在大批量、單一品種的熱處理上用得較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機聚合物淬火劑更是成功的選擇。采用有機聚合物淬火劑比用淬火油更經濟、高效、節能。從提高工件質量、改善勞動條件、避免火災和節能的角度考慮，有機聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢（原用于淬火油的循環冷卻系統在改用有機聚合物淬火劑時，可不必修改更換），是淬火介質的主要發展方向。
有機聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度、使用溫度和攪拌程度3個基本參數的影響。一般說來，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要：①使溶液濃度均勻；②加強溶液的導熱能力，從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產生淬火軟點和變形、開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調整有機聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達到理想的淬火效果。一般說來，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機聚合物淬火劑大多制成含水的濃縮液出售，在使用時可根據工件的特點和技術要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應不同的淬火需要。另外，注意精心維護，防止污染，盡量保持淬火液的良好清潔度，對長期穩定地用好有機聚合物淬火劑是相當重要的。
不同種類的有機聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩定性，能適合不同淬火工藝的需要［2］。目前世界上使用Z穩定、應用面Z廣的有機聚合物淬火劑是聚烷撐二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點的產生，使用壽命長，適合于各類感應加熱淬火和整體淬火。此外，聚丙烯酸鹽（ACR）類淬火劑和聚氧化吡咯烷酮（PVP）類淬火劑，屬無逆溶性品種，其300℃冷卻速度較慢，也有人使用。曾經得到大力宣傳推廣的聚乙基惡唑啉（PEO）類淬火劑，也有逆溶性，其300℃冷卻速度可以降到與油相當的程度，但因生產應用中存在一些問題［3］，在國外實際應用得不多，在我國的情況也大體如此。
有機聚合物淬火劑在國外已有40多年的發展歷史，美國、日本和原蘇聯等國家都進行了大量深入的研究，并得到了廣泛的應用。近年來在我國也開展了試驗研究工作，已有多種有機聚合物淬火劑研制成功，如北京機電研究所研制的聚醚-乙二醇、江西工學院研制的羥乙基纖維素、沈陽工業大學研制的XL水溶性淬火介質等［4］，并有多家工廠提供系列產品用于生產，例如，由北京華立精細化工公司開發生產的今禹8-20和8-50水溶性淬火劑，系選用國外優質原材料和添加劑精制而成，屬PAG類淬火劑，具有冷卻特性可調，濃度易測易控，熱穩定性好，抗污染性強，使用壽命長，對淬火槽和工件有很好的防腐防銹性，淬火時無煙氣、不燃燒，生產環境清潔，帶出量少，淬火后工件可不清洗而直接回火等一系列優點，是一種優良的水溶性淬火介質品牌，適用于碳素鋼、合金鋼的淬火冷卻，到目前為止，已在全國20多個省市自治區、200多家工廠得到成功應用。此外，由深圳好富頓公司生產的AQ251、AQ364屬PAG類淬火劑，AQ3610屬PEO類淬火劑，由美國聯合碳化公司生產的UCON A、UCON E屬PAG類淬火劑等，也得到了一定的應用。
3.2 無機物水溶液淬火劑
