淬火是热处理过程中最关键的阶段，决定着淬火部件的内部质量和变形程度。
淬火冷却技术随着热处理技术的进步而不断进步。然而，尽管取得了这些进展，但由于其瞬时性质以及观察和测量的局限性，冷却过程仍然复杂且具有挑战性。因此，淬火冷却仍然是一个谜。
多年来，机械行业一直犯着“重冷轻热”的错误，重冷加工而忽视热加工的重要性。同时，热处理行业存在“重热轻冷”的现象，重加热而轻冷却的关键作用。这是一个不寻常且有问题的现象。
结合我丰富的热处理经验，分享一下我对淬火冷却介质的认识和选择的见解。
一、淬火冷却介质的基本性质
(1)理想的冷却速度
术语“理想冷却速度”是指对于已淬火的特定材料和零件，C 曲线鼻部处的预期冷却速度。该速率应高于临界冷却速度，这是确保工件成功进行马氏体转变所需的最低速度。
在其他温度范围内，特别是在马氏体转变期间（Ms→Mf），冷却应更慢地进行。这就是人们常说的“高温快冷、低温慢冷”的原理。
每种类型的钢材和工件都有其独特的“快”和“慢”冷却要求。“理想淬火冷却介质”的概念在理论上是存在的，如图1所示。
应该注意的是，不同类型钢材的C 曲线可能有所不同。
不幸的是，不可能找到一种单一的“理想的淬火冷却介质”，适用于淬火所有类型的钢材和不同尺寸的工件。
相反，必须根据具体情况选择合适的淬火冷却介质，才能获得变形最小、金相良好的硬质淬火零件。
图1 理想淬火冷却介质曲线
(2)稳定性好
使用的淬火冷却介质应稳定，在使用过程中不易分解、变质、老化。
不同的淬火油和有机溶剂都有不同程度的老化，定期调整、更新、维护很重要。
(3)冷却均匀性
尽可能均匀地冷却工件的不同部位和表面对于防止淬火过程中形成软点和块是至关重要的。
(4)无腐蚀性
淬火后应保持清洁、易清洗，且不应腐蚀工件。
(5) 环保
淬火过程中不会产生大量的烟雾、有毒或刺激性气体，淬火件产生的废液不会造成环境污染。
(6)安全
淬火过程中使用的冷却介质不易燃、不易爆，使用安全。
（七）经济
淬火所用的冷却介质不仅要质量高，而且价格要合理。但如果太贵，可能不会受到热处理企业的欢迎。
2、影响淬火冷却介质冷却性能的因素
影响淬火冷却介质冷却性能的因素有很多，大致可分为九类。
(1) 温度
淬火冷却介质的冷却能力随着温度的变化而变化。水和水基冷却介质的冷却能力随着温度的升高而降低，而油和盐浴的冷却能力则增加。
随着温度升高，介质的流动性提高，促进散热，提高其冷却能力。因此，了解工件的具体冷却温度要求至关重要。
另请参见 增强钢的强度：淬火工艺对 1100 MPa UHSS 微观结构的影响
(2)表面张力
表面张力对冷却速度有直接影响。通常，具有低表面张力的淬火冷却介质与淬火零件的表面紧密接触，从而可以快速散热并提高冷却能力。
(3)搅拌
搅拌淬火冷却介质可以增加其传热系数，迅速打破汽膜，加快冷却速度，保证淬火零件冷却均匀。
(4)导热系数
导热系数，又称导热系数，是表示物质传导热量能力的物理性质。导热系数越高，材料的冷却能力越强。
(5)比热容
淬火冷却介质的比热容越高，冷却速度越快。
(6) 粘度
粘度代表液体流动过程中液体分子之间的摩擦力。粘度高的淬火冷却介质流动性差，阻碍对流散热，导致冷却能力差。反之，粘度低的淬火冷却介质，冷却效果较好。
(7) 汽化热
术语“汽化热”是指在恒定温度下将单位质量的液体转变为气体所需的热量。
水的化学稳定性高，热容量大，是常温下钢的8倍。
尽管水的沸点较低，但水的汽化热随着温度的升高而降低。
随着温度升高，水的冷却能力显着下降。
然而，一旦水温达到80℃，其冷却能力仍保持相对稳定，并保持约0.72的淬火强度。
(8)添加剂
添加添加剂用于改变冷却性能。如果在水中加入少量的盐或碱，可以显着提高其冷却能力。
当添加聚乙烯醇时，淬火零件表面会形成一层薄薄的塑料膜，由于其导热性差，降低了冷却速度。
在水中添加油和肥皂会形成悬浮液或乳液，从而增强蒸汽膜的形成，增加其稳定性，并降低冷却能力。
此外，通常添加氧化剂、光亮剂、防锈剂和防腐剂来改变淬火冷却介质的其他特性，每种特性对冷却性能都有不同的影响。
总的来说，添加剂的添加通常有多种用途。
