1.5　淬火冷卻介質

工件加熱奧氏體化后，以適當的方式冷卻，獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火冷卻指工件進行淬火處理時，在整個淬火周期中的冷卻部分。工件進行淬火時用的介質稱為淬火冷卻介質，簡稱淬火介質。工件的淬火質量關系到機械產品的使用性能及壽命，因此，嚴格控制和提高淬火質量就成為提高機械產品壽命的關鍵。

就熱處理現狀來看，各種淬火缺陷到處可見，有的地方還相當嚴重，其原因是多方面的，其中除少數與材料、加熱溫度、加熱時間及操作技術有關外，絕大部分問題都出在淬火介質上，可見選好用好淬火介質是何等的重要。

1.5.1　淬火介質應具備的性能

（1）合適的冷卻曲線　碳鋼和低合金鋼淬火冷卻到650℃之前，奧氏體還比較穩定，允許以適當慢的速度冷卻，以減少工件因內外溫差而引起的熱應力。在650～450℃區間，要以超過該鋼的臨界冷卻速度冷卻，低于400℃特別是在馬氏體點以下應緩慢冷卻，以減少組織應力，防止過大的畸變和淬裂。淬火介質理想的冷卻曲線因不同的鋼種而異，要想得到能適合各種不同尺寸的淬火介質是不可能的。也就是說，沒有一種淬火介質是萬能的。因此，必須了解各種淬火介質的冷卻特性，以便視本單位所用材料、具體工件，有針對性地選擇相對理想的淬火介質。

（2）良好的穩定性　淬火介質在使用過程中性能要穩定，不易變質、分解或老化。各種液體介質都存在著不同程度的老化傾向，應盡可能選用老化速度慢、易于調控、維護的品種。

（3）淬火后工件保持清潔，不受腐蝕。

（4）淬火后不對周圍環境產生污染。

（5）不燃不爆，使用安全。

總之，選用的淬火介質必須保證工件淬得硬，微變形或少變形，不開裂，低碳，經濟又環保。

1.5.2　淬火介質的分類

淬火介質的分類大致如下。

（1）常規分類

（2）按工件淬火時是否發生物態變化分類

1.5.3　水及無機水溶液淬火介質

1.5.3.1　水

（1）水的物理化學特性　水是最古老的、而且迄今仍常用的淬火介質。它取之方便，價格低廉，安全、清潔、對環境無污染。它的物理化學特性見表1-24。

①表示最大密度時的溫度。

水的汽化熱很大，在0℃時為2508.67kJ/kg，100℃時為2263.3kJ/kg，這就決定了在沸騰冷卻階段，水具有很強的冷卻能力。水的熱容量很大，15℃時為42kJ/（kg·℃），由于水的黏度低，流動性好，熱容量又大，所以導熱對流冷卻階段冷速較快。

（2）水的冷卻特性　水的冷卻過程分為三個階段，見表1-25。

水的冷卻能力強不一定是好事，在Ms點附近冷卻速度太快，容易造成工件變形，甚至開裂。

溫度對水的冷卻能力有強烈的影響，水溫應控制在40℃以下，在大批量連續生產中，水溫不宜超過35℃。

循環水用攪動的方法，可顯著提高水的冷卻能力，有利于提高鋼的奧氏體不穩定區的冷卻速度，實現較均勻的冷卻。進行噴射冷卻可使蒸汽膜提早破裂，顯著提高在高溫區間的冷卻能力。噴水的壓力越高，流量越大，效果越顯著。

水淬火，適用于形狀簡單的碳鋼及低合金鋼工件表面淬火噴射冷卻。

水的冷卻特性如表1-26所示，水的冷卻速度曲線見圖1-39。

采用ф20mm的銀球作為探頭，加熱到800℃后，投入到靜止的或循環的水中冷卻，得到圖1-39的冷卻曲線。

①20℃靜止的水的特性溫度約為380℃，從800～380℃為蒸汽膜階段，平均冷速約為180℃/s，380～100℃為沸騰階段，平均冷速約為200℃/s。最大的冷速約為780℃/s，其對應的溫度約為280℃。100℃以下為對流階段，在100℃的冷卻速度約為100℃/s。

②與油相比，水的冷卻速度較大，據測定，在600℃時，水的冷速為油的6倍，而在200℃時，為油的28倍（和50℃的3號錠子油比較）。

③水的特性溫度低（≈380℃），三個階段的溫度與鋼材的過冷奧氏體轉變曲線不吻合。碳素鋼的過冷奧氏體的最不穩定區域在650～500℃，此時水正處在蒸汽膜階段，冷卻速度不是很快，截面尺寸較大的碳鋼件火淬硬度不足或硬化層過薄的原因就在于此。而在馬氏體轉變區（300～200℃），水的冷速極大，因而對形狀復雜的工件易淬裂。但若能做到均勻冷卻，開裂的傾向也許會大大減輕，因為變形和開裂主要是不均勻冷卻造成的，說水是淬裂元兇，有失公道。

④水溫對水的冷卻能力影響很大，水溫升高，冷卻能力急劇下降，特別是高溫區。例如，水溫從20℃升到40℃，在600℃時銀球的冷卻速度降低了1倍，而在300℃時，冷速下降幅度不大。另外，水溫升高，特性溫度明顯下降。例如，20℃時特性溫度為380℃，40℃時特性溫度約為320℃，60℃時特性溫度約為250℃。這使最大的冷卻速度向低溫移動。因此，生產中應嚴格控制淬火水槽的溫度，采取相關措施，使淬火水溫在40℃以下。但是，對同一工件，特別是有較細的通孔、盲孔、內角等的工件，因蒸汽的移動和水的流動受到限制，致使這些部位的水溫升高，降低了淬火質量，可采取工件運動或水流動等方式予以改善。

⑤工件在水中運動或者循環，可使蒸汽膜早期破壞而進入沸騰快冷階段，可以有效地提高工件在高溫階段的冷卻速度，并可改善冷卻的均勻性。從圖1-39（b）可以看出，對20℃的水來說，循環水可從靜止態的平均冷速180℃/s，提高到360℃/s，并使特性溫度和最大冷速有所提高。

有資料表明，74℃靜止的水的冷卻特性為：在650～550℃的高溫區，冷卻速度比N32油快，達200℃/s（而油約為100℃/s），在300～200℃的低溫區，冷卻速度只有67～15℃/s（N32油為66～28℃/s），比油還慢，這為某些合金鋼淬溫水（74℃以上）提供了理論依據。

還應該指出，各地區的水質軟、硬程度不同，對冷卻能力也有影響?？傊?，水作為淬火介質，優點很突出，特點是環保；但缺點很嚴重：在馬氏體相變區冷卻速度太快，易造成淬火件開裂，水溫變化影響冷卻效果，水溫升高不易淬硬并伴隨有軟點、軟塊產生。為了克服水（包括各種水溶液淬火劑）的缺點，熱處理同仁采取了一系列行之有效的措施，其中有：a.選擇在單一的冷卻階段內冷卻，選用那些特性溫度高于工件淬火加熱溫度的介質，使整個冷卻過程都在蒸汽膜階段以下進行，例如，硝鹽浴等熔鹽浴就屬于這一類，但它受到鋼種和工件截面尺寸的限制，只適用于中小尺寸的零件；b.加入能減少介質溫度敏感性的添加劑，如加入一定量的無機鹽或堿；c.適當降低工件的淬火加熱溫度，以減少工件在蒸汽膜階段的冷卻時間；d.降低介質的使用溫度，以降低淬火時可能的最高液溫；e.淬火時工件運動或通過介質的流動和增大工件之間的距離等措施，減少工件周圍的液溫升高值；f.實現淬火槽的攪拌、冷卻的自動化和智能化，確保淬火液的使用溫度不超過工藝規范。

1.5.3.2　氯化鈉水溶液

氯化鈉加入水中，能顯著提高水的冷卻能力。氯化鈉溶于水中，降低了蒸汽膜的穩定性，提高了特性溫度。常用的氯化鈉溶液的濃度為5％～10％（質量分數）。在此范圍內，隨著濃度的增加，冷卻速度迅速提高，最大冷卻溫度上移。靜止的10％（質量分數）氯化鈉溶液的換熱系數如表1-27所示。濃度提高到20％（質量分數），因黏度增大而使冷速趨于回落，不同濃度的氯化鈉水溶液的冷卻速度曲線見圖1-40，溫度對冷卻速度的影響見圖1-41。鹽水在低溫區（<20℃）的冷速和水接近，一般不會增加淬火畸變。淬過鹽水后的工件，應及時做好防銹工作。