向水中加入適量的某些無機鹽、堿或其混合物，形成各種不同的無機物水溶液，可提高工件在高溫區的冷卻速度，改善冷卻均勻性，使工件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開裂和變形，且無毒、無污染，工件易清洗，使用管理方便。
常用的無機物水溶液淬火劑有：
（1） 氯化鈉水溶液：常用的濃度為10％～15％，鹽水溫度為20～40℃，其冷卻均勻性好，淬透能力強，淬火硬度高，能減少淬火裂紋、變形和軟點的產生，無污染，成本低，廣泛用于碳素工具鋼及部分結構鋼工件的淬火。但鹽水對工件有銹蝕作用，所以淬火后要進行清洗。
（2） 氫氧化鈉水溶液：常用的濃度有10％和50％兩類。當濃度為10％時，在高溫區的冷卻速度比純水和鹽水都高，而在低溫區的冷卻速度比純水和鹽水稍低，因而工件淬火后硬度高又均勻，不易產生裂紋和變形，且工件表面光亮美觀，適用于淬透性較低的鋼的淬火；當濃度為50％時，在高溫區和低溫區的冷卻速度都顯著降低，適用于易產生變形和裂紋的鋼的淬火。但氫氧化鈉水溶液腐蝕性較強，使用時要注意防護。
（3） 氯化鈣水溶液：可代替水-油雙介質淬火，適用于碳鋼和低合金結構鋼的淬火。
（4） 氯化鎂水溶液：高濃度時，沸點和粘度較高，低溫階段（100～300℃）的冷卻速度明顯降低，而在高溫區（～600℃）保持較高的冷卻速度，能使工件淬火后獲得較高的硬度，并可減少變形和開裂。
（5） 過飽和硝鹽水溶液：主要是三硝水溶液，其冷卻能力較為理想，而且能減少變形和開裂，可代替水-油雙介質淬火，適用于碳鋼和低淬透性合金鋼的淬火。
（6） 碳酸鈉水溶液：常用濃度為3％～15％，其冷卻能力在同樣濃度下比氯化鈉水溶液略低一些。
（7） 水玻璃水溶液：將水玻璃用水稀釋，并添加一些鹽、堿，可提高其冷卻速度，用來代替水-油雙介質淬火，也可代替淬火油。
目前我國已研制成功了一些新品種的無機物水溶液淬火劑，并在熱處理生產中獲得了一定程度的應用，例如，氯化鋅、氯化鈣水溶液淬火劑，具有良好的淬硬淬透冷卻能力，工件淬火開裂小、變形小，且無毒無害，可用于45鋼、T10、40Cr、GCr15等鋼材的淬火，是值得推廣的新型無機物水溶液淬火劑。
3.3 流態床冷卻
流態床淬火槽的冷卻能力一般介于空氣和油之間，而比較接近油。其優點為冷卻能力在一定范圍內穩定可調，冷卻均勻，工件變形和開裂傾向小，表面光潔，淬火后不需清洗，流態床不老化、污染少、使用安全、可實現程序控制。采用流態床冷卻可取代鹽浴淬火，為雙液淬火、貝氏體等溫淬火、馬氏體分級淬火提供了可供選用的方法，適合于用高淬透性合金鋼制作的形狀復雜和截面不大的工件的淬火。近年來，人們對流態床的冷卻特性和機理進行了大量的試驗研究工作，并已在鋼鐵和鋁合金熱處理的淬火冷卻中得到應用，其發展前景令人矚目。
4 淬火介質的發展方向
4.1 加強淬火冷卻的基礎理論研究
淬火冷卻是一個非常復雜的過程，鋼的奧氏體連續冷卻轉變機理，新型淬火介質的原理，水溶性淬火劑的濃度、液溫和攪拌程度對淬火烈度的影響，淬火介質冷卻特性對淬火工件質量的影響，淬火烈度與淬火工件硬度分布的相互關系，淬火工件的Z佳內應力及其控制方法，淬火介質冷卻能力的測定和評價，淬火介質的污染過程及其維護，淬火過程的計算機模擬和數學模型的建立等方面的研究要加強。這些對于發展新型淬火介質，改進和提高原有淬火介質的性能，完善淬火工藝，減少工件變形和開裂，提高工件的性能和質量，都具有重要的指導意義。
4.2 不斷改進和提高原有淬火介質的性能
水和油等常用淬火介質的使用效果并不理想，通常有“水淬開裂，油淬不硬”的說法，已越來越不能滿足熱處理生產的要求，為此要對原有的淬火介質進行改進。例如，在水中加入無機鹽和有機聚合物，可以不同程度地降低工件淬火時的低溫冷卻速度，因而能防止工件淬裂和變形，或獲得更高的淬火硬度和更深的淬硬深度，從而提高淬火工件的質量。對于淬火油在保留其原來優點的基礎上，提高其冷卻速度和改善其某些特性后，仍然是很有前途的淬火介質。如開發添加有催冷劑、抗氧化劑、光亮劑等的高效多用淬火油，可以獲得更強的冷卻能力和更合理的冷卻速度分布和更長的使用壽命，或者更能保持工件表面的光亮性，更能減少工件的變形和開裂，從而實現一油多用。此外，改進淬火設備，用物理方法（攪拌、噴淋、超聲等）來強化冷卻，都可以提高淬火油的冷卻速度，滿足淬火工藝的要求。
