刘红梅

摘 要：文章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

中图分类号：TG154.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0089-02

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。控制淬火冷却技术的核心是根据选择工件具体情况和技术要求选择适合的淬火介质。所谓合适的淬火介质既要满足零件热处理性能要求，又要保证工件无过大变形、开裂，同时对环境影响较小，并要兼顾经济性。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，而大型铸锻件多为非标准件，结构特殊，尺寸较大，技术要求较高，不同于常规机械零件热处理，目前，鲜有关于这方面研究报道。本文重点探讨大型铸锻件淬火冷却介质的选择。

2 大型铸锻件淬火冷却的特点

大型铸锻件大多为标准件，结构和尺寸一般较为庞大，有时一个零件就有几吨，在热处理基本理论方面与中小件无本质区别，但正因为其尺寸大，质量效应凸显，因此在具体热处理技术实现方面表现出与小件完全不同的特点，如经常出现小件不易发生或易于消除的晶粒粗大、混晶、残余应力过大、回火脆性明显等问题；同时大型铸锻件多为重型装备关键零部件，大多受力环境复杂，服役条件恶劣，因此对力学性能要求大都较常规产品高，这些都对热处理工艺提出了挑战，往往不能用处理小件的常规方法进行简单处理，最明显的就是淬火冷却效果完全不同于常规机械零件。这是因为随着大型铸锻件的尺寸和重量的增加，有效厚度也随之增加，工件传热和冷却过程自然会变慢，特别是在淬火冷却过程中，工件实际获得的冷却速度相对小件会大大降低，同样冷却方式下与小件相转变过程甚至会完全不同，故而按照常规热处理制度往往达不到目标热处理效果和预期组织和性能，如某材质小件采用较为缓和的油冷淬火就能完全满足技术要求，但同样材质零件有效尺寸增大到一定程度时，要达到相同的技术要求，采用油冷就不能达到相同的技术要求，即使采用较为激烈的水冷淬火也未必能完全达到相同技术要求。

对于大型铸锻件，如果淬火介质选择不当，常出现淬火效果差，达不到技术要求，或者零件变形超差、开裂、表面硬度低和淬硬层较浅等问题。为了减轻大型铸锻件质量效应的不利影响，通过采用添加较多Cr、Mo、Ni、Mn等提高淬透性的合金元素，但对于尺寸过大的结构件，这种方法作用也十分有限。生产实践中，比较通用与实用的是改进工艺方法，如淬火冷却采用水空水间歇交替冷却、喷淬代替水淬油冷或油冷淬火。虽然这样可能会在一定程度上解决问题，但热处理工艺要求较高，极易引起工件的畸变和开裂，因为随着大型铸锻件的尺寸增加，成分偏析、非金属夹杂缺陷概率会增加，再加上相变潜热的影响，在加热和冷却过程中产生的应力较大，这些因素都极大地增加了工件冷却过程中的风险。

3 淬火介质冷却的特性

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、黏度等都不相同，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。

3.1 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250～

350 ℃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。通过往水中加入各种无机盐、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。

3.2 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40～85 ℃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、黏度变化、冷却能力下降等。

3.3 新型淬火介质

目前，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。

关于新型淬火介质的应用已有很多研究，但在大型铸件淬火时大批量使用这些介质尚有太多报道，一是由于大型铸件工艺复杂，目前不能精确掌握工件淬火时内部组织及应力状态变化，又因其制造成本高，新型介质在这方面的应用研究还没全面展开，因此工艺改革难度较大，但新型淬火介质的优势明显。

4 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Ms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。

5 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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