2.2 工具用钢的淬火冷却介质

工件加热奥氏体化后，以适当的方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。工件进行淬火冷却时用的介质称为淬火冷却介质。

2.2.1 水及无机物水溶液淬火冷却介质

1.水

水是最古老而迄今仍常用的淬火冷却介质。它取之方便，价格低廉，安全、清洁、对环境无污染。水的冷却特性见表2-7。

表2-7 水的冷却特性

水温对水的冷却能力影响很大，水温升高，冷却能力急剧下降，特别是高温区。另外，水温升高，特性温度明显下降。例如，20℃时特性温度为380℃，40℃特性温度约为320℃，60℃时特性温度约为250℃。这使最大的冷却速度向低温移动。因此，生产中应严格控制淬火水槽的温度，采取相关措施，使淬火水温在40℃以下。

工件在水中运动或者循环，可使蒸汽膜早期破坏而进入沸腾快冷阶段，可以有效地提高工件在高温阶段的冷却速度，并可改善冷却的均匀性。

2.氯化钠水溶液

氯化钠加入水中，能显著提高水的冷却能力。氯化钠溶于水中，降低了蒸汽膜的稳定性，提高了特性温度。常用氯化钠水溶液中的氯化钠含量为5%～10%（质量分数）。在此范围内随着氯化钠含量的增加，冷却速度迅速提高，最大冷却温度上移。氯化钠的质量分数提高到20%，因黏度增大而使冷却速度趋于回落。氯化钠水溶液在低温区（<20℃）的冷却速度和水接近，一般不会增加淬火畸变。对采用氯化钠水溶液淬火的工件，应及时做好防锈处理。

3.氯化钙水溶液

固体氯化钙在空气中放置，会自然吸水而潮解。这种淬火冷却介质的配制方法是将已潮解的氯化钙或无水氯化钙放入淬火槽中，加水充分搅拌，使其充分溶解。因为氯化钙水溶液的黏度与温度及密度有关，为防止淬火冷却介质由于温度升高使密度和黏度下降，所以配制成饱和溶液，配制的用量要使淬火槽底部有剩余的不再溶解的氯化钙为止。

氯化钙水溶液冷却性能优良，是较理想的淬火冷却介质。氯化钙水溶液的使用温度一般控制在20～70℃，密度为1.05～1.46g/cm³。

4.氯化镁水溶液

氯化镁水溶液通常使用密度为1.05～1.46g/cm³的饱和水溶液，使用温度为10～60℃，可在静止、搅拌、循环状态下使用。MgCl₂水溶液适用于碳钢、低合金结构钢、弹簧钢等钢种的淬火。

5.碳酸钠水溶液

20℃的5%（质量分数）碳酸钠水溶液的最大冷却速度约为1700℃/s，对应的温度为450℃左右，特性温度约为700℃。10%～20%（质量分数）碳酸钠水溶液高温区冷却速度较慢，300℃左右冷却速度最快，约为500℃/s。

6.氢氧化钠水溶液

氢氧化钠水溶液的冷却能力随着温度的升高而下降，溶液温度过高，淬火后易出现软点，通常使用温度控制在60℃以下。氢氧化钠水溶液和氯化钠水溶液很相似，在淬火危险温度区域冷却速度都比较大，应引起注意。

7.水玻璃水溶液

水玻璃水溶液的冷却性能优良，也是较为理想的淬火冷却介质。水玻璃水溶液一般使用温度为20～80℃，最佳使用温度为30～65℃。使用时应控制浓度，一般模数为2～3，波美度为56～40°Be′。工件淬火后表面附着的胶状硅酸钠，需在热水中清洗。

8.三氯水溶液

三氯水溶液淬火冷却介质是由CaCl₂、MgCl₂、ZnCl₂三种氯盐配制而成的溶液。其冷却能力介于水和油之间，沸点可达300℃，在300～200℃范围内的冷却速度仅为水的1/10～1/8，可有效地控制工件的淬火畸变与开裂，是碳钢和低合金钢较为理想的淬火冷却介质。