氯化鈉水溶液和自來水的冷卻曲線比較見圖1-42。

從圖1-40～圖1-42可以得到以下結論。

①15％NaCl水溶液的最大冷速約為2600℃/s（自來水為780℃/s），最大冷速對應的溫度為450℃（自來水為280℃）；15％NaCl水溶液的特性溫度為780℃（自來水為380℃）；15％NaCl水溶液800～400℃的平均冷速為水的10倍；15％NaCl水溶液400℃以下的冷速略高于水。顯然，15％NaCl水溶液的冷卻特性優于水。原因是在淬火初期的蒸汽膜階段，由于鹽水溶液中水的汽化鹽結晶黏附在工件表面，鹽的熱導率、膨脹系數與鋼件的差別很大，導致結晶鹽爆破，機械地破壞了蒸汽膜，使沸騰階段提前到來，結果使特性溫度提高及高溫區的冷卻速度明顯加快。

②NaCl水溶液的濃度對冷卻特性有明顯的影響。濃度超過5％以上時，濃度增加，冷卻能力增大，超過17％以后，因溶液黏度的增加而使冷卻能力下降，濃度達到20％時，冷卻能力明顯下降。所以，一般控制在5％～10％。

③NaCl水溶液冷卻能力隨溫度的升高而降低，使用溫度不宜超過60℃。NaCl水溶液主要適用于截面尺寸較大，硬度要求較高的碳素結構鋼和碳素工具鋼工件的淬火。對于超過臨界淬火直徑的合金工具鋼雙液淬火，只要掌握好在水中的冷卻時間及出水溫度，亦能收到奇效。

1.5.3.3　氯化鈣水溶液

固體氯化鈣在空氣中放置，會自然吸水而潮解。這種淬火介質的配制方法，是將已潮解的氯化鈣或無水氯化鈣放入淬火槽中，加水充分攪拌，使其充分溶解。因為氯化鈣淬火介質的黏度與溫度及密度有關，為防止介質由于溫度升高使密度和黏度下降，所以配制成飽和溶液，配制的用量要使淬火槽底部有剩余的不再溶解的氯化鈣為止。工業上用的氯化鈣一般純度為70％左右，其余為NaCl、MgCl2、Fe2O3、FeO等雜質。實際使用的氯化鈣淬火液的密度受控于1.4～1.46g/cm3之間。

密度為1.40g/cm3的氯化鈣飽和水溶液，23℃時的冷卻特性如圖1-43所示。試樣心部溫度降到600℃時，其冷卻速度最大，約為1300℃/s，在淬火危險溫度區域，冷卻速度為150℃/s，在300℃以下，冷速明顯降低，顯然冷卻性能優良，是較理想的淬火介質。

氯化鈣水溶液的使用溫度一般控制在20～70℃之間，密度為1.05～1.46g/cm3。不同含量的CaCl2水溶液的冷卻能力見圖1-44。

工件淬火后表面呈銀灰色，如不及時清洗就會生銹，最好浸在10％～15％ NaNO2防銹劑中。這種淬火介質具有配制容易、冷卻能力強、變形小、不易老化、貨源充足、價格便宜的優點。使用中要注意下列事項。

①適用于小形、薄形、形狀復雜、用其他淬火方法容易淬裂的結構鋼和低合金鋼工件。較大型零件使用該技術尚待研究。當零件稍大時，操作時必須攪動零件，否則淬不硬也淬不透。

②一般用氯化鈣的過飽和溶液，溶液濃度降低有淬裂傾向，要注意調整溶液濃度在安全使用范圍內。

③氯化鈣溶液在冬天低溫長期靜置，則有氯化鈣結晶自溶液中析出，會影響介質的冷卻能力，使用前應適當加熱并攪動均勻。

④氯化鈣淬火介質中不能混有硝鹽，因為兩者會發生反應，產生二氧化氮附在工件表面，導致淬火件出現軟點。

1.5.3.4　氯化鎂水溶液

MgCl2·6H2O是白色易潮解的單斜晶體，有苦咸味，密度為1.56g/cm3，熔點為118℃，溶于水。不同濃度的MgCl2水溶液的冷卻曲線見圖1-45。從圖中可以看出，30％ MgCl2（質量分數）的最大冷速約為1600℃/s，對應的溫度為550℃，特性溫度約為750℃，300℃以下的低溫區冷速較慢，這是由于MgCl2可降低蒸汽膜的穩定性，促使蒸汽膜早期斷裂，提高了特性溫度，增大了600～700℃高溫區的冷卻速度，而在300℃以下的低溫區，由于黏度的增加，致使冷卻速度明顯下降。

40Cr鋼、T8鋼在MgCl2水溶液與油、鹽水中淬火的淬透性對比見圖1-46。從圖中可以看出，MgCl2水溶液的冷卻能力略低于鹽水，而遠高于油。

MgCl2水溶液通常使用密度為1.05～1.46g/cm3的飽和水溶液，使用溫度為10～60℃，可在靜止、攪拌、循環狀態下使用。

MgCl2水溶液適用于碳鋼、低合金結構鋼、彈簧鋼等鋼種的淬火。

1.5.3.5　碳酸鈉水溶液

有無水Na2CO3、一水物Na2CO3·H2O、七水物Na2CO3·7H2O和十水物Na2CO3·10H2O。無水Na2CO3純品是白色粉末或細粒，密度為2.532g/cm3，工業品俗稱純堿或蘇打，含有少量的氯化物、硫酸鹽和碳酸氫鈉等雜質，易溶于水。碳酸鈉在水中的溶解度見表1-28，沸點見表1-29。

20℃的碳酸鈉水溶液（質量分數）的冷卻能力與其濃度的關系見圖1-47。從圖1-47中可知，5％Na2CO3水溶液的最大冷速約為1700℃/s，對應的溫度為450℃左右，特性溫度約為700℃。10％～20％Na2CO3水溶液高溫區的冷速較慢，300℃左右冷速最快，約為500℃/s。

1.5.3.6　氫氧化鈉水溶液

NaOH俗名燒堿、火堿、苛性鈉。純品為無色透明四方晶系晶體，因常含少許NaCl和Na2CO3而不透明，密度為2.130g/cm3，有片狀、塊狀、粒狀和棒狀。呈溶液的產品俗名液堿。固堿吸濕性很強，易溶于水，同時強烈放熱。

加入5％NaOH，在冷卻過程的第一階段，即蒸汽膜階段，幾乎不存在，所以可看成冷卻過程一開始就是沸騰階段。堿水溶液使工件迅速冷卻的原因基本與NaCl溶液相同。此外，由于苛性鈉與灼熱工件氧化皮相互作用析出氫氣，使氧化皮迅速剝落，淬火后工件表面呈銀灰色。

苛性鈉水溶液有較強的腐蝕性，勞動條件比較差，使用時應注意通風以及其他防護措施?？列遭c水溶液雖然比氯化鈉水溶液的冷卻性能好，但在生產上的實際應用不如后者廣泛，且存在環保問題，還會蛻化變質，因此，每隔一定時期需要一次檢驗或更換新的溶液。

20％NaOH水溶液的冷卻能力與其濃度的關系見圖1-48（a），50％NaOH水溶液的冷卻能力與其溫度的關系見圖1-48（b）。

①濃度15％NaOH水溶液最大的冷卻速度約為2600℃/s（高于鹽水），所對應的溫度為560℃左右，特性溫度約為750℃，這是由于NaOH結晶后爆破破壞蒸汽膜所致。還可以看出，各種濃度的NaOH水溶液在300℃以下的冷卻速度均比水慢，因而是比較理想的淬火介質。

②濃度如超過15％，隨著濃度的增加，最大冷速降低，所對應的溫度向高溫移動，并使300℃以下的冷卻速度進一步降低，冷卻性能更好。

③溶液溫度升高，最大冷速降低，所對應的溫度移向低溫，并使300℃以下的冷速下降。

④50％NaOH水溶液（質量分數）的冷卻性能非常優良，是較為理想的淬火介質，多用于易變形、開裂或形狀復雜的工件或工模具的淬火。

堿水溶液的冷卻能力，隨著溫度的升高而下降，堿液溫度過高，淬火后易出現軟點，通常使用溫度控制在60℃以下。

堿水和鹽水很相似，在淬火危險溫度區域的冷卻速度都比較大，應引起注意。

1.5.3.7　水玻璃水溶液

水玻璃又稱泡花堿，是一類多硅酸鈉產品，有固態水玻璃（Na2O·nSiO2），水合水玻璃（Na2O·nSiO2·mH2O）和無色透明或帶淺灰色黏稠狀的液態水玻璃。SiO2與Na2O物質的量之比稱為模數，水玻璃的性質與模數有關。模數增大，冷速減慢。濃度一定時，黏度隨模數的增大而增大；模數一定時，黏度隨水玻璃濃度的增大而增大。通常采用的水玻璃的模數為2～3。