(9) 环境
环境对制冷能力的影响常常被忽视。同一温度下介质的冷却效果在冬季和夏季会有所不同，淬火效果也会在白天和夜间有所不同。
3、选择淬火冷却介质的基本原则
大量证据表明，许多热处理质量事故都与淬火冷却介质的选择有关。介质选择或操作不当会导致淬火零件浪费。
为此，正确使用淬火冷却介质对于保证产品质量至关重要。无论选择何种介质，实现均匀淬火效果都至关重要：
实现高而均匀的表面硬度和足够的硬化深度。
避免过热或过度淬火。
最大限度地减少淬火变形。
应根据淬火零件的热处理技术要求、材质、形状等具体情况选择合适的淬火冷却介质。应考虑以下五个基本原则：
(1)钢中碳含量的重要性
碳是所有类型钢中的关键元素。碳含量对钢的性能和淬火效果有显着影响。
对于含碳量小于0.5%（质量分数）的低碳钢，可采用盐水、碱水、有机溶剂等进行淬火。
中低合金结构钢通常采用二次淬火或使用介质以相对较慢的速率冷却。
碳素工具钢热处理要求高，淬透性差，通常采用碱浴或硝盐浴淬火，很少采用油冷。
(2)钢的淬透性和淬火冷却介质
钢的淬透性可以通过“C”曲线来确定。淬透性差的钢需要较快的冷却，而淬透性好的钢则需要较慢的冷却。
根据钢的淬透性选择合适的淬火冷却介质至关重要。
(3)工件有效直径
每种类型的钢都有一个淬火临界直径。当淬火件表面冷却到Ms点时，介质的冷却速度明显降低，工件内部的热量也降低。工件表面一定深度内的过冷奥氏体很难冷却到Ms点以下。
另请参阅 电动推杆与电动缸：揭示主要差异
对于较厚的工件，应选择较快的低温冷却速度，以达到足够的淬火层深度。另一方面，对于薄壁工件，可采用低温、低冷却速度的淬火冷却介质。最大允许冷却速度的分布曲线表明，厚工件可以高速冷却，薄工件宜低速冷却。
(4)淬火零件的复杂性
根据最低允许冷却速度分布曲线分析，形状复杂的工件，特别是内孔或深凹表面的工件，应采用蒸汽膜阶段短的冷却介质淬火，以减少淬火变形和需要内孔硬化。
对于形状比较简单的工件，可以采用蒸汽膜阶段稍长的淬火冷却介质。最大允许冷却速度分布曲线表明，形状复杂的工件的允许冷却速度较低，而形状简单的工件的允许冷却速度较高。
(5) 允许变形量
淬火零件应具有最小的变形和较窄的冷却速度带。当允许变形较大时，可以接受较宽的冷却速度范围。许用冷却速度范围可采用一般能达到淬火硬度的介质。通过等温淬火或分级淬火可缩短工件的冷却速度带。
由于工件种类繁多，热处理要求不同，淬火和冷却介质选择众多。即使同一类型的工件用不同的介质淬火也会导致相同的表面硬度，因此很难选择合适的淬火和冷却介质。本着经济、合理的原则，选择最合适的淬火冷却介质。
4、淬火冷却介质应用实例
(1)高速钢淬火用中性盐淬火剂
所谓中性盐淬火剂一般是指两种配方：
第一种：50% BaCl 2 + 30% KCl + 20% NaCl（质量分数），熔点560℃，使用温度580~620℃，适用于有效直径≤20mm，可保证在温度范围内的冷却速度工件1000～800℃≥7℃/s，并防止共晶碳化物析出影响刀具性能。
第二类：48%CaCl 2 + 31% BaCl 2 + 21% NaCl，熔点435℃，使用温度460～550℃。
相图如图2所示，为了配料方便，工厂改为50%CaC12+30%bac12+20%NaC1，熔点440℃，使用温度460-550℃ C。
适用于有效直径小于40mm的高速钢工件。
两种配方的中性盐的使用方式不同。
每周连续开炉超过五天时，建议使用钙基盐，因为这些盐吸温能力强，在空气中容易潮解。
对于小型淬火零件和不频繁开炉的情况，钡基盐是合适的选择。
图2 CaCl 2、BaCl 2 和NaCl的三元相图
(2)硝酸盐浴淬火剂
硝酸盐是指NaNO 3、KNO 3、NaNO 2、KNO 2四种盐。
作为淬火剂，很少使用单一组分，常用两种或三种混合盐。
分子式和熔点如图3所示。
最常用的配方是：55%KNO 3 + 45NaNO 2，熔点137℃，使用温度160-550℃；
50%KNO 3 + 50%NaNO 2，熔点140℃，使用温度160-550℃。
该方案用于低合金钢制品的淬火以及高速钢和高合金钢工件的等温淬火。