9.硝盐水溶液

硝盐水溶液作为淬火冷却介质在工模具热处理中应用十分普遍，主要有两硝水溶液和三硝水溶液。硝盐水溶液淬火冷却介质的组成见表2-8。

表2-8 硝盐水溶液淬火冷却介质的组成

在使用三硝水溶液淬火时应注意的问题如下：

1）三硝水溶液一般要配制成饱和，否则仍有可能淬裂。对溶液的浓度（密度）要严格控制：对于碳钢，溶液密度应控制在1.40～1.45g/cm³；对于合金钢，溶液密度应控制在1.45～1.50g/cm³。使用温度为20～60℃。

2）三硝水溶液静置24h后不用就会沉淀，再用时要先搅拌，使之均匀。

3）工件在三硝水溶液中淬火冷却至300～200℃（钢的Ms附近区）后，应提至槽外空冷，使其在马氏体转变区缓慢冷却，这样防淬裂效果更好。

4）三硝水溶液的冷却速度较大，对有些截面尺寸相差大的工件（如弹簧夹头），还必须采取适当的防淬裂措施，如厚端先淬入、采用石棉绳缠绕或堵塞等。

5）用盐浴炉加热时，应注意防止工夹具及未加热的工件溅上硝盐后带入炉内而造成爆溅，还应注意硝盐产生火灾等负面影响。

10.氯化锌-碱水溶液

氯化锌-碱水溶液的配方为（质量分数）：12.25%ZnCl₂+12.25%NaOH+0.5%肥皂粉+74.5%H₂O。配制时，将氯化锌、氢氧化钠、肥皂粉放入水中，搅拌均匀，呈乳白色液体即可。每次淬火前都要先搅拌均匀，不能有分层和沉淀现象。这种淬火冷却介质的冷却能力在650～550℃区间接近于氯化钠水溶液，在300～200℃区间冷却速度较慢，对减少碳钢的变形有显著效果。使用温度为20～60℃。

这种淬火冷却介质已成功应用于45钢、T7A、T8A等形状复杂的模具，畸变开裂倾向小。经氯化锌-碱性淬火后，工件获得光亮的表面，故这种介质有光亮淬火冷却介质之称。

2.2.2 聚合物水溶液淬火冷却介质

迄今为止，人们已经掌握了大量的天然及合成聚合物，但其中作为淬火冷却介质的并不多。在我国实际应用的有聚乙烯醇（PVA）、聚醚、聚烷撑乙二醇（PAG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等，目前，使用量最大是PAG。水溶性聚合物淬火冷却介质是通过聚合物在工件周围形成聚合物膜来降低冷却速度的，其特点如下：

1）聚合物水溶液在各个温度阶段的冷却速度分布与聚合物膜机理、膜的结构和强度有直接的关系。

2）具有较短的蒸汽膜沸腾阶段，且蒸汽膜的破裂较为均匀。

3）聚合物膜厚度与冷却速度成反比。

4）聚合物水溶液的浓度与聚合物膜的厚度成正比，与冷却速度成反比。

5）聚合物水溶液的温度与冷却速度成反比。

6）聚合物水溶液的相对流速与冷却速度成正比。

根据这些特点，人们不仅可以根据工艺要求选择聚合物的类型，而且可以在使用过程中，通过调整聚合物的浓度、温度和流速，在一定程度上调整和控制冷却速度和冷却速度的分布，达到淬火的预期效果。

聚合物水溶液已成功应用于工模具钢淬火，在感应淬火上也有应用。

1.聚乙烯醇合成淬火冷却介质

聚乙烯醇合成淬火冷却介质由聚乙烯醇加入少量的防腐剂、防锈剂、消泡剂与水配制而成，其组成见表2-9。这种淬火冷却介质主要选用于钢铁工件表面淬火的喷射冷却或浸入冷却，也可以用于空气炉加热整体淬火冷却，特别适用于碳钢和低合金钢的淬火冷却，不适用于盐浴炉加热的淬火冷却。