水玻璃水溶液和油的冷卻曲線比較見圖1-49。冷卻曲線見圖1-50。

從圖1-49可以看出，濃度（°Bé）5、10的水玻璃水溶液的冷卻能力大于油，濃度（°Bé）15、20、25的水玻璃水溶液的冷卻能力小于油，這樣，通過調整水玻璃水溶液的濃度來調節冷卻速度，可以小于油、大于油、接近于水或大于水。圖1-50為40°Bé、模數3.3、含量45％的水玻璃水溶液的冷卻速度曲線，可以看出，20℃時的最大冷速為400℃/s，對應的溫度為550℃左右，特性溫度約為800℃，200℃以下冷速很慢。這是因為工件淬火冷卻時，最初形成以水玻璃泡包圍的蒸汽膜，其水玻璃結晶粘在工件表面，因此，冷速較慢，有利于減少淬火畸變，隨后由于介質所加入的堿和鹽爆裂，使蒸汽膜破壞，進入沸騰冷卻階段，冷卻加快，冷到300℃以下時工件表面又黏附一層水玻璃膜，使對流階段的冷卻速度下降。顯然，冷卻性能優良，也是較為理想的淬火介質。

水玻璃水溶液的最佳使用溫度為30～65℃，使用溫度為20～80℃。使用時應控制濃度（模數2～3，波美度56～40°Bé為宜）。工件淬火后，表面附著的膠狀硅酸鈉需在熱水中清洗。淬火過程中蒸發的氣體有點刺激性，有一定的腐蝕作用。

1.5.3.8　三氯水溶液

三氯水溶液淬火介質是由CaCl2、MgCl2、ZnCl2三種氯鹽配制而成的溶液，其冷卻能力介于水和油之間，其沸點可達300℃，在300～200℃范圍內的冷卻速度僅為水的1/10～1/8，可有效地控制工件的淬火畸變與開裂，是碳鋼和低合金鋼較為理想的淬火介質。

三種氯鹽按比例配好后，再加入總量1％左右的三乙醇胺。該溶液為半透明的略帶黃色的黏性液體。室溫下測得其密度為2.70g/cm3左右，運動黏度為9.8×10-6～23.8×10-6m2/s，沸點在300℃以上，溫度較低時有結晶析出，當溫度高于20℃時，結晶全部回溶。該介質化學性能穩定，不分解、不老化，用酸度計測量其pH值為6.5，呈中性，對環境無污染。

1.5.3.9　硝鹽水溶液

硝鹽水溶液作為淬火介質在工模具熱處理中應用十分普遍，主要有兩硝水和三硝水，其配方見表1-30。

上述配方為硝鹽的過飽和溶液。與NaCl水溶液情況相似，高溫下析出鹽的晶體，立即爆炸呈云霧狀，起到破壞蒸汽膜、降低蒸汽膜穩定性的作用，三硝水溶液的冷卻曲線見圖1-51，三硝水溶液與水、油的冷卻曲線的比較見圖1-52，從圖1-52可以看出，過飽和的三硝水溶液，在30～50℃的溫度下最大的冷速達410℃/s，對應的溫度約為650℃，特性溫度約為750℃，在300℃以下低溫區域的冷速比水慢得多。它的特點是在高溫區的冷速比水快，比油更快，在低溫區的冷速介于水和油之間，顯然，三硝水溶液的冷卻性能優良，是較理想的淬火介質。

在使用三硝水溶液淬火時應注意的問題如下。

①配制三硝水溶液時一般要飽和溶液，否則仍有可能淬裂，對溶液的濃度（密度）要嚴格控制，對碳鋼溶液的密度控制在1.400～1.450g/cm3，對合金鋼應控制在1.450～1.500g/cm3為宜，使用溫度為20～60℃。

②三硝水溶液靜置24h后不用就會沉淀，再用時先攪拌，使之均勻。

③工件在三硝水溶液中淬火冷卻至300～200℃（鋼的Ms附近區）后，應提至槽外空冷，使其在馬氏體轉變區轉變緩慢，防淬裂效果更好。

④三硝水溶液的冷卻速度畢竟是較大的，對有些截面尺寸相差大的工件（如彈簧夾頭），還必須采取適當的防淬裂措施，如厚端先淬入或采用石棉繩纏繞或堵塞等。

⑤用鹽爐加熱時，應注意防止工夾具及未加熱的工件濺上硝鹽后帶入爐中而造成爆濺，還應注意硝鹽產生火災等負面影響。

1.5.3.10　氯化鋅-堿水溶液

這種淬火液的配方為（質量分數）：12.25％ZnCl2+12.25％ NaOH+…+74.5％H2O。配制時將氯化鋅、苛性鈉、肥皂粉放入水中，攪拌均勻呈乳白色液體即可。每次淬火前都要先攪拌均勻，不能有分層和沉淀現象，這種冷卻介質的冷卻能力在650～550℃區間接近于鹽水，在300～200℃區間冷卻速度較慢，見圖1-53、圖1-54，對減少碳鋼的變形有顯著效果。介質的使用溫度為20～60℃。

這種淬火介質已成功應用于45鋼、T7A、T8A等形狀復雜的重要模具，畸變開裂傾向小。淬后硬度比水淬高出0.5～1.1HRC，這是由于消除屈氏體的緣故。經氯化鋅-堿水溶液淬火后，工件獲得光亮的表面，故這種介質有光亮淬火介質之稱。

1.5.4　水溶性聚合物淬火介質

迄今為止，人們已經掌握了大量的天然氣及合成聚合物，但其中作為淬火介質的并不多。在我國實際應用的有聚乙烯醇（PVA）聚醚、聚烷亞基乙二醇（PAG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等數種，目前，使用量最大的是PAG。

水溶性聚合物淬火介質是通過聚合物在工件周圍形成聚合物膜來降低冷卻速度的，它們的共同特點是：

①聚合物淬火液在各個溫度階段的冷速分布與聚合物膜機理、膜的結構和強度有直接的關系；

②具有較短的蒸汽膜沸騰階段，且蒸汽膜的破裂較為均勻；

③聚合物膜厚度與冷速呈反比；

④淬火液的濃度與聚合物膜的厚度呈正比，與冷速呈反比；

⑤淬火液的溫度與冷速呈反比；

⑥淬火液的相對流速與冷速呈正比。

根據這些特點，人們不僅可以根據工藝要求選擇聚合物的類型，而且可以在使用過程中，通過調整聚合物的濃度、溫度和流速，在一定程度上調整和控制冷速和冷速分布，達到淬火的預期效果。

聚合物淬火液已成功應用于工模鋼淬火，在感應加熱淬火上也有應用。

聚合物淬火介質和淬火油相比有如下優點。

①不燃不爆，無需消防管理及其管理費用。

②無油煙、煙霧，無需空氣凈化設備。

③蒸汽膜均勻破裂，有助于控制畸變開裂。

④在淬火過程中不會生成有害氣味和熱分解產物，人體健康安全。

⑤外溢和濺出的液體可以用水洗凈，清潔環保。

⑥可通過改變濃度調整冷速，熱處理工藝性能好。

⑦采用非逆溶性聚合物淬火劑，可實現工件的局部淬火和高溫出液，以滿足特殊的熱處理工藝要求。

⑧對于淬火后需馬上回火的工件，可省去中間的清洗工序。

聚合物淬火介質雖有很多優點，但仍有些不足。

①不適合各種密閉式氣氛爐（因為水蒸氣會破壞爐內氣氛）。

②不適用于經鹽浴爐加熱后工件的淬火。

③成批工件淬火時，工件之間應保持足夠的距離。

盡管有上述缺點，但聚合物淬火介質仍然是液體淬火介質的主要發展方向。隨著鹽浴爐日趨淘汰，選用聚合物作為淬火介質的用戶將越來越多。在今后相當長的一段時間內，用水基作淬火介質，尤其是聚合物淬火介質進一步取代油和水將是一個不可逆轉的技術和市場發展方向。為此，必須開發新的水基介質，如新的水溶性聚合物或其他無機材料，拓寬可控冷速變化范圍，目前，許多產品在理論上都可以達到“從水到油之間的任何冷速”，但在實際應用上，其可控冷速往往只能在靠近水冷速的一個很窄的范圍內變化。隨著高分子聚合材料及整個材料工業的不斷發展，從水基淬火介質的取材上必將提供許多新的機會和可能。除此之外，對于天然以及改性天然高分子聚合物在熱處理淬火冷卻材料中的應用，也應當給予充分的注意。

