1 关于淬火介质的好坏

1.1 油性介质

对于生产现场来说，油的好坏，第一步看是否选对了油的类型。一般情况下，淬火油按使用的温度范围分成冷油和热油。冷油的冷却速度一般比热油要快。在冷油中，又根据油的冷却速度高低分成快速淬火油和中快速淬火油。油的冷却速度越快，其粘度一般多更低，闪点相应也越低。热油的粘度和闪点多较高。根据所处理工件的材质、大小和热处理要求，该选择冷却速度快的冷油的，如果选择成了冷却速度不够快的热油；那么，不管该油品的质量如何好，工件淬火后也会硬度不足，而且变形很大。相反，该选择热油的场合，如果选成了冷却速度过快的冷油，不管该油品的质量如何好，工件在其中淬火的结果，变形超差，且心部硬度过高。不仅冷油、热油要选择正确，就是在其中油品的级别，也应选择正确。如果该选快速油而选成了中快速油，也会由于冷却速度不足，使某些工件达不到要求的淬火硬度。热油的级别不同，主要指它们使用温度的不同。使用温度高的品种，一般适用于较小型的工件，其控制变形的能力更好些。但是，对更大一些的工件，或者淬透性稍差点的钢种，就应当选择使用温度更低的油品。

评价的油品种类和级别是否选得正确，最简单的判断方法是用生产中准备采用的工艺参数，加热单一的工件，在该油品中淬火，看看能否得到要求的淬火硬度、淬硬深度、心部硬度，以及变形要求。如果单件淬火能达到工件的热处理要求，该油品的种类和级别就基本上是选对了。剩下来要做的就两件事。一是从设备条件和工艺方法等方面保证多个工件同时淬火时的均匀性，二是了解（或者在使用中考验）该油品的稳定性。

对油的冷却特性，特别要注意它的稳定性。根据我们了解到的情况，不管国内外什么厂家生产的油品，在大量连续处理一般中小型工件的场合，正常使用条件下，油品的稳定性可分成三种水平。

• 经过短时间使用，比如仅仅使用二、三十天后，冷却能力就已开始衰退。这样的油稳定性不好。
• 经过半年左右的使用，冷却能力的衰退开始表现出来，淬火后工件表面出现污点并逐渐增多；不到一年，淬火油就不得不整槽更换。这样的油稳定性差。
• 在相同的使用条件下，淬火油可以连续使用二、三年，甚至更长的时间，之后才开始出现冷却能力衰退迹象。这样的油稳定性好。

能在几年的连续使用中保证淬火工件得到要求的淬火硬度、硬化深度、心部组织，且变形不超差，加上淬火后的工件易清洗，这样的油就可以称为好油。就油品而言，是否是好油，实际包括了油的冷却特性合适和稳定性好两方面。

国内外关于淬火用油的标准有多种。各标准对淬火油的理化性能都有较全面的规定，对油的冷却特性也有大致的要求。但是，从标准中看不出油的上述稳定性好坏来。因此，仅仅看说明书，热处理工作者很难选择到好油。一般可以采用的办法是：通过试用来选择冷却特性适合的油品；再从别的工厂的长期使用效果，来评价该油品的稳定性好坏。如果能找到同类工件在别的厂家连续使用了两三年的油品，还可以省去自己试用的麻烦。如果能满足这些要求的油品有好几种（事实上是这样），当然选择廉价的。

在选择淬火油时，前面已经谈到过，这里还需要强调一下：一是任何一种工件都可能在冷却特性有相当差别的油中淬火，且都能满足该工件的热处理要求。二是任何一种淬火油也都可以用来处理相当多不同钢种、大小和要求的工件。淬火油供应商，只需要提供有限的几种油品，就能满足几乎所有工件的需要，道理就在这里。同样的道理，一个热处理厂只需要配备有限的几种油，就能满足几乎所有工件的需要。

1.2 水性介质

一种好的水性淬火剂，首先要能同时满足三项要求：一是冷却特性适合，二是化学稳定性好，三是浓度易测易控。此外，和用淬火油相比，水性介质需要更多的维护管理。因此，供应商的售后服务能力和技术水平，也是一个必须考虑的要素。加在一起，就成为评价水性介质好坏的四个要求。

2 PAG淬火液在使用中的变化规律

PAG淬火剂是当前国内外使用得最普遍和使用效果最好的水性淬火介质。这类淬火介质在上世纪80年代中期开始进入我国热处理行业。因为实际生产应用效果良好，很快就在一定范围内推广开。但也出过这样一类问题：一些工厂开始时用得好，有的甚至发表了文章。但过了不久，采用的相同的浓度，却有少量工件淬裂；继续用下去，淬裂的比例还逐渐增多。找不到淬裂的原因，最终不得不停用。究其原因，是不了解PAG淬火液在使用中的变化规律，因而没能采取相应的应对措施。

