純水淬火及其應(yīng)用

安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 （馬鞍山 243131） 趙步青

中國兵器工業(yè)第五九研究所（重慶 400039） 胡慶華

水是最古老的淬火冷卻介質(zhì)，“清水淬其鋒”流傳至今。由于水源豐富、價(jià)格低廉、節(jié)能環(huán)保，所以在諸多淬火冷卻介質(zhì)中，水仍有很強(qiáng)的競爭力。在某些特殊領(lǐng)域，淬火冷卻介質(zhì)非水莫屬。在很長一段時(shí)期，誤認(rèn)為水是淬裂元兇則有失公允。淬裂與否不是水之過，而是人之錯(cuò)，淬裂是冷卻不均勻造成的。同樣的45鋼圓棒常規(guī)水淬易淬，而感應(yīng)加熱噴水就不會(huì)裂。以下簡介筆者及同仁從事水淬及水冷的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，有點(diǎn)局限性，僅供參考。

一、水的物理化學(xué)性能

水是自然界中物理化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，其物理化學(xué)性能見表1。

表1 水的物理化學(xué)性能

二、水的冷卻特性

試驗(yàn)用φ20mm銀球作為探頭，加熱至800℃，分別淬入靜止的水和循環(huán)（流動(dòng)速度250mm/s）水中，測得的冷卻特性曲線如圖1所示。

圖1 水的冷卻速度曲線

（1）20℃靜止水的特性溫度約為380℃，從800～380℃為蒸汽膜階段，平均冷卻速度約為180℃/s，380～100℃為沸騰階段，平均冷卻速度為200℃/s，最大冷卻速度約為780℃/s，最大冷卻速度對(duì)應(yīng)的溫度約為280℃，在100℃時(shí)的冷卻速度約70℃/s。

（2）與油相比，水的冷卻速度較快，見圖2（試樣為φ20mm的銀球，移動(dòng)速度為25cm/s）。從圖2可以看出，在600℃時(shí)，水的冷卻速度約是油的6倍，而在200℃時(shí)，是油的28倍。

（3）水的特性溫度低（≈380℃），冷卻三個(gè)階段的溫度與鋼材的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖不相吻合。碳鋼的過冷奧氏體的最不穩(wěn)定區(qū)域大多在650～500℃，這時(shí)冷卻水正處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快，致使截面較大的碳鋼件表面硬度不足或淬硬層太淺。在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)水的冷卻速度極大，因而對(duì)形狀較復(fù)雜的工件易淬裂、畸變。

圖2 20℃水和50℃3號(hào)錠子油的冷卻速度與試樣中心溫度的關(guān)系

（4）水溫對(duì)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(qū)，例如當(dāng)水溫從20℃升高到40℃時(shí)，在600℃時(shí)的銀球冷速降低了1半，而在300℃以下時(shí)冷卻速度下降得較少。不同溫度水的冷卻特性曲線如圖3、圖4所示。其中特性溫度（Tvp）、最大冷卻速度（vmax）隨水溫的變化如圖5、圖6所示。合理利用水溫的變化能起到以水代油的效果，南京科潤工業(yè)介質(zhì)公司曾作74℃水、L-AN32油、硝鹽水溶液（25%NaNO3+25%NaNO2+50%H2O）冷卻性能對(duì)比，結(jié)果見表2。

圖3 不同溫度水的冷卻曲線

圖4 不同溫度水的冷卻速度曲線

圖5 Tvp和Tmax隨水的溫度的變化曲線

圖6 vmax隨水的溫度變化曲線

表2 74℃水、L-AN32油、硝鹽水溶液冷卻性能對(duì)比

80℃的自來水和L-AN32機(jī)械油的冷卻曲線見圖7。水在不同溫度下冷卻性能及冷卻強(qiáng)度H值見表3。

圖7 80℃水和L-AN32機(jī)械油冷卻特性曲線

表3 不同溫度水的冷卻特性及冷卻強(qiáng)度H值

在ISO 9950標(biāo)準(zhǔn)中沒有自來水的冷卻性能數(shù)據(jù)，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)原用于油，在研究水基淬火冷卻介質(zhì)時(shí)，卻使用該標(biāo)準(zhǔn)，因此研究確定自來水的冷卻性能也十分必要。30℃的自來水冷卻性能見表4，最大冷卻速度在不同的文獻(xiàn)中相差很大，在630～530℃之間，有些試驗(yàn)者得出應(yīng)在550℃左右（530～570℃）。