（1）聚乙烯醇合成淬火介質　聚乙烯醇為白色到乳白色的粉末或顆粒，由聚乙酸乙烯酯水解而得，密度為1.21～1.31g/cm3，無毒，溶于水。聚乙烯醇合成淬火介質由聚乙烯醇加入少量的防腐劑、防銹劑、消泡劑與水配制而成，商品銷售為濃縮液。國產聚乙烯醇濃縮液的配方見表1-31，技術指標見表1-32。

這種淬火劑主要用于鋼鐵工件表面淬火的噴射冷卻或浸入冷卻，也可以用于空氣爐加熱整體淬火冷卻；不適用于鹽爐加熱的淬火冷卻；特別適用于碳鋼和低合金鋼的淬火冷卻。

聚乙烯醇合成淬火介質的冷卻性能，在靜止狀態下，不同濃度的聚乙烯醇水溶液與水、油的冷卻能力的對比見圖1-55；噴射狀態下，不同濃度的聚乙烯醇水溶液與水的冷卻能力的對比見圖1-56。

從圖1-55可以看出，26℃濃度為0.1％聚乙烯醇水溶液的最大冷速約為450℃/s，對應的溫度約為380℃，特性溫度約為550℃，300℃以下的冷卻速度比水慢得多；隨著濃度的升高，最大冷速下降，但溫度向高溫方向移動，所以，聚乙烯醇水溶液通過調節濃度，其冷卻速度可以接近水，也可以相當于油，也是比較理想的淬火冷卻介質。

（2）聚醚水溶液淬火介質　聚醚是由醚或環氧化合物經聚合而成的高分子化合物的總稱，聚醚（聚二醇）是環氧乙烷與環氧丙烷的不同配比所得的共聚物。其水溶液有逆溶性，即常溫下不完全溶于水，溶解度隨著溫度的升高而降低，當溶液溫度升到某一個臨界值時產生渾濁現象，這一溫度稱為濁點。繼續升高溫度（通常為70～75℃），聚醚則由水溶液中全部脫溶析出，此溫度稱為逆溶點。溫度降低時又會重新溶解于水。聚醚水溶液的這種逆溶性有利于防止工件淬火開裂和減少畸變。

①聚醚牌號及技術指標。牌號有903、CL-1和CH202等，其技術指標見表1-33。

②聚醚水溶液的冷卻特性。聚醚水溶液的濃度在5％～40％之間調整，可得到介于水和油之間的冷卻速度，使用溫度通?？刂圃?0～45℃。

不同濃度的903聚醚水溶液的冷卻曲線見圖1-57，不同濃度的CL-1聚醚水溶液的冷卻曲線見圖1-58，不同濃度的CH2O2聚醚水溶液的冷卻曲線見圖1-59，10％聚醚水溶液在不同溫度下的冷卻曲線見圖1-60。從以上各圖可知，隨著聚醚濃度的增大，冷卻速度減慢；隨著液溫的升高，冷卻速度降低；10％CH2O2水溶液（圖1-59）的冷速峰值略低于水，約為380℃/s，所對應的溫度約為500℃，特性溫度為750℃左右，300℃以下低溫區的冷速比水慢得多，是較理想的淬火介質。

（3）聚醚-乙二醇水溶液淬火介質　將聚醚和乙二醇按一定的配比溶于水，即可配制成不同濃度的聚醚-乙二醇水溶液淬火介質。

聚醚和乙二醇的比例不同，所得到的淬火介質的冷卻特性也不同，兩者最佳的比例為1:1。此介質濃度越高，冷卻速度越低，冷速可在水和油之間調整。與單一的聚醚水溶液相比，工件淬火后可獲得均勻的硬度，呈銀灰色的光潔表面，成本也比較低。此介質使用濃度（質量分數）為16％～20％，使用溫度為20～45℃，可用于低合金鋼、碳素工具鋼的淬火。不同濃度的聚醚-乙二醇水溶液的淬火冷卻曲線見圖1-61。

（4）聚丙烯酸鹽水溶液淬火介質　聚丙烯酸鹽水溶液包括聚丙烯酸鈉（PAS）水溶液和聚丙烯酰胺（PAM）水溶液。

①聚丙烯酸鈉（PAS）水溶液淬火介質。有PAS-1、PAS-3兩個牌號，其技術條件見表1-34。不同濃度的聚丙烯酸鈉水溶液的冷卻曲線見圖1-62（a），不同濃度的聚丙烯酸鈉水溶液的冷卻性能與水、油的比較見圖1-62（b）。

聚丙烯酸鈉水溶液的冷卻能力與其組成物的分子量、黏度等有很大的關系，一般分子量大，黏度也高。同等濃度的水溶液，由于分子量和黏度的不同，冷卻速度也不相同。分子量大、黏度高，其冷卻速度比較緩慢；分子量小、黏度低，則冷卻速度就快。調整溶液的濃度，可以獲得介于水、油之間的最佳冷卻速度。

常將聚丙烯酸鈉濃縮液稀釋成濃度（質量分數）為6％～25％的水溶液，最佳使用溫度為20～40℃。分子量為500～3000，濃度（質量分數）為6％～8％時可代替鉛浴，用于鋼絲強韌化處理；分子量大于10000，濃度（質量分數）為3％的PAS-3水溶液，可取代N15機械油，用于滲碳工件的淬火冷卻；分子量小于10000，濃度（質量分數）為10％的PAS-1水溶液，可取代L-AN32全損耗系統油，用于中碳合金鋼的淬火冷卻；濃度（質量分數）為5％～10％的水溶液可用于低合金鋼的淬火冷卻；大于10％（質量分數）的溶液可用于中合金鋼的淬火冷卻；當濃度（質量分數）達到25％時，可用于高速鋼工具的淬火。

②聚丙烯酰胺（PAM）水溶液淬火介質。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物（甲基丙烯酰胺、N-取代丙烯酰胺）的均聚物或共聚物（含丙烯酰胺50％以上）的統稱。隨著聚合物組成的不同，其形態有透明狀水溶液、橡膠狀彈性體及塑料狀固體等；其類型有陰離子、陽離子及非離子等。用作淬火介質的PAM為無色透明的膠狀態，單體含量為7％，分子量≥15×104，完全溶于水。由于聚合度和酰胺的不同，其聚合物可以是水溶性的，也可以是油溶性的。聚丙烯酰胺失水后為白色無規則的粉末。將聚丙烯酰胺的膠狀體放于容器中，加水溶解，升溫至45～60℃，并進行攪拌，可得到黏稠液體；再加入添加劑，就制成了PAM淬火介質濃縮液。常用的兩種淬火介質見表1-35。表1-35中PAM1號是比較稀的一種，通常用表中PAM2號淬火劑，采用稀釋100倍［濃度（質量分數）為0.5％的水溶液］后使用。水中加入少量聚丙烯酰胺淬火介質，即可顯著降低冷卻速度，使蒸汽膜冷卻階段延長；加入硝酸鹽可促使蒸汽膜冷卻階段縮短，提高高溫區的冷卻速度；調整PAM的濃度，可獲得介于水、油之間的冷卻速度。

此介質在使用時，將濃縮液稀釋至0.5％～0.7％（質量分數），使用溫度為20～45℃，可用于感應加熱工件的淬火。

由于PAM水溶液調節濃度可以控制冷卻特性，因而它可以適應碳素鋼、合金結構鋼、低淬透性工具鋼的淬火。

（5）聚烷亞基乙二醇（PAG）水溶液淬火介質　聚烷亞基乙二醇（PAG）為中性非離子型聚合物，為環氧乙烷與環氧丙烷的共聚物，添加防銹劑、消泡劑、殺菌劑和水，形成一種不燃、抗腐蝕、完全溶于水、有濁點、呈逆溶性的淬火介質。