表2-9 聚乙烯醇合成淬火冷却介质的组成（JB/T 4393—2011）

注：产品供应状态为浓缩液。

通过调节聚乙烯醇合成淬火冷却介质的浓度，其冷却速度可以接近水，也可以相当于油。因此，聚乙烯醇合成淬火冷却介质是比较理想的淬火冷却介质。

2.聚醚水溶液淬火冷却介质

聚醚是环氧乙烷与环氧丙烷的不同配比所得的共聚物，其水溶液具有逆溶性。聚醚水溶液中的聚醚的质量分数在5%～40%之间调整，可得到介于水和油之间的冷却速度，使用温度通常控制在20～45℃。聚醚水溶液淬火冷却介质是比较理想的淬火冷却介质。

3.聚醚-乙二醇水溶液淬火冷却介质

将聚醚和乙二醇按一定的配比溶于水，即可配制成不同浓度的聚醚-乙二醇水溶液淬火冷却介质。聚醚和乙二醇的比例不同，所得到的淬火冷却介质的冷却特性也不同，两者最佳的配比为1∶1（体积比）。该介质使用质量分数为16%～20%，使用温度为20～45℃，可用于低合金钢、碳素工具钢的淬火。

4.聚丙烯酸盐水溶液淬火冷却介质

聚丙烯酸盐水溶液包括聚丙烯酸钠（PAS）水溶液和聚丙烯酸胺（PAM）水溶液。

（1）聚丙烯酸钠（PAS）水溶液淬火冷却介质 有PAS-1、PAS-3两个牌号。常将聚丙烯酸钠浓缩液稀释成质量分数为6%～25%的水溶液，最佳使用温度为20～40℃。相对分子质量为500～3000，质量分数为6%～8%的溶液可代替铅浴，用于钢丝强韧化处理。相对分子质量大于10000，质量分数为3%的PAS-3水溶液，可取代L-AN15，用于渗碳工件的淬火冷却。相对分子质量小于10000，质量分数为10%的PAS-1水溶液，可取代L-AN32全损耗系统油，用于中碳合金钢的淬火冷却；质量分数为5%～10%的水溶液，可用于低合金钢淬火冷却；质量分数大于10%的溶液，可用于中合金钢的淬火冷却；质量分数达到25%的溶液，可用于高速工具钢工具的淬火。

（2）聚丙烯酰胺（PAM）水溶液淬火冷却介质 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（丙烯酰胺的质量分数在50%以上）的统称。将聚丙烯酰胺的胶状体放于容器中，加水溶解，升温至45～60℃，并进行搅拌，可得到黏稠液体；再加入添加剂，就制成了PAM淬火冷却介质浓缩液。常用的两种聚丙烯酰胺淬火冷却介质组成见表2-10。

由于PAM水溶液调节浓度可以控制冷却特性，所以它可以适用于碳素钢、合金结构钢、低淬透性工具钢的淬火。

表2-10 常用的两种聚丙烯酰胺淬火冷却介质组成

5.聚烷撑乙二醇（PAG）水溶液淬火冷却介质

聚烷撑乙二醇（PAG）为中性非离子型聚合物，为环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物，添加防锈剂、消泡剂、杀菌剂和水，可制成一种不燃、耐腐蚀、完全溶于水、有浊点、呈逆溶性的淬火冷却介质。

聚烷撑乙二醇水溶液淬火冷却介质的冷却能力介于水、油之间，调节其浓度，可使其冷却能力接近或稍大于水，或使其冷却能力非常接近于油，可成为以水代油的淬火冷却介质。

6.羟乙基纤维素（HEC）水溶液淬火冷却介质

羟乙基纤维素水溶液淬火冷却介质的冷却能力随浓度的增加而减弱，膜沸腾期较长；温度升高，膜沸腾延长，冷却速度减慢。当质量分数为1%时，其冷却能力与油接近，如在其中加入质量分数为10%的NaCl，则可得到比油更低的冷却能力，可用来解决油淬畸变偏大的问题。φ100mm×0.8mm 65Mn钢圆薄刀片用此淬火冷却介质解决了变形问题。在羟乙基纤维素水溶液中加入质量分数为5%的NaCl可以代替淬火油，使用温度不得超过50℃。