表4 30℃自來水的冷卻性能

（5）工件在水中運(yùn)動(dòng)或水作循環(huán)，可使蒸汽膜提前破裂而進(jìn)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，并可改善冷卻的不均勻性，例如20℃的循環(huán)水可使靜止水的平均冷卻速度由180℃/s提高到360℃/s，并使特性溫度和最大冷卻速度均有所提高。

由于冷卻是一個(gè)復(fù)雜的過程，應(yīng)該指出的是，水中含有氣體或不溶或微溶的少量物質(zhì)，都會(huì)引起冷卻性能的降低。因?yàn)樗械臍怏w和這些外來的質(zhì)點(diǎn)都能作為形成蒸汽的核心，加速蒸汽膜的形成且會(huì)增加膜的穩(wěn)定性，淬火時(shí)易形成軟點(diǎn)軟塊。若水中含有鹽、堿等有機(jī)或無機(jī)可溶性物質(zhì)時(shí)，其冷卻能力反而提高。還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，各地區(qū)水質(zhì)不同，其冷卻性能也有差別。從以上分析不難看出，純水作為熱處理淬火冷卻介質(zhì)，其優(yōu)缺點(diǎn)均很突出，因此我們要揚(yáng)長避短，使其為人類造福，為熱處理增效。

三、在熱處理中的應(yīng)用實(shí)例

1.45鋼沸水淬火代替調(diào)質(zhì)

45鋼的淬透性較差，自來水淬火的臨界直徑為10～15mm，鹽水冷卻也不超過25mm。工件的尺寸超過臨界直徑，如調(diào)質(zhì)肯定不盡如人意，尺寸越大，調(diào)質(zhì)效果越差，故一般較大截面工件調(diào)質(zhì)處理時(shí)，沿截面會(huì)得到不均勻的組織。為了改善鋼的調(diào)質(zhì)效果，一般采用提高加熱溫度或選用劇烈的淬火冷卻介質(zhì)，前者會(huì)引起氧化脫碳，且能耗增大；后者易引起淬火畸變與開裂。因此，對(duì)于大型45鋼工件往往采用正火作為最終的熱處理，但正火除冷卻速度慢外，還要受到環(huán)境、氣溫、溫度的影響，使硬度不易受控，質(zhì)量實(shí)難保證。

國內(nèi)有人用尺寸為φ50m m×150m m、φ70mm×210mm、φ80mm×210mm，wC為0.46%的45鋼作沸水淬火試驗(yàn)，加熱溫度為840℃，淬入沸水中，沿其1/2長度橫截面上過中心區(qū)域均勻分布的3條直線上測定硬度，結(jié)果令人滿意。

（1）大截面45鋼工件在沸水中淬火，沿整個(gè)截面的硬度和組織分布是均勻的，由于水溫始終保持100℃，因而受淬火工件力學(xué)性能不受環(huán)境和季節(jié)的影響。

（2）45鋼在74～100℃的水中冷卻時(shí)，隨著水溫的降低，珠光體量增加且片間距變小，因而其強(qiáng)度增加，塑性及韌性基本保持不變。

（3）沸水淬火可以代替普通正火，如作為最終的熱處理，淬火溫度應(yīng)下降15～20℃。

（4）根據(jù)工件尺寸等具體情況，適當(dāng)調(diào)整水溫，45鋼大截面工件沸水淬火完全可以代替普通的調(diào)質(zhì)處理，從而節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，符合節(jié)能減排大方向。