PAG的冷卻能力介于水、油之間，調節其濃度，可使其冷卻能力接近或稍大于水，或使其冷卻能力非常接近于油，可成為以水代油的淬火介質。

PAG淬火介質在國內應用已有近50年的歷史，南京科潤、深圳好富顧、上海德潤寶等公司都有精品供應，在機械行業的應用十分普遍。

PAG的冷卻特性受多種因素的影響，其中主要的有濃度、溫度和攪拌。PAG具有比其他淬火介質更多的可調整工藝參數，可大大拓寬其使用范圍，具有其他介質不可比擬的優勢。但是在生產現場必須密切監控各個工藝參數，若超出工藝規范，應適時作出調整。

工具淬火實際上是一個控制加熱件熱量的傳遞過程，因此，需根據工件材料及尺寸選擇正確的淬火工藝。淬火質量的好壞，其中很關鍵的因素就是控制工件在不同溫度區熱量的傳遞。要求在高溫區（650～600℃）要冷得快些，避免先析相的產生及過冷奧氏體的分解。在低溫區（300℃左右）的冷卻速度要慢些，以降低組織應力，減少淬火畸變、避免開裂。采用PAG淬火劑應控制好六個方面。

①淬火加熱溫度的確定。不擬選用最高加熱溫度，擬用中下限。

②淬火介質濃度的選擇。PAG淬火介質的冷卻速度隨濃度的提高而降低，選擇的基本原則是：a.工件尺寸小應盡量選擇較高的介質濃度，工件尺寸大則可適當降低其濃度；b.多臺階或形狀不規則的工件應盡量選擇高的介質濃度；c.若工件材料的淬透性較差，可選擇冷卻速度快的介質及較低的濃度，若工件材料的淬透性較好，則應選擇冷卻速度慢的介質及高的介質濃度。

③液溫的控制。PAG具有逆溶性，即當超過某一溫度（通常為70～80℃）時，PAG就會從水中析出；反之，當溫度低于此溫度時，它又迅速溶入水中，這個溫度稱為逆溶點。實際生產中應密切注視，將液溫嚴格控制在工藝范圍內。

④加強攪拌。對于水溶性淬火介質，攪拌是非常重要的一環。通過攪拌可以獲得不同的淬火烈度。首先，攪拌可以縮短冷卻過程中的蒸汽膜階段，提高冷卻速度，其結果相當于提高材料的淬透性。再者，攪拌可以提高淬火硬度的均勻性，同時可以延緩介質的老化。

⑤工夾具的選擇。工夾具對淬火質量的影響已引起人們足夠的重視，在PAG介質淬火中，尤為重要。根據工件的形狀尺寸設計專用工夾具，在保證有足夠強度的情況下，工夾具應盡可能輕巧，有利于縮短加熱時間，降低能耗及成本。

⑥及時出水。為了減少淬火應力，避免淬裂，可采取預冷淬火工藝，降低零件各部分的溫差，使一些危險易裂部位的淬火應力得以減小。而且由于奧氏體的亞穩定區冷卻緩慢，則延緩了過冷奧氏體的形核過程而使淬硬層增厚，有益于大壁厚零件的生產。預冷的時間有很多經驗公式可以借鑒，也可以根據鋼的連續冷卻曲線并總結本單位的生產實踐來確定。

為了有效減小淬火過程的熱應力，人們在實踐中摸索出“水基-空間隙”的冷卻方式，適時出水，然后在空氣中續冷。工件在空氣中冷卻可以使工件表面溫度慢慢回升，消除部分淬火應力，從某種意義上講，有點自回火的味道。若冷卻的間隔時間控制得當，可以有效降低內外表面溫差，減少淬火應力。

PAG淬火介質的冷卻速度比油快得多，在蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段均有所提高，尤其是在沸騰階段冷速最快，因此，能夠有效地避開奧氏體向珠光體、貝氏體的轉變，最終得到馬氏體和少量的殘留奧氏體組織。但是水溶性淬火液的低溫冷速比油快得多，正好處在馬氏體轉變區，這會增加零件的畸變、開裂傾向，因此，對于淬透性好，尺寸較大的工件，必須嚴格控制出水溫度，防止淬裂。

PAG水溶液雖然是比較理想的淬火介質，但一定要注意維護保養，使之長期處于受控的工作狀態，采取的措施主要有以下幾種。

①適當延長工件淬火冷卻后在淬火槽中的停留時間，以利于工件上黏附的聚合物充分溶解。

②對剛出淬火槽的工件要做自來水沖洗，并將清洗用水作為補充水加入淬火槽中（有的淬火件不能立即沖水清洗）。

③加強管理，盡可能減少淬火液的污染。

④有條件的企業自購一臺冷卻特性測試儀，用冷卻特性控制淬火液濃度。

⑤不具備自測冷卻特性的單位也要定期取樣，送淬火劑生產廠進行冷卻特性測試，并用冷卻特性儀控制濃度。通常，連續生產時，最多一個季度要進行一次取樣測量。

⑥當使用時間較長時，淬火槽污染物積累較多，用析光儀測出的濃度已經相當高，濃度測量和冷卻特性控制比較困難，對淬火液進行一次“去污更新”處理，把其中的污染物大部分清除，讓其中的有效部分保留下來，充實新液，使用效果與新配制的淬火液相當。

由于不停地使用與污染，PAG淬火液的變化始終不會停止。因此，不管如何使用和維護，都有必要進行整槽的更換。淬火量大，管理不到位，淬火液的壽命就短。相反，淬火量少，或維護管理好，則壽命就長。國外使用PAG淬火介質的單位，為保證熱處理工件有穩定的質量，都根據自己的使用特點，規定了必須做整槽更換的時間，多數工廠是一年一換，長者幾年才換。

（6）羥乙基纖維素（HEC）水溶液淬火介質　羥乙基纖維素又稱羥乙基纖維素醚，是一種分子上的羥基被羥乙氧基取代的纖維素。其水溶液無氣味、無毒。淬火冷卻能力隨濃度的增加而減弱，膜沸騰期較長。溫度升高，膜沸騰延長，冷卻速度減慢。

當濃度為1％時，其冷卻能力與油接近，如在其中加入10％NaCl，則可得到比油更低的冷卻能力，用來解決油淬畸變偏大的問題。ф100mm×0.8mm65Mn鋼圓薄刀片用此淬火介質，解決了變形問題。在HEC水溶液中加入5％NaCl可以代替淬火油，使用溫度不得超過50℃。

1.5.5　淬火油

1.5.5.1　淬火油的性能特點

作為淬火油，性能特點主要表現在冷卻性能與化學性能兩個方面，前者決定它的冷卻能力和冷卻特性，后者決定它的使用壽命。

（1）冷卻性能特點　把油列入淬火介質，主要是因為在油中淬火，工件畸變和開裂傾向小。油的冷卻過程也有三個階段。油的蒸汽膜是由混合氣體組成的，有油的蒸氣，還有油中的易揮發物質的氣體。如果后者含量多，蒸汽膜的厚度就會增加，因而高溫階段的冷卻速度下降。油的蒸汽膜通常在500～600℃崩潰，它比水的蒸汽膜持續的溫度范圍窄，導致特性溫度向高溫移動，與最大冷卻速度對應的溫度也跟著向高溫方向移動。水和油冷卻能力的比較，如圖1-63所示，而溫度水在300℃左右。油的密度越大，沸點越高，冷卻能力就越大。因為油的沸點比水高得多，這就使油的對流冷卻階段也開始得早些，使得對流階段的范圍變寬。因為這個階段的冷卻速度遠遠比水低，所以不僅減少了工件表面與心部的溫差，降低了熱應力，同時又因為以緩慢的冷卻速度通過馬氏體溫度轉變區域，大大減小了組織應力，使工件能夠通過淬火危險區域。這是油的冷卻特性，也是油的主要優點。因此，油作為淬火介質，廣泛用于形狀復雜的厚薄不均的工件。它可以避免因冷卻速度特快引起的變形、開裂。

可是由于油的汽化熱、比熱容和熱導率小以及黏度大等原因，從整個冷卻過程來看，它的冷卻能力比水小，所以它只適用于合金鋼。對于碳鋼，由于其過冷奧氏體不穩定，只能淬尺寸較小的工件。