4.3 大力研究開發和應用新型淬火介質
無機物水溶液淬火劑和有機聚合物淬火劑是我國淬火介質的發展重點，特別是要加強對有機聚合物淬火劑的研究，并擴大其應用。隨著研究工作的深入，有機聚合物淬火劑的適用性、穩定性和經濟性進一步提高，應用也越來越廣泛。我們要密切注視和分析研究國外的發展動態，跟蹤國外新型有機聚合物淬火劑的研究和應用成果，研制生產出立足于國內、符合于國情，冷卻速度介于水和油之間，并可根據需要調整冷卻速度的新型有機聚合物淬火劑。對已經研制成功并投產的有機聚合物淬火劑，要增加品種、提高質量、降低成本、穩定貨源、保證供應，搞好售前咨詢和售后技術服務，爭創名牌產品，以滿足大批量、低成本淬火工藝的要求。大力推廣應用新型淬火介質，加強生產現場的使用管理與維護，則是用好新型淬火介質的前提。上述這些應成為我國今后新型淬火介質的研究方向和工作重點。
4.4 新型淬火介質與新的淬火冷卻方法密切配合
為了使工件實現理想的冷卻，獲得Z佳的淬火效果，除根據實際情況選用新型淬火介質外，還需不斷改進現有的淬火方法，并采用新的淬火方法。這些新的淬火方法有［5］：
（1） 高壓氣冷淬火法：工件在強惰性氣流中快速均勻冷卻，可防止表面氧化，避免開裂，減少變形，保證達到所要求的硬度，主要用于工模具鋼的淬火。這項技術Z近進展較快，應用范圍也有很大擴展。
（2） 強烈淬火法：采用高壓噴射淬火介質，使其強烈地噴射在工件表面上，通過控制噴射淬火介質的壓力、流量和配比，調整其冷卻能力，促進均勻冷卻，能獲得表面硬度均勻且變形小的優質工件。
（3） 水-空氣混合劑冷卻法：通過調節水和空氣的壓力以及霧化噴嘴到工件表面之間的距離，可以改變水-空氣混合劑的冷卻能力，并使冷卻均勻。該法已成功地應用于表面感應加熱淬火。
（4） 沸騰水淬火法：采用100℃的沸騰水冷卻，可獲得較好的硬化效果，用于鋼的淬火或正火。
（5） 熱油淬火法：采用熱的淬火油，使工件在進一步冷卻之前的溫度等于或接近Ms點的溫度，以便把溫度差減至Z小，能有效地防止淬火工件的變形和開裂。
（6） 深冷處理法：將淬火工件由常溫繼續冷卻到更低的溫度，使殘留奧氏體繼續轉變為馬氏體，其目的是提高鋼的硬度和耐磨性，改善工件的組織穩定性和尺寸穩定性，有效地提高工模具的使用壽命。
5 結論
綜上所述，淬火介質是實施淬火工藝過程的重要保證，對熱處理后工件的質量有著很大的影響。但我國在淬火介質應用方面與國外的差距很大，是熱處理行業中的薄弱環節，應給予重視和加強。發展新型的淬火介質和改進原有淬火介質的性能，是淬火介質的重要發展方向。優良的新型淬火介質，是集當代先進科技成果之大成的高科技產品，它不僅應有優質的實物產品（硬件產品），還應有與之相配套的使用維護技術（軟件產品），以滿足熱處理生產發展的需要。積極研究開發和推廣應用新型淬火介質，已成為改變我國熱處理生產落后面貌，提高機械產品質量的當務之急，在熱處理生產中可以收到事半功倍的效果。
作者單位：
李茂山：中國兵器工業第五二研究所（包頭 014034）
張克儉：北京華立精細化工公司（北京 102200）
參考文獻：
1 中國機械工程學會熱處理專業學會編.熱處理手冊，第2版第1卷.北京：機械工業出版社，1992：153～154
2 金義華，尹付成.聚合物淬火介質的正確選用.國外金屬熱處理，1997，18（5）：28～29
3 鳴海孝雄.水溶性燒入液の現狀.熱處理，1995，35（4）：211
4 譚家俊，李國俊主編.國內外金屬材料及熱處理技術現狀與發展．北京：國防工業出版社，1995：230
5 熊劍主編.國外熱處理新技術.北京：冶金工業出版社，1990：577～586