淬火液中的PAG聚合物本身相当稳定，在一般的使用条件下几乎不会被氧化分解，也不会和遇到的酸碱物质发生反应。那么，问题出在什么地方？后来，经过研究发现，上面谈到的问题，实质上是使用中的有效浓度的测定方法问题。

PAG淬火剂是以PAG聚合物为主，加上其它提供辅助性能的添加剂而制成的。在工件淬火过程中，工件周围的液温一旦升到溶液的浊点以上，PAG聚合物就从溶液中脱溶出来，以细小液珠形式悬浮在淬火液中。悬浮的PAG液珠一接触到红热工件，就靠其非常好的润湿性粘附到工件表面上，成富水的包膜把工件包裹起来。PAG淬火介质就是靠这种包膜来调节水的冷却速度，避免工件发生淬火开裂的。工件冷却下来后，黏附在工件上的聚合物又会回溶到淬火液中。回溶需要时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就将工件从淬火液中取出。这样，工件带出的液体中PAG聚合物含量往往高于所用淬火液中的含量。长期、大量工件淬火后，淬火液中PAG的相对浓度就必然逐渐降低，而其它添加剂组份的浓度却逐渐相对升高。因为只有PAG才有调节水的冷却特性的作用，它的浓度降低就相应降低了淬火液调节冷却特性的能力。由于一般工厂都采用折光仪来测定淬火液的总浓度，所以，在相同浓度上，使用久了的PAG淬火液冷却速度更快，成为引起淬裂的原因。

解决这类问题的办法，一是改进浓度检测方法，最好是用冷却特性测试仪来调控浓度；二是发现工件的淬火硬度升高，就适当提高淬火液的折光仪浓度，来保证工件不淬裂。

此外，为了减缓有效浓度降低的速度，可以设法延长工件在淬火槽中的浸泡时间，并对工件上带出的淬火液做及时的清洗，而后将清洗用的水补充进淬火槽中。这样做也能减少淬火剂的消耗。

由于水是其中的第一大组份。而水在热处理生产中特别容易挥发。所以水溶性淬火介质的有效浓度测量问题都非常重要。PAG类淬火介质可以用折光仪法检测浓度，但它不适于用比重法测量浓度。聚乙烯醇类淬火介质不适于用比重法，也不适于用折光仪法测量浓度；因此很难做现场浓度调控。无机盐水溶液的浓度检测既可以用折光仪发，也可以用比重法。所有水性淬火液都适宜用冷却特性仪来控制浓度。但采用冷却特性控制浓度不仅需要配备冷却特性测试仪，还需要相关的应用技术和分析能力。

3 淬火介质使用维护中的几个问题

从事热处理生产的人应当维护好所用的淬火介质。一般的管理工作包括：防止介质受污染、保证冷却系统能正常工作、按要求控制好液温、水性介质要经常检测和控制其浓度，以及定期检测淬火介质的冷却特性等。此外，根据我们的经验，应当注意以下几件事。

3.1、在新倒入淬火介质前，特别是在旧的淬火槽中做整槽更换时，一定要把淬火槽和冷却系统认真清洗干净。。一些单位图省事，在淬火油做整槽更换时，只把原来的旧油大致放干，便将新油倒入槽中。原来沉在槽底的油污、槽壁上的碳黑油泥，以及残留在冷却系统中的油污，都一齐混进新油中。其结果，一槽新油就给污染了。淬火出来的工件污迹斑斑，清洗十分困难。

3.2、如果发现淬火油变得容易着火，要赶快找出原因并加以解决。原因之一是油中进了水，尤其是用热油的场合。原因之二是在油温测量或显示上出了故障，实际油温远高于显示的油温。此外，油中混入了低闪点、易挥发的油液，也容易着火。

3.3、防止加热炉内的碳黑污染淬火油。渗碳与碳氮共渗炉内难免产生碳黑。这些碳黑进入淬火油中，会对油造成污染。少量碳黑逐渐积累，首先损害的是淬火工件的光亮性，随后影响油的冷却特性。碳黑粒子非常小，又多悬浮在油中，一般不可能用过滤和沉降的办法加以分离。定期烧掉加热炉内结存的碳黑，是现行的最好解决办法。