油還有一個特點，就是油的冷卻速度受溫度的影響比水小得多。據實測，N32油淬時，油溫從20℃升高到120℃，最大的冷速只相差50℃/s。

（2）油的化學性能　淬火油接觸高溫工件、空氣或水，其化學性質會發生某種程度的變化，其中與淬火介質使用性能有關的化學性質有熱穩定性、氧化穩定性及水解穩定性。

①熱穩定性。油與灼熱的工件接觸時，會發生裂化和聚合反應。發生這種化學變化的過程叫熱穩定性。如不發生變化或變化很少則穩定性就好。高溫下，難免有些碳氫化合物發生裂化反應，使平均分子量減少而產生一些揮發性較高的物質。另外，不飽和的有機物分子間還可能發生聚合反應，生成分子量較高的樹脂狀物、焦油、甚至焦炭。在高溫下，裂化加聚合可能同時發生。由于和金屬及其他催化作用的物質接觸，反應的過程會大大加速。所生成的物質和外來雜質（諸如水分和灰粒等）形成一種渣泥狀物質——油渣。油渣一部分懸浮在液體中，一部分沉積在油槽底部。當油溫升高到某一溫度以上時，反應速度變得更快，油的冷卻性能下降。

②氧化穩定性。油與空氣或其他氧化物發生反應的程度稱為氧化穩定性。不易氧化變質的油就是氧化穩定性好。高溫下，碳氫化合物中總有些碳鍵斷裂，生成不飽和的自由基。當它和空氣或氧化鐵接觸時，發生氧化反應，生成氧化物或過氧化物。氧化物通常使油的黏度增高，冷卻能力降低。氧化物的化學性能一般比裂化反應的產物更加活潑，更容易產生油渣。油溫升高會使氧化反應加劇。另外像塵埃、污垢、氧化鐵皮和金屬屑等雜質又起著催化劑的作用，也會加速油的氧化過程。

③水解穩定性。油遇到水分解變質的程度稱為水解穩定性。水在淬火油中大部分沉在油槽底部，但有一部分會像乳濁液一樣懸浮著，成為油渣的一個成分，使油的冷卻性能變壞。

一般來說，植物油為非飽和碳氫化合物，性質活潑，易氧化變質，可是它的冷卻性能好，礦物油基本上屬于飽和碳氫化合物，性質比較穩定。

以上講的是淬火油的優點，它也有缺點：燃點低、易引起火災；價格貴，成本高；高溫區冷卻能力低，只適用于合金鋼及小件碳鋼；容易老化，使用壽命短，有煙霧，危害工人健康，并對周邊環境造成污染。工模具鋼淬火應盡快淘汰油。

1.5.5.2　植物油

從熱處理史上看，最早使用的淬火油是菜籽油和大豆油等一些植物油。它們的冷卻能力最高的溫度在550℃左右，如圖1-64所示，多數植物油在50℃時的冷卻能力幾乎都比一切礦物油的冷卻能力都大。冷卻能力最大的溫度范圍正好對應過冷奧氏體最不穩定的溫度區間。油溫在比較寬的范圍內變化時，冷卻速度變化較小。在淬火危險區域內冷卻時，速度又比較緩慢，因為明顯減少了組織應力。與礦物油相比，植物油是比較理想的淬火介質。但是它們是人民生活的食用油，由于價格高、化學穩定性低、壽命短等原因，如今幾乎全被礦物油所取代，只作為改善礦物油冷卻性能的添加劑使用。

1.5.5.3　全損耗系統用油

全損耗系統用油（機械油），由“L-AN+數字”表示。數字表示油的黏度值。該油的冷卻能力較弱、易老化、氧化。常溫下使用的有L-AN15、L-AN22，使用溫度為20～80℃，分級淬火應選用閃點較高的L-AN100。全損耗系統用油的冷卻特性見表1-36。

1.5.5.4　普通淬火油

普通淬火油為中速淬火油，是在全損耗系統用油中加入抗氧化劑、催冷劑和表面活化劑等添加劑調制而成的，它克服了全損耗系統用油的冷卻能力較弱、易氧化和老化的缺點。普通淬火油的閃點較低，使用溫度一般為20～80℃。普通淬火油可直接向生產廠家購買，也可以自配。普通淬火油適用于具有一定淬透性的高碳鋼、合金結構鋼、合金滲碳鋼及軸承鋼零件的淬火冷卻。

普通淬火油的性能指標見表1-37。為了充分發揮普通淬火油的作用，要根據影響油的冷卻能力的因素，正確地選擇和合理地使用，通常把黏度、溫度和攪拌稱為影響油冷卻能力的三大因素。

（1）黏度的影響　油的黏度大小給油在高溫區間與低溫區間的冷卻能力帶來不同的影響，黏度大的油汽化困難并且閃點高，所以介質在冷卻過程中有兩個轉變溫度，即特性溫度和對流冷卻階段的開始溫度，都比黏度小的油高。黏度大的油在高溫區間的冷卻速度大。但在低溫區間，黏度大會減少氣泡生成量，降低其逸出速度，阻礙對流傳熱，會使介質的冷卻能力降低，因此，油的黏度越大，在低溫區間的冷卻能力越低。

由此可以得出結論：黏度大的油在高溫區間的冷卻速度大；黏度小的油在低溫區間的冷卻速度大。

（2）溫度的影響　黏度大的油與黏度小的油比較，黏度小的油受溫度的影響較大。生產中常把油溫升高再淬火，一般在60～80℃具有最好的冷卻性能。在這個溫度范圍內，既可降低油的黏度，提高其冷卻性能，又不會使油過早老化。油溫過高，氧化加速，煙霧增大，黏度下降，壽命降低，油溫高到接近閃點還有引起火災的危險。

黏度大的油（如汽缸油），由于特性溫度高，閃點高，在高溫區的冷卻能力比較高，在中、低溫區域的冷卻能力比較低，所以允許在更高溫度（120～140℃）下使用，它可以用于分級淬火和等溫淬火。

（3）攪拌的影響　實踐證明，攪拌能很好地改善油的冷卻能力，同時也可避免局部油溫過高。流動地沖刷工件表面，使油的蒸汽膜提前破壞，增大了前兩個階段的冷卻速度。這使得冷卻過程中的兩個轉折點變得不明顯，工件得到均勻冷卻。攪拌對冷卻的第三階段影響較小，因為這時油已與工件全面接觸。淬火油的黏度越小，流速的影響越大。

1.5.5.5　快速淬火油

加入效果更高的催冷劑，可制成快速淬火油。首先選定一種油作為基礎油，然后加入各種適量的添加劑，用以提高其冷卻性能。

（1）基礎油的選擇原則　配制快速淬火油的關鍵問題是選擇好合適的基礎添加劑。選擇基礎油通常考慮以下幾點：①基礎油黏度要小，流動性好，以利于對流傳熱；②黏度指數高或黏度比較小，即油的黏度隨溫度的變動而改變的幅度比較??；③油品的餾分組成應當較窄，開口閃點較高，以保證在使用過程中不會引起火災和較大的安全性；④油品的熱氧化穩定性要好，不易氧化變質，使用壽命長；⑤對添加劑感受性要好，精制程度較深，最好采用由溶劑脫蠟、精制的機械潤滑油類。選用哪種油作為基礎油，除考慮上述條件外，還要考慮貨源難易、成本高低及使用條件等。

（2）催冷劑　快速淬火油添加劑通常分為兩類：催冷劑和抗氧化劑。催冷劑在基礎油中起破壞油蒸汽膜的作用，增加油對金屬的濕潤性。分散于油中的催冷劑，遇到高溫工件后受熱分解。其分解產物灰分沉積在工件表面上，增加了形成氣泡的核心，加劇了沸騰過程，從而提高了冷卻速度。在專利和文獻中提到的催冷劑有聚異丁烯、異乙烯聚合物、無灰分散劑、萜烯聚合樹脂、氧茚聚合物、石油磺酸鹽、石油丙烷精制殘渣、氧化瀝青和煤焦油等。國內實際使用的有石油磺酸鹽、硫磷化聚異丁烯鋇鹽和烯基丁二酰胺等。

（3）抗氧化劑　油經長期使用后，黏度升高、出現油渣、冷卻能力下降，即發生所謂的老化現象。其原因正如前面所述，油與灼熱的工件表面接觸，產生熱分解與熱聚合；油溫升高以后，在與空氣接觸過程中加速氧化與聚合反應；工件帶入油中的鹽類、污物或氧化皮起著催化劑的作用，也加速油的氧化與聚合。隨著使用條件的不同，上述原因的某一方面可能是主要的。例如，油溫愈高，氧化進行得愈快，所以氧化是主要的，而在中性或還原性氣氛中，油熱分解過程是主要的。在一般的淬火油槽中，氧化、聚合和分解可能同時發生。在礦物油中，輕質油比重質油壽命長。