（5）試樣尺寸從φ50mm增至φ80mm，淬火表面硬度由245.5HBW降至243HBW，差值不到0.5HRC。心部硬度與表面硬度相差值也不足1HRC。

2.軋制木工麻花鉆水淬

將軋制與熱處理相結(jié)合的軋制木工麻花鉆很有競爭力，它省去幾道工序，有些企業(yè)運(yùn)用自如，取得很好的效益，但也有不少企業(yè)在失敗中掙扎。其關(guān)鍵是控制好水溫，均勻冷卻。

3.改善高速工具鋼鏟削性能新工藝——沸水淬火

高速工具鋼均以退火態(tài)供貨，其硬度多在207～255HBW，這么低的硬度在鏟削加工時(shí)，齒面難以達(dá)到Ra≤3.2μm的表面粗糙度值。為了提高鏟削性能，國內(nèi)一般工具廠均采用不完全淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)工藝，將硬度控制在36～42HRC。實(shí)施這一工藝生產(chǎn)中常發(fā)生一些問題：一是硬度不均勻，粘在工件上的殘鹽影響冷卻速度而產(chǎn)生軟點(diǎn)；二是很難將硬度控制在工藝范圍內(nèi)；三是清洗費(fèi)時(shí)，生產(chǎn)成本高。而沸水淬火只要選好加熱溫度、控制水爆時(shí)間就能達(dá)到滿意效果，而且水爆后無需回火，節(jié)能增效。

4.煤釬流動(dòng)水淬火

打蜂窩煤煤釬用45鋼制造，按常規(guī)鹽浴淬火，畸變大且時(shí)有開裂，而采用半快速加熱，淬入流動(dòng)的自來水，節(jié)能環(huán)保。

加熱溫度為875～880℃，φ14mm煤釬，每掛24件，加熱時(shí)間由原7.5min縮短至2.5min，效率提高2倍，節(jié)電，變形小，淬火工件80%以上不用校直，彎者趁熱很容易校直，300～320℃×1h硝鹽回火，硬度50～52HRC，使用情況良好，極少折斷，壽命較常規(guī)處理提高8～10倍。

5.高速工具鋼車刀、直柄麻花鉆沸水爆鹽

高速工具鋼車刀、直柄麻花鉆分級(jí)或等溫淬火后一般都要冷到室溫再進(jìn)行清洗和校直，國內(nèi)有些單位進(jìn)行沸水爆鹽嘗試，收到了很好的效果。具體操作為：淬火刀具經(jīng)500～620℃分級(jí)后立即浸入74℃以上的熱水中爆鹽1～2s，不必?fù)?dān)心爆裂，從圖3可以看出，沸水的冷卻速度比油還慢。經(jīng)水爆后刀具表面光潔，便于趁熱校直，一舉多得。

6.接柄刀具清水淬柄

接柄刀具柄部材料多為45鋼，采用920～950℃快速加熱，淬入流動(dòng)的自來水，效果很好，不過要嚴(yán)格控制水溫和出水溫度。

7.65Mn鋼卡瓦熱水爆鹽+油冷淬火

某工廠所用的大型卡瓦（又稱彈簧夾頭），材料為65Mn鋼，水淬變形大，油淬頭部又不易淬硬，為此試用熱水爆鹽+油冷淬火，取得了很好的效果。操作工藝如下：820～840℃鹽浴加熱，首先淬入80～85℃熱水中爆鹽，接著轉(zhuǎn)入35～50℃的L-AN32油中冷卻。

經(jīng)上述處理，卡瓦頭部硬度在61～62HRC，使用壽命提高數(shù)倍。

8.高錳鋼水韌處理

高錳鋼是一種常用的耐磨鋼，它不但具有高的耐磨性，而且還有很高的韌性，因而在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，尤其在冶金、礦山、建筑、鐵道及農(nóng)機(jī)等機(jī)械制造業(yè)中常用來作耐沖擊、耐磨損件。