3.4、对使用中介质变质和整槽更换问题的看法。水性和油性介质都有一定的寿命。到时候都应当做整槽更换。

影响油性介质寿命长短的主要因素，是油的使用温度高低、淬火工件的总表面积大小、油的品质好坏和外来污染情况。油的使用温度（应当包括油的平均温度和工件淬入后的温升程度）越低，油的使用寿命越长。淬火工件的总表面积越大，油的寿命越短。用于小型工件的淬火油，寿命很短，因为所处理工件单位重量的总表面积非常之大；而处理大型工件用的淬火油，由于所处理工件单位重量的总表面积相当小，加上淬火次数少，使用寿命就非常长。油品的质量，包括所用基础油和添加剂的品质。同样的使用条件，品质差的油只能用几个月，而品质好的常常可以用好几年。此外，外来污染，尤其是水的进入和碳黑的积累，对油的使用寿命也有很大的影响。

水性淬火介质的寿命长短，最主要的影响是介质的种类。比如，聚乙烯醇类的淬火介质，一般寿命不超过几个月；而PAG类的介质，一般多可以使用几年。外来污染对水性介质的寿命长短影响也很大。因此，水性介质的维护管理比油性介质更应受到重视，也更费事。PAG淬火液可以通过去污处理而延长其整槽更换时间。

不管是水性还是油性介质，使用中都会逐渐变质，同时也都会受到污染。变质产物和外来污染物逐渐积累，都会影响到介质的使用性能。使用到一定时间后，都应当做整槽更换。据知，除只用于大型工件淬火的油外，大量处理一般中小型基础件的场合，国内外淬火油的使用寿命一般不超过三、五年。如果不做去污处理，就是PAG淬火介质的整槽更换时间一般都比三、五年要短。到了应当整槽更换的时候就做整槽更换，往往能保证热处理质量、提高生产效率、简化管理并减少介质消耗量，从而能降低生产成本。

4 关于淬火变形问题的分析方法

热处理变形，尤其是淬火变形，是当前国内外热处理行业关注的重点课题。由于引起变形的因素很多，使问题变得很复杂。通常，在新产品设计和工艺方法确定阶段，分析和解决变形问题时往往考虑得特别全面，以便综合协调解决方案。但是，当生产中的工件出现变形问题时，采用这样的思路去分析和解决问题，就违背了抓要点的原则。站在热处理工作者，特别是现场热处理工作者的角度，分析解决所遇到的变形问题，应当用抓主要原因的简便易行的方法。下面介绍的三要素法和硬度差异法就属于这种方法。

4.1 三要素法分析法

这里指的热处理超差变形三要素为：足够大的应力，足够好的塑性，以及足够长的作用时间。

任何热处理超差变形都需要这三个要素，只是三者的大小关系是可以互补的。如果应力很大和材料的塑性好，作用时间虽短，也会引起大的变形。比如红热工件在转移中受到冲撞引起的变形。塑性好，作用时间很长，即便应力不大，也可能引起大的变形。比如淬火加热过程中，工件堆放不当，因叠压或者因自重引起的应力虽然不大，但在长期加热过程中也会造成超差的变形。又如，在淬火冷却中，因介质受到的搅动过于强烈，液流冲击使细长工件发生超差的弯曲变形。这些都是因外力引起的变形。因外力引起的变形问题，其解决办法相对比较简单。和高温时相比，发生马氏体转变前，过冷奥氏体的塑性也相当差了。而且马氏体转变经历的时间也相当的短。虽然如此，马氏体转变前后的比容差引起的应力非常之大，仍然能造成超差的变形。这是内应力引起的变形。

因内应力引起的变形，情况要复杂得多。内应力的来源比较多，但通常可以归成热应力和组织转变应力两类。冷却过程中，组织转变应力又常常和热应力共同存在，相互叠加或抵销。而且都在变化着大小和分布中起作用。加上工件的形状因素，它们的作用情况就更加复杂。其中，值得注意的有三点。一是在液体介质中淬火冷却时，形状较复杂的工件不同部位表面温度差别会很大。冷得快的部分一旦冷到所用液体介质的特性温度以下，就立即从蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段。这部分表面获得的冷却速度突然大增，和工件上仍然处于蒸汽膜阶段部分的温度差异也就会急剧增大。温差大，热应力也就大。如果该介质的特性温度偏低，这种应力的作用时间还会很长。在介质特性温度附近，过冷奥氏体的塑性一般多也较好。应力大，材料塑性好，加上作用时间长，就容易引起超差变形。二是冷却速度过快时，过冷奥氏体转变成马氏体时的体积膨胀，可能引起很大的内应力，从而引起淬火变形。三是淬火冷却的速度不足时，在马氏体组织的百分比急剧变化的区域，因比容差异常常形成大的内应力，最终引起大的变形且淬火硬度不足。