2.2.3 淬火油

淬火油的性能特点主要表现在冷却性能与化学性能两个方面，前者决定它的冷却能力和冷却特性，后者决定它的使用寿命。

1.全损耗系统用油

全损耗系统用油用“L-AN+数字”表示，数字表示油的黏度值。全损耗系统用油冷却能力较弱，易老化，氧化。常温下使用的全损耗系统用油有L-AN15、L-AN22，使用温度为20～80℃；分级淬火应选用闪点较高的L-AN100。全损耗系统油的冷却特性见表2-11。

表2-11 全损耗系统用油的冷却特性

2.普通淬火油

普通淬火油为中速淬火油，是在全损耗系统用油中加入抗氧化剂、催冷剂和表面活化剂等添加剂调制而成的，它克服了全损耗系统用油冷却能力较弱、易氧化和老化的缺点。普通淬火油的闪点较低，使用温度一般为20～80℃。普通淬火油可直接向生产厂家购买，也可以自配。普通淬火油适用于具有一定淬透性的高碳钢、合金结构钢、合金渗碳钢及轴承钢零件的淬火冷却。

3.光亮淬火油

光亮淬火油中，常用的光亮添加剂见表2-12。

表2-12 常用光亮添加剂

（续）

4.真空淬火油

真空淬火油是在低于大气压力的条件下使用的。因此，要求淬火油：①不易蒸发，饱和蒸汽压低，具有足够的冷却速度，保证淬火硬度；②不易污染炉膛，不影响真空炉的真空度；③工件淬火后表面光亮度高，油的热稳定性好。

5.分级淬火油和等温淬火油

分级淬火油和等温淬火油的使用温度在100～250℃之间，应具有闪点高、挥发性小、氧化安定好等特点。例如：国产的DF₂-S淬火油闪点为260℃，可用于100～150℃分级淬火；QF₂-A淬火油的闪点为280℃，可用于150～200℃分级淬火或等温淬火。

不同温度静止时淬火油的冷却特性见表2-13。

表2-13 不同温度静止时淬火油的冷却特性（JB/T 6955—2008）

2.2.4 分级淬火、等温淬火用盐浴或碱浴

等温淬火和分级淬火通常用盐浴为硝盐浴和氯化盐低温盐浴。

硝酸盐（KNO₃、NaNO₃）和亚硝酸盐（KNO₂、NaNO₂）以不同的比例配比，即可得到不同熔点的硝盐浴。在硝盐浴中加入少量水，可以显著提高冷却能力，改变工件冷却过程。水的质量分数在3%以上时有沸腾现象，含水量少时无此现象。

氯化盐低温盐浴常用于高速工具钢、高合金钢分级淬火，其成分和使用温度见表2_-14。表2-14中序号4配方是目前高速工具钢刀具的主要淬火冷却介质。

表2-14 高速工具钢及高合金钢分级淬火盐浴成分和使用温度

碱和盐的混合液也可以作为淬火冷却介质，也就是人们常说的发蓝淬火剂。用它进行发蓝淬火，不但可使工件畸变量减小，而且可使工件表面生成蓝色或褐色的氧化膜，光亮美观，还具一定的防锈能力。碱和盐的混合液适用于形状复杂、要求畸变量小的碳素工具钢、弹簧钢和其他一些低合金钢工具的淬火。常用的碱和盐混合浴的成分和使用温度见表2-15。

表2-15 常用的碱和盐混合浴的成分和使用温度

2.2.5 气体淬火冷却介质

气体的冷却能力与气体的种类、气体的压力、流速有关。

1.常压下的气淬

对于Cr12系列高淬透性的合金工具钢、高速工具钢，可以在空气中吹风淬硬。为了提高冷却速度，可将简单模具放在平整的钢板上，并在上方置一风扇吹风冷却，使工件工作面达到高硬度且畸变很小。厚度小于50mm的凹模可以淬硬，厚度更大者需放在通水的铜板上淬硬。

2.高压气淬

由于模具工业的迅猛发展，真空加热与高压气淬的应用越来越多。工件在真空炉中加热后，为了获得所需要的淬火组织，采用高压气体喷射冷却的热处理技术正在迅速发展。常用的冷却气体有N₂、He、H₂和Ar。H₂的导热能力最好，但与空气混合后易发生爆炸，安全性能差，在1050℃以上还会引起钢的脱碳，其推广使用受到限制。N₂的冷却效果虽然差些，但安全、便宜，故使用广泛。

