作者:潘振、朱永新、卞凯强

单位:上海汽车变速器有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

淬火冷却技术作为热处理工艺过程的重要组成部分，自始至终伴随着热处理技术的发展而不断进步。但是，由于淬火过程涉及到温度、相变、应力应变以及介质流向的瞬间变化和交互作用，是一个十分复杂的过程，加之受到工件形状尺寸与材料成分的影响，而使其研究水平和控制水平滞后于热处理的加热过程，成为热处理生产关注的重点。

近些年来，随着各种测试技术的不断完善，计算机模拟技术的广泛应用以及对淬火质量要求的不断提高，在淬火过程机制研究、冷却过程控制、新型淬火方法、新型淬火冷却介质开发等领域都取得了一定的进步和发展。

1.常用淬火冷却介质及其特性

淬火冷却技术首先是要选择合适的淬火冷却介质。目前，热处理介质种类繁多，但基本分为液体、气体和固体三大类。其中，水、无机水溶液、各种淬火油等属于在淬火时发生物态变化的介质，冷却过程可分为蒸汽膜、沸腾、对流三个阶段，而气体、熔盐、熔碱等属于不发生物态变化的介质。

(1)水

水是应用最早、最广泛、最经济的淬火冷却介质，其价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力很强。但水在Ms点附近(300~100℃)处于沸腾阶段，冷却太快易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使零件变形甚至开裂。因此，只适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢淬火。

(2)无机物水溶液

后来人们通过往水中加入各种无机盐、碱或其混合物，形成各种不同的无机物水溶液，提高了高温区的冷却速度，改善了冷却均匀性，减少了开裂和变形。但是盐水易生锈，碱水淬火不易控制，硝盐类会产生有害气体，对环境和工人的健康影响较大。

(3)淬火油

随着各种复杂及材料不同的零件不断出现，20世纪初人们开始使用矿物油作为淬火冷却介质，其具有粘度低、抗氧化性和热稳定性好、使用寿命长等优点，在壁厚不大、形状复杂、变形小的汽车齿轮零件中得到了广泛应用，各种类别(如快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等温、分级淬火油)也得到了迅速发展。

但其对环境的污染一直被人们所诟病，包括淬火过程中的浓烟、矿物油降解能力差、易酸败变质等缺点，不符合当前的环保要求。

(4)气体

淬火冷却介质的研究方兴未艾，人们一直在寻求资源丰富、无污染、冷却性能优良且可调的淬火冷却介质。随着近年来真空设备的快速发展，对表面淬火钢或其他低合金材料进行热处理时，使用氮气或氦气的高压气体常可取代油淬。气体淬火技术的成功在于环保和商业的高效率。氮气或氦气属于绝对惰性气体，对生态环境无任何影响，且不会在工件上或在淬火炉内留下残余物，因此无需投资清洗机或火灾监控系统等设备，这也减少了淬火的运行成本。

气体和液体在淬火形式方面有所不同。液体淬火在三个阶段具有完全不同的传热系数，这造成部件温度梯度大且导致部件变形。而气体不会出现物态变化，整个部件的传热更为均匀，变形风险也随之降低。

2.真空高压气淬工艺探究

(1)真空高压气淬技术的特点及发展状况

真空高压气淬作为一种真空热处理技术，起始于20世纪70年代，具有油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点:

①工件表面质量好，无氧化，无增碳。

②淬火均匀性好，工件变形小。

③淬火强度可控性好，冷却速度能通过改变气体压力和流速进行控制。

④生产效率高。

⑤无环境污染等。

在近三十年时间内，真空高压气淬技术得到了迅速发展、推广和应用，特别是随着淬火压力的提高，使得真空热处理的材质范围进一步扩大，工件淬火硬度和可淬硬深度得到了明显提高。目前，在先进的工业国家如美国、德国、日本等，真空高压气体淬火技术已成为高速钢、高合金模具钢热处理的主导工艺，20bar