高錳鋼鑄件中常出現(xiàn)較粗大的鑄態(tài)組織，這種組織會(huì)降低鋼的塑性，增加熱脆和冷裂的傾向，鑄件澆注的溫度越高，這種傾向越明顯。由于高錳鋼鑄件不能用常規(guī)的熱處理方法使晶粒細(xì)化，因此，必須采取水韌處理。

高錳鋼的水韌處理是通過水淬的方式來實(shí)現(xiàn)的，但水淬后不得回火，否則碳化物析出后會(huì)嚴(yán)重降低鋼的韌性，碳化物在高錳鋼中溶解的極限溫度約1000℃，加熱溫度過高會(huì)引起晶粒劇烈長大，因此常用的淬火溫度選用1050～1100℃。如緩慢冷卻時(shí)，低于820℃才開始析出碳化物，所以高錳鋼鑄件淬火前的表面溫度不應(yīng)低于950℃（從打開爐門到入水時(shí)間越快越好）。水冷至室溫出爐空冷。

9.軸承鋼雙細(xì)化處理——沸水淬火

雙細(xì)化處理工藝是一種使碳化物和晶粒均得到細(xì)化的預(yù)處理工藝，具體操作如下：工件約850℃停鍛后立即投入沸水中淬火（冷卻速度25～30℃/s），工件冷至500～400℃出水空冷，然后（730～740）℃×（3～4）h后出爐空冷，得到均勻分布的點(diǎn)狀珠光體+細(xì)粒狀珠光體，硬度207～229HBW，碳化物顆粒細(xì)小，粒度≤0.6μm。

10.鑲軋機(jī)械刀片淬自來水

刃鋼為中低合金工具鋼、基體為低碳鋼的鑲軋機(jī)械刀片，在箱式保護(hù)氣氛爐中加熱后，直接淬入流動(dòng)的自來水中（2013年3月筆者在日本參觀現(xiàn)場時(shí)親眼所見）。此技術(shù)的關(guān)鍵是控制水溫和刀片出水的溫度。由于刀體低碳鋼的塑性變形可以減小刃鋼馬氏體相變的應(yīng)力作用，所以刀片水淬也不會(huì)開裂，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益好。

11.感應(yīng)加熱、火焰加熱噴水淬火

碳素鋼軸類工件和齒輪等感應(yīng)淬火、火焰淬火冷卻多用循環(huán)的自來水噴冷，控制好電參數(shù)、水溫等均可收到很好的效果。此技術(shù)沿用已久，日臻完善。

12.鑄造碳鋼的調(diào)質(zhì)水淬

鑄造碳鋼件調(diào)質(zhì)水淬應(yīng)用較普通，例如，ZG270－500，850～830℃水淬，300～400℃回火，364～440HBW；ZG310－570℃，810～830℃水淬，440～460℃回火，硬度約為 269HBW。

13.農(nóng)機(jī)具及五金工具水淬

碳鋼及部分彈簧鋼制農(nóng)機(jī)具及五金工具常采用水淬火，此舉的難度在于設(shè)計(jì)好專用夾具、裝夾量及出水溫度，極少數(shù)單位在水中放入微量溶劑，以提高冷卻性能。

14.鋁合金水淬處理

經(jīng)過各種加工變形的熱處理強(qiáng)化鋁合金半成品，它們的強(qiáng)度都不太高，必須通過淬火時(shí)效工步，使強(qiáng)化相溶入固溶體，隨后快速水冷，使固溶體的過飽和狀態(tài)保留至室溫，以獲得所需的強(qiáng)化效果。鋁合金水淬應(yīng)根據(jù)工件的復(fù)雜程度控制好水溫，小件或形狀簡單件水溫＜40℃，形狀復(fù)雜件水溫40～50℃；大型復(fù)雜件淬火水溫可提高到50～80℃甚至更高一點(diǎn)溫度。