有的企业采用硝酸盐浴作为大型齿轮渗碳后的淬火液，解决了大型齿轮热处理的难题。
图3 硝酸盐体系的熔化曲线
(3)硝酸盐水溶液的淬火
主要有二硝水和三硝水。
①二硝水为25%NaNO 3 + 25%NaNO 2 + 50%水，使用温度小于60℃。
采用硝酸盐浴对45钢小型丝锥、模具、工件进行等温淬火，不仅解决了淬火裂纹的问题，而且保证了淬火硬度的相对均匀。
在工业生产中，经常会遇到带有尖角、凹槽和不同截面尺寸的碳素工具钢模具。
另请参阅 探索 5 种主要阀门类型的优缺点
所需的硬度水平为59-63HRC，但水淬会导致裂纹，而油淬的硬度不够，单独使用任何一种方法都难以达到所需的质量。
硝酸盐浴等温淬火解决了这个问题。在此过程中，工件表面会出现白色硝酸盐气泡，在200℃左右的硝酸水中，估计为1s/5mm。
然后立即将工件放入180°C的硝酸盐浴中进行等温淬火30-60分钟，得到的工件无裂纹、变形最小，并满足要求的硬度水平。
(4)沸水淬火
有人对45钢采用沸水淬火作为调质的替代方法，取得了积极的效果。
对于直径为40mm至80mm的45钢，将钢加热至840℃并在沸水中淬火，其硬度约为250HBW，硬度高度均匀。
沸水淬火可代替45钢的正火处理作为最终热处理步骤。
高速钢还可在850-870℃沸水中淬火，代替传统的调质处理。
轴承钢经过沸水淬火双重精炼处理。
由于沸水的冷却速度比油慢，因此不必担心沸水淬火引起的开裂。
该工艺包括在最终锻造后立即将轴承钢在沸水中淬火，将工件冷却至500-400°C，然后对水进行空气冷却。然后，将工件在730～740℃下退火3～4小时，出炉后空冷，得到超细晶粒和细小碳化物。
沸水淬火还有许多其他应用，无法一一列出。如果使用得当，可以节省能源并提高效率。
(5)发蓝淬火剂
这是一种由工厂配制的淬火冷却介质，淬火后可获得美观且耐腐蚀的工件。
有两种颜色不同的配方：
①70%NaNO 3 +20%KNO 3 +10%NaNO 2，淬火后工件呈黑色。
②70%NaNO 2 +20%KNO 3 +10%NaNO 3，淬火后工件呈蓝色。
将三种硝酸盐按规定比例混合均匀，然后加入适量的水，制成过饱和溶液。然后将溶液加热至40-60℃备用。
(6)水溶性聚合物淬火剂——聚亚烷基二醇(PAG)
PAG 具有独特的逆溶解度特性，这意味着它在水中的溶解度随着温度的升高而降低。
冷却速度可以通过调节溶液的浓度、温度和搅拌来控制。
PAG 系列冷却液的淬火能力介于水和油之间，因此用途广泛，适用于各种应用。
自20世纪60年代在美国推出以来，PAG已成为热处理行业广泛使用的解决方案，并成功替代碱性水和油用于碳钢和低合金钢的淬火和冷却。
(7)淬火油
淬火油分为普通淬火油、光亮淬火油、快速淬火油、快速光亮淬火油、超快速淬火油、真空淬火油、分级淬火油、等温淬火油等多种类型。
虽然淬火油作为淬火冷却介质有很多优点，但其缺点也很显着。例如，它产生的油烟污染环境，对人体健康构成威胁，容易老化和着火，废油的处理也是一个具有挑战性的问题。
在工模具行业，建议逐步淘汰淬火油的使用，开发和采用节能环保的新型淬火冷却介质。
(8)气淬
小尺寸的高淬透性钢可采用气淬。
气体的冷却能力取决于气体的类型、压力和流速。
厚度小于20mm的高速钢机械刀片可在感应加热后直接空冷，从而获得63HRC以上的高硬度。
Cr12型高合金钢也可在空气中淬火，为提高冷却速度，可采用吹气法冷却。
有效尺寸大于50mm的模板甚至可以在水冷铜板上冷却。
近年来，真空高压气淬技术发展迅速。常用的冷却气体包括N 2、He、H 2和Ar。
H2 具有最好的导热性，但高度易燃，与空气混合时会引起爆炸，使其成为不安全的选择。它还会导致钢在1000℃以上脱碳，限制其应用。
N 2的冷却能力较差，但价格低廉且安全，使其在气淬中得到广泛应用。
5. 结论
热处理淬火冷却介质的选择和使用，不仅对产品质量和经济效益，而且对企业的生存和成长有着重大影响。
根据企业淬火工件的材质和性能要求，选择最佳的淬火冷却介质，以确保成功淬火，最大限度地减少变形，达到理想的性能。