通常使用的抗氧化劑有2，6-二叔丁基對甲酚、3，5-二叔丁基四羥基苯甲烷和二烷基二硫代磷酸鋅。加入抗氧化劑后，其抗氧化能力比基礎油提高3～5倍。

1.5.5.6　光亮淬火油

油受熱“裂解”形成的樹脂狀物質和灰分黏附在工件表面，將影響到加熱后淬火工件的表面光亮度。應該盡可能用一定餾分切割的石油產品作為基礎油，而不用全損耗系統用油。以石蠟質原油煉制的礦物油作為基礎油比苯酚質原油煉制的基礎油性能穩定，工件淬火光亮效果好。一般認為低黏度的油光亮度比高黏度的油好，用溶劑精煉法比用硫酸精煉法精制的油光亮度好。生成聚合物和樹脂越少，殘炭越少，硫分越少，油的光亮性越好。在基礎油中加入催化劑可制成快速光亮淬火油，常用的光亮添加劑見表1-38。

1.5.5.7　真空淬火油

真空淬火是在低于大氣壓力的條件下進行的。要求淬火油：不易蒸發，飽和蒸氣壓低，足夠的冷卻速度，保證淬火硬度，不易污染爐膛，不影響真空爐的真空度。工件淬火后表面光亮度高，油的熱穩定性好。

真空淬火油是用石蠟基潤滑油餾分，經溶劑脫蠟、溶劑精制、白土處理及真空蒸餾、真空脫氣后，加入催冷劑、光亮劑和抗氧化劑等配制而成的。國產1號真空淬火油、2號真空淬火油的性能見表1-39。

用ф8mm×24mm銀棒測得不同真空度下1號、2號真空淬火油的冷卻曲線，見圖1-65、圖1-66。

1.5.5.8　分級淬火油和等溫淬火油

分級淬火油和等溫淬火油的使用溫度為100～250℃，應具有閃點高、揮發性小、氧化安定性好等特點。例如國產的DF2-S淬火油閃點為260℃，可用于100～150℃分級淬火；QF2-A淬火油的閃點為280℃，可用于150～200℃分級淬火或等溫淬火。

分級淬火油、等溫淬火油、快速光亮淬火油、快速淬火油及真空淬火油在不同溫度靜止時的冷卻特性見表1-40。

1.5.5.9　淬火油缺陷

即使選擇正確的淬火油，在使用過程中也會產生這樣那樣的問題。常見的，對生產造成明顯影響的主要缺陷有以下四種。

（1）冷卻速度下降　多數與催冷劑的質量有關。

如前所述，蒸汽膜破裂的溫度的高低，是靠某種高分子聚合物來調節的，如果高分子聚合物的分子鏈結構不合理或熱穩定性不好，都將造成淬火油的冷卻速度在短期內下降。

（2）淬火油抗氧化能力低　基礎油的化學結構、精制程度、抗氧化劑的種類和添加劑量都對淬火油的抗熱氧化能力構成直接影響。淬火油黏度上升，流動性下降；膠質和油泥黏附在工件表面。這兩種現象不僅造成冷速下降，而且使光亮性惡化，對工件的腐蝕性增強，直至淬火油報廢。如果長期超溫服役，這種現象尤為嚴重。

（3）光亮性惡化　強調光亮性的淬火油一般是在保護氣氛或真空條件下使用的。造成淬火油光亮性惡化的因素有三種：選用的光亮劑不合理或加入量不足；淬火油被氧化后，氧化物對工件和光亮劑的污染；基礎油質量低下。外界因素也有影響：整個系統密封不嚴，有空氣進入；爐內裂解的保護氣氛中炭黑含量高（裂解溫度低或滴注量過大），對淬火油造成嚴重污染；油中水分超過0.3％，亦會使光亮性下降。

（4）泡沫多　有的光亮劑，如咪唑啉油酸鹽，在反應不完全時本身就具有起泡性；淬火油中水分受熱汽化或攪拌過于劇烈，都會產生大量的泡沫。

對使用的淬火油進行可追溯性的管理是一項重要的工作?？v觀國內一些熱處理企業，對淬火油的管理基本上是被動式的，即出現淬火質量問題，才對淬火油進行會診。這不太合理。正確的方法是從新油進廠就化驗建檔，投入使用后，定期進行主要項目的分析，再根據指標變化情況，及時調整凈化，甚至更換整槽油品。這種主動的、規范化的管理模式可避免淬火油缺陷進一步演變成淬火缺陷，對保證淬火質量、減少損失是十分必要的。

1.5.6　分級淬火、等溫淬火用鹽浴或堿浴淬火介質

此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。通常在高溫區冷卻速度快，在低溫區冷卻速度慢。適用于形狀復雜、截面尺寸變化懸殊的工具、模具等的分級淬火或等溫淬火，以減少畸變和開裂。介質的成分、工件與熱浴的溫差以及熱浴的流動程度是影響其冷卻能力的主要因素。由于鹽浴對環境有污染，應盡量限制使用，并切實采用有力措施，治理鹽浴“三廢”，做到達標排放，造福人類。

這類淬火介質應具備如下特點：

①所配熱浴熔點應比工作溫度低，以保證淬火介質在工作狀態下有良好的流動性；

②熱浴具有較小的黏度，以減少工件的帶出損失；

③不易老化、不腐蝕工件；

④在工作狀態下不產生大量蒸氣，以減少有害氣體對環境的污染。

等溫淬火和分級淬火的常用鹽浴為硝鹽浴和氯化鹽低溫鹽浴。硝酸鹽（KNO3、NaNO3）和亞硝酸鹽（KNO2、NaNO2）以不同的比例配比，即可得到不同熔點的硝鹽浴。圖1-67為KNO3-NaNO3-KNO2-NaNO2系熔化曲線。

在硝鹽浴中加入少量水，可以顯著提高冷卻能力，改變工件的冷卻過程。含水量3％以上時有沸騰現象，含水量少時無此現象。圖1-68表明在170℃時，55％KNO3+45％NaNO2鹽浴的含水量與通入壓縮空氣對冷卻速度的影響。不同浴溫下的含水量對冷卻速度的影響見圖1-69。

工模具在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度和較小的畸變，不易開裂。鹽浴淬火的缺點是易于老化，對工件有輕微氧化及腐蝕作用。使用時會將氯化鹽帶入到硝鹽中，將使硝鹽浴的黏度增加，應定期撈渣和補充新鹽。往硝鹽浴中添加的水應在低于150℃時通過插入鹽浴的鐵管導入，以防飛濺。禁止用石墨或鑄鐵坩堝作為容器，以免發生爆炸。氯化鹽低溫鹽浴常用高速鋼、高合金鋼分級淬火，其成分和使用溫度見表1-41。

表1-41中序號4的配方是目前高速鋼刀具的主要冷卻劑，冷卻曲線見圖1-70。

各種成分硝鹽的冷卻曲線見圖1-71。硝鹽浴熔點越低，流動性越好，對流和傳導性能也越好；所以冷卻能力也越強。如圖1-72所示，曲線1硝鹽的熔點為130℃，曲線2硝鹽的熔點為100℃，由圖1-72可以明顯地看到后者的冷卻能力比前者強。同一成分的鹽浴，隨著使用溫度的降低，使得介質與工件間的溫差增大，這就能增大對流和傳導的速度，其結果表現為介質的冷卻能力增強，見圖1-73。

以上簡述了各種不同配比的鹽浴在不同溫度下的冷卻特性，以前也有用堿浴的。堿浴有較大的冷卻能力，應用廣。工件加熱若未氧化淬入堿浴可得到銀灰色的潔凈表面。常用的淬火堿浴有三種：①65％KOH+35％NaOH，熔點為155℃，使用溫度為170～300℃；②80％KOH+20％NaOH，另加6％H2O，熔點為130℃，使用溫度為150～250℃；③85％KOH+15％NaOH，另加3％H2O，熔點為140℃，使用溫度為160～250℃。堿浴蒸氣有較強的腐蝕性，對人的皮膚有傷害，應注意通風和采取防護措施。

堿和鹽的混合液也可以作為淬火介質，也就是人們常說的發藍淬火劑。用它進行發藍淬火，不但可使工件畸變量減小，而且可使工件表面生成藍色或褐色的氧化膜，光亮美觀，還具有一定的防銹能力。適用于形狀復雜，要求畸變量小的碳素工具鋼、彈簧鋼和其他一些低合金鋼工具的淬火。常用的堿和鹽混合浴的成分及使用溫度見表1-42，不同成分的堿、鹽浴冷卻速度曲線見圖1-74。