材料的塑性与材料的温度密切相关。高温下材料的塑性好，容易发生变形。此外，在材料发生相变过程中塑性变形更容易，即具有所谓相变超塑性。因为装放不当，在淬火加热过程中由外力引起的热处理变形，有一部分就是钢材发生加热转变过程中产生的。材料加热中由珠光体转变成奥氏体时有超塑性。过冷奥氏体发生马氏体转变时有超塑性。就连马氏体发生回火转变时也有超塑性。大薄片状工件的淬火变形翘曲，用加压回火来加以校正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。这种办法只在第一次回火时有效，原因就在这里。

作用时间长短是第三个值得注意的要素。在热处理中，为了减小变形量，凡需要比较长的时间才能完成的过程，比如，工件加热过程，应当设法把可能出现的内外应力减至最小。为了缩短热应力引起的变形，使用液体冷却介质时，要设发缩短介质的蒸汽膜阶段，以缩短工件冷却过程中不同部位的表面温度跨在介质特性温度上下的时间。

在制定工艺时，应同时从上述三要素上采取措施来减小热处理变形。其原则是：设法减小内外因素引起的应力，缩短应力的作用时间，尤其是在工件处于塑性好的时期。

在分析已发生的热处理变形时，注意应力大、塑性好和作用时间长的诸因素，会比较容易找到主要原因。

4.2 分析解决淬火变形问题的硬度差异法

热处理变形中，和外力引起的变形相比，由内应力引起变形的影响因素更多，问题更复杂。为了从热处理现场的角度容易解决发生的淬火变形问题，本文作者提出了一种分析和解决这类问题的系统方法，定名为“硬度差异法”。这种方法先检测发生了淬火变形的工件上的硬度值，再由测量出的硬度差异情况，去设法调用可能的工艺参数，来解决工件的变形问题。如果对该文章感兴趣，可以从本公司的冷却技术网站上查看。下面，只介绍硬度差异法中几点不同于常规的做法和观点：

1、把所用钢材的端淬曲线加以改造，把它变成硬度－冷却速度曲线。按冷却速度由慢到快的顺序，把冷却速度划分成硬度很高、硬度足够高、硬度不足和硬度很低四个区。如图11所示。

2、淬火冷却速度过快和冷却速度不足都可能引起超差变形。其中，冷却速度不足引起的变形量更大。

 3、根据工件上参与淬火变形部位的淬火硬度差异，以及实际上发生的淬火变形、淬裂等情况，可以从图12中画出对应的冷却速度带，也就确定了该冷却速度带的跨区情况。一种汽车板簧淬火后出现过大的侧弯变形和弧高变化。检测该板簧的硬度，发现硬度不足。相应的冷却速度带就应当落进不足冷速区。如图中虚线冷却速度带所示。解决这个淬火变形问题的办法是，整个提高板簧的淬火冷却速度，使板簧的淬火硬度提高到完全满足要求的程度，使相应的冷却速度带完全落入适度冷速区。如图中实线冷却速度带所示。

4、通过热处理淬火方法使工件上参与淬火变形部位的冷却速度带完全进入它的第二区，就可以消除工件的淬火超差变形。

5、依其对移动工件冷却速度带的作用方向不同，可以把至今所有解决淬火变形问题的热处理措施和方法，分成使冷却速度带左移的措施和使冷却速度带右移的措施(见表7)。在解决淬火变形问题时，可根据工件的冷却速度带的跨区情况，选用同类作用方法的措施来解决淬火变形问题。

 6、除热处理工艺方法外，热处理之前改善热处理前的预备组织、调整钢材成分，以及改换钢种等措施对解决变形问题的作用，是通过移动第2区分界线，以便把冷却速度带包含进第2区。作为例子，图13对改换钢种在解决淬火变形问题中的作用做了解释。图中，上面的是淬透性差的钢材的硬度－冷速曲线。用这种钢材制做的某种工件淬火后硬度不足，而且变形超差。检查淬火态硬度发现，其冷却速度带跨在2、3两区上。如果改用淬透性更好的钢材（对应有下面的硬度－冷速曲线），在其它条件相同的情况下，淬火后硬度满足要求，变形也不超差。原因是后一种钢材的第2区大大加宽，把工件的冷却速度带完全框进去了。

7、文章最后把解决淬火变形问题的所有措施，包括热处理工艺方面的措施、控制钢材的成分以及改换钢种的措施，加上改变零件形状尺寸的措施等分成三类。按本方法的思路，它们的作用不外是移动冷却速度带，使其完全进入第2内；移动第2区的边界，以便把冷却速度带框进第2区。如图14和图15所示。这三类措施在解决淬火变形中的作用，列于下表中。

既然从零件设计、钢材的选用，热处理前的冷热加工工艺，到热处理生产的诸多措施，都会影响工件的冷却速度带和宽窄的位置，以及第2区的宽窄和位置。因此热处理变形问题往往可以同时采用诸多措施去解决。只是要注意各项措施的作用方向，避免它们相互抵消而造成浪费。