值得提醒注意的是，鋁合金淬火必須動(dòng)作迅速，不得拖泥帶水，有效厚度越小的工件，從出爐到入水時(shí)間越短越好。成批工件同時(shí)淬火，轉(zhuǎn)移時(shí)間不應(yīng)超過20s，一般工件不得超過15s，薄壁工件不應(yīng)超過10s，鑄件在水中的冷卻一般不少于5min。

15.銅合金固溶處理

為提高銅合金的強(qiáng)度和硬度，常采用固溶時(shí)效強(qiáng)化處理。銅合金固溶處理的目的是獲得均勻的過飽和固溶體，作為時(shí)效前預(yù)備組織，通過隨后的時(shí)效處理來取得強(qiáng)化效果。鈹青銅、硅青銅等銅合金固溶處理后可提高塑性，便于進(jìn)行冷變形加工，而像復(fù)雜的鋁青銅經(jīng)固溶激冷后可獲得馬氏體組織。

銅合金固溶處理溫度必須嚴(yán)格控制。溫度過高會(huì)致使合金晶粒粗大，嚴(yán)重氧化或過燒，材質(zhì)變脆；溫度過低，固溶不充分，又會(huì)影響隨后的時(shí)效強(qiáng)化，爐溫誤差應(yīng)精確控制在±5℃，對(duì)于某一固定成分的產(chǎn)品，控溫精度越高越好。冷卻的水溫控制更為嚴(yán)格，一般為±3℃。

16.真空水淬

有色金屬、耐熱合金、鈦合金及碳鋼需在水中激冷，真空加熱完畢后工件在幾秒鐘內(nèi)淬入循環(huán)水中。真空水淬，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)用得當(dāng)，效益可觀。

市場上已提供有WZSC、HZSC等型號(hào)的雙室水淬真空爐，用戶可根據(jù)情況選擇。

17.高速工具鋼盤條退火爆火

將正常退火處理后的盤條加熱至Ac1以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間后快速爆火冷卻至室溫，有研究報(bào)道，高速工具鋼正常的退火工藝后增加爆水工藝，可以明顯改善盤條的冷拉塑性，有利于拉拔的順利進(jìn)行。國內(nèi)某公司施行的工藝為：M2鋼盤條880℃×2h→爐冷至760℃×5h→爆水。試驗(yàn)表明：經(jīng)爆水處理的盤條，其抗拉強(qiáng)度、硬度和正常等溫球化退火相當(dāng)，但塑性指標(biāo)有了較大提高，其中斷面收縮率提高了37%。

18.鋼材快速軟化的方法——水退火

水淬火是碳鋼硬化常用的工藝方法，廣為人知，而水退火則不多見。水退火是不完全退火的一種特殊形式，在急于進(jìn)行作業(yè)或以軟化達(dá)到機(jī)械切削加工為目的時(shí)它是很好的快速軟化方法。

水退火是在水中急冷而軟化，關(guān)鍵是退火加熱溫度比相變點(diǎn)低約100℃，加熱10min以上，然后投入水中急冷1～2min，都能使硬度下降至30HRC以下（即使原來硬度≥60HRC）。水退火非常適用于單件小批量生產(chǎn)，加熱宜用鹽浴爐，采用流動(dòng)的自來水冷卻。

19.其他工件水淬處理

以鎂、鈦、鎳、鈷、鉬等為基的時(shí)效強(qiáng)化合金或奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼，以及部分馬氏體不銹鋼，為了改善其鑄態(tài)或鍛態(tài)的強(qiáng)化相不均勻分布，降低硬度提高塑性，提高耐蝕性以及導(dǎo)電性等，或?yàn)楹罄m(xù)的時(shí)效過程作組織準(zhǔn)備，均需加熱到一定的高溫，使強(qiáng)化相全部或大部分溶入固溶體，并調(diào)整晶粒尺寸，然后以較快的速度淬入清水。根據(jù)合金牌號(hào)及工件尺寸確定正確的淬水工藝參數(shù)。

綜上所述，各行各業(yè)離不開水，水在熱處理中的地位非常重要，我們要傳遞正能量，管好用好水冷卻介質(zhì)。

（20131101）