浴中的鹽、堿含量的比例應適當控制，NaNO2對氧化膜的生成和質量有很大的影響。其含量提高，將使氧化膜變薄，抗銹蝕能力減弱。含量降低，膜將變厚，且疏松而易剝落。NaOH含量增高，將生成紅色的含水氧化鐵沉積在工件表面上；含量降低則浴溫不能升高，達不到需要的工藝溫度，膜薄而色澤變淺。

1.5.7　氣體淬火介質

高淬透鋼種工件，奧氏體化后在靜止的空氣中或吹風冷卻就可以得到馬氏體組織，工件截面較大或為了得到更深的馬氏體淬硬層，可使用壓縮空氣噴嘴高速吹向工件，如9SiCr、CrWMn、65Mn等低合金鋼小零件，可采用速度為20～40m/s的壓縮空氣，在700℃和200℃時的冷卻速度與N32機械油接近，采用帶噴嘴的壓縮空氣介質，容易實現工件局部冷卻或分區冷卻，滿足工藝要求，例如需要內孔強化，可單獨冷卻內孔，操作方便。

氣體的冷卻能力與氣體的種類、氣體的壓力、流速有關（見圖1-75、表1-42）。

（1）常壓下的氣淬　對于Cr12系列高淬透性的合金工具鋼、高速鋼，可以在空氣中吹風淬硬。為了提高冷卻速度，可將簡單模具放在平整的鋼板上，并在上方置一風扇吹風冷卻，使工件工作面達到高硬度且畸變很小。厚度小于50mm的凹?？梢源阌玻穸雀笳咝璺旁谕ㄋ你~板上淬硬。

（2）高壓氣淬　由于模具工業的迅猛發展，真空加熱與高壓氣淬越來越多。工件在真空爐中加熱后，為了獲得所需要的淬火組織，采用高壓氣體噴射冷卻的熱處理技術正在迅速發展。常用的冷卻氣體有N2、He、H2和Ar，其導熱能力如表1-43、圖1-75和圖1-76所示。H2的導熱能力最好，但與空氣混合后易發生爆炸，安全性能差，在1050℃以上還會引起鋼的脫碳，其推廣使用受到限制。而N2的冷卻效果雖然差些，但安全、便宜，故使用廣泛。

多層工件密集裝爐時，高壓氣淬很難達到油淬的冷卻效果，采用流速在10～200m/s范圍變化的高速氣流噴嘴可顯著地提高氣淬的冷卻能力。為了確保工件冷卻的均勻性，還必須考慮合理的淬火室結構、噴嘴的布置、工件的裝夾方式、壓力等。

熱處理用氣體的技術條件見表1-44。

N2的資源豐富，成本低，在略低于大氣壓下進行強制循環，冷卻能力可提高20倍。氮在200～1200℃范圍內，對常用鋼材呈惰性狀態；但在某些特殊情況下，如對不銹鋼等易呈一定的活性，需更換氣源。

（3）熱等靜壓件的高壓氣淬　氣體介質的換熱系數隨壓力的提高而不斷增高。100～200MPa的惰性氣體具有相當高的冷卻能力，因此，對于一些需要采用熱等靜壓方法制備的工件，可以采用熱等靜壓制備后在100～200MPa氣體中淬火的方法。工件冷卻均勻，淬火畸變很小，表面整潔，對環境無污染。

1.5.8　懸浮粒子淬火介質

懸浮固體粒子的載體可以是氣體（空氣、氮氣），也可以是液體（水）或者水加空氣。

（1）固-氣流態化淬火介質（流態床淬火介質）　流態床由氣流和懸浮的固體顆料構成。在帶有細孔格板的淬火冷卻槽中，放入金屬或非金屬的細小顆粒（也可加入適量的水），再通入壓縮空氣，吹動固態微粒使其呈懸浮狀，形成流態，加熱后的工件可以隨意淬入其中進行冷卻。選用不同的固體微粒，調整壓縮空氣的流量和流速，控制流態床的溫度和深度等，可調節其冷卻能力，且調節范圍很寬。流態床的冷卻能力介于空氣和油之間，接近于油；具有冷卻均勻、腐蝕性小、無爆炸危險等優點；且工件淬火變形小、表面光潔；適用于淬透性好、形狀復雜的小型合金鋼件的淬火。

根據組成流態物質的不同，流態床可分為氣固流態床和氣液固流態床兩種，其組成及冷卻能力見表1-45。

流態床淬火介質可以通過調整液固比值和壓縮空氣的流量來控制流態床的冷卻能力。通常，在液固比值一定的情況下，通過改變氣體流量的方法可以方便地調整冷卻速度。因此，流態床對于實現程序控制冷卻非常方便。常用流態床的冷卻曲線如圖1-77所示，流態床與常用淬火介質冷卻曲線的比較見圖1-78。

（2）固-液-氣流態的淬火介質　在槽中盛有固體微粒和水，當壓縮空氣通過有孔的底板時產生小氣泡，使固體微粒層湍動而形成流態，流態床中的液體與固體微粒之比可以在（5:1）～（10:1）之間。改變液固比值及壓縮空氣的流量，可調節流態床的冷卻能力。增加水含量可提高冷卻速度，使工件淬火后得到較高的硬度。適合于工模具的淬火。

1.5.9　漿狀淬火介質

漿狀淬火介質是在水（或其他液體）中加入質量比例達20％以上的不溶解的固體粉末，并經攪拌而成的懸濁液，也簡稱為漿液。這種介質的冷卻特性是，蒸汽膜冷卻階段可以持續到相當低的溫度，而后的沸騰階段的冷卻速度又遠比自來水相同溫度的冷卻速度低。這種介質的冷卻特性可以在一定范圍內調整，當處于靜止狀態時，漿狀介質的冷卻速度大致可以降低到風冷和油冷之間，這正好填補了常用冷卻介質中，冷卻速度低于普通機械油而又快于風冷中間的空白。漿狀淬火介質不會燃燒，淬火時無煙霧，淬火后工件一般不清洗或用清水稍做沖洗就十分干凈。使用中除補充一些水外，漿狀介質幾乎沒有什么消耗。漿狀介質節能環保，可以直接排放，不污染環境。

前幾年曾有人介紹過的泥巴淬火劑就屬于此類。細粒黏土，尤其是重質黏土都可以選用。對新取的黏土，需做一次烘燒，以去除其中的草根、石粒等雜質，然后將黏土打成細粉，最后過篩，選用黏度適合的部分作為配制漿狀介質的粉體材料，按20％～50％（質量分數）配制。粉狀含量過低，冷卻的蒸汽膜階段過短，得不到低于普通機油的冷卻速度。若粉狀含量過高，流動性差，不利于使用。

配制漿狀介質的方法很簡單，按質量比備料，在槽子中通過攪拌混合成漿就可使用。漿狀介質的應用如下。

①要求高中溫階段冷卻緩慢的高合金鋼的淬火冷卻，例如，高速鋼、冷作模具鋼等材料制作的工件。具體操作中工件進入沸騰冷卻階段之前必須從漿液中提出。

②對某些種類的高合金鋼，漿狀介質可以作為分級冷卻的替代品，而得到簡化操作并減少畸變的效果。

③用水淬-漿液冷卻代替水淬-油冷。

④結構鋼的快速正火，為了獲得既好又均勻的淬火組織，應當推廣等溫正火的方法，傳統的風冷正火冷速不夠快，且均勻性欠佳，加熱后工件投入漿液中冷卻能提高正火質量。

1.5.10　用金屬板散熱冷卻淬火

這種工藝方法適用于淬透性很高的合金工具鋼，簡單易行，效果甚佳，但生產效率低，不適合批量生產，只有在特殊情況下被迫使用。

為適應節能環保的要求，礦物油并不符合工模具鋼的淬火要求，遲早被淘汰。但由于習慣勢力的影響，它將持續被運用，為減少它對環境的危害，要規范化管理、再生處理、配方改進；植物油基的生態淬火油、聚合物水基淬火介質和流態床介質，具有優良的冷卻性能和良好的環境界面，今后將會有長足的進步。硝鹽浴是減少零件畸變、獲得良好組合的等溫分級淬火介質，水溶液在碳鋼工具淬火上相當成功。硝鹽淬火介質雖然有一些缺點，但它仍是工具熱處理主要的淬火介質之一。只要鹽浴爐不淘汰，氯化鹽浴還是高速鋼刀具淬火分級用鹽；用真空淬火，高壓氣淬是方向。究竟采用何種淬火介質，不可能千篇一律，應各取所需，既要節能環保，更要工件壽命長。