3.热等静压件的高压气淬

气体介质的换热系数随压力的提高而不断增高。100～200MPa的惰性气体具有相当高的冷却能力。因此，对于一些需要采用热等静压方法制备的工件，可以采用热等静压制备后在100～200MPa气体中淬火的方法。工件冷却均匀，淬火畸变很小，表面整洁，对环境无污染。

2.2.6 流态床淬火冷却介质

根据组成流态物质的不同，流态床可分为气固流态床和气液固流态床两种，其组成及冷却能力见表2-16。

表2-16 流态床的组成及冷却能力

流态床淬火冷却介质可以通过调整液固比值和压缩空气的流量来控制流态床的冷却能力。通常，在液固比值一定的情况下，通过改变气体流量的方法可以方便地调整冷却速度。因此，流态床对于实现程序控制冷却非常方便。

1.气固流态床淬火冷却介质

流态床由气流和悬浮的固体颗料构成。在带有细孔格板的淬火冷却槽中，放入金属或非金属的细小颗粒（也可加入适量的水），再通入压缩空气，吹动固态微粒使其呈悬浮状，形成流态，加热后的工件可以随意淬入其中进行冷却。选用不同的固体微粒，调整压缩空气的流量和流速，控制流态床温度和深度等，可调节其冷却能力，且调节范围很宽。流态床的冷却能力介于空气和油之间，接近于油；具有冷却均匀、腐蚀性小、无爆炸危险等优点；工件淬火变形小，表面光洁；适用于淬透性好、形状复杂的小型合金钢件的淬火。

2.气液固流态床淬火冷却介质

在槽中盛有固体微粒和水，当压缩空气通过有孔的底板时产生小气泡，使固体微粒层湍动而形成流态流态床中的液体与固体微粒之比可以在5/1～10/1之间。改变液固比值及压缩空气流量，可调节流态床的冷却能力。增加水含量可提高冷却速度，使工件淬火后得到较高的硬度。气液固流态床淬火冷却介质适合于工模具的淬火。

2.2.7 浆状淬火冷却介质

浆状淬火冷却介质是在水（或其他液体）中加入质量分数达20%以上的不溶解的固体粉末，并经搅拌而成的悬浊液，也称为浆液。这种介质的冷却特性是，蒸汽膜冷却阶段可以持续到相当低的温度，而后的沸腾阶段的冷却速度又远比自来水相同温度的冷却速度低。这种介质的冷却特性可以在一定范围内调整，当处于静止状态时，浆状介质的冷却速度大致可以降低到风冷和油冷之间，正好填补了常用淬火冷却介质中冷却速度低于普通全损耗系统用油而又快于风冷之间的空白。浆状淬火冷却介质不会燃烧，淬火时无烟雾，淬火后工件一般不清洗或用清水稍作冲洗就十分干净。使用中除补充一些水外，浆状介质几乎没有什么消耗。浆状介质节能环保，可以直接排放，不污染环境。

配制浆状淬火冷却介质的方法很简单，按质量比备料，在槽子中通过搅拌混合成浆即可使用。浆状淬火冷却介质的应用如下：

1）用于要求高中温阶段冷却缓慢的高合金钢的淬火冷却，例如，高速工具钢、冷作模具钢等材料制作的工件。具体操作中工件进入沸腾冷却阶段之前必须从浆液中提出。

2）对某些种类的高合金钢，浆状介质可以作为分级冷却的替代品，可得到简化操作并减少畸变的效果。

3）用水淬-浆液冷却代替水淬-油冷。

4）用于结构钢的快速正火。为了获得既好又均匀的淬火组织，应当推广等温正火方法，传统的风冷正火冷却速度不够快，且均匀性欠佳，加热后将工件投入浆液中冷却能提高正火质量。

2.2.8 用金属板散热冷却淬火

用金属板散热冷却淬火工艺适用于淬透性很高的合金工具钢，简单易行，效果甚佳，但生产率低，不适合批量生产，只有在特殊情况下才被迫使用。