纯水淬火及其应用

安徽嘉龙锋钢刀具有限公司 （马鞍山 243131） 赵步青

中国兵器工业第五九研究所（重庆 400039） 胡庆华

水是最古老的淬火冷却介质，“清水淬其锋”流传至今。由于水源丰富、价格低廉、节能环保，所以在诸多淬火冷却介质中，水仍有很强的竞争力。在某些特殊领域，淬火冷却介质非水莫属。在很长一段时期，误认为水是淬裂元凶则有失公允。淬裂与否不是水之过，而是人之错，淬裂是冷却不均匀造成的。同样的45钢圆棒常规水淬易淬，而感应加热喷水就不会裂。以下简介笔者及同仁从事水淬及水冷的经验体会，有点局限性，仅供参考。

一、水的物理化学性能

水是自然界中物理化学性质最稳定的物质之一，其物理化学性能见表1。

表1 水的物理化学性能

二、水的冷却特性

试验用φ20mm银球作为探头，加热至800℃，分别淬入静止的水和循环（流动速度250mm/s）水中，测得的冷却特性曲线如图1所示。

图1 水的冷却速度曲线

（1）20℃静止水的特性温度约为380℃，从800～380℃为蒸汽膜阶段，平均冷却速度约为180℃/s，380～100℃为沸腾阶段，平均冷却速度为200℃/s，最大冷却速度约为780℃/s，最大冷却速度对应的温度约为280℃，在100℃时的冷却速度约70℃/s。

（2）与油相比，水的冷却速度较快，见图2（试样为φ20mm的银球，移动速度为25cm/s）。从图2可以看出，在600℃时，水的冷却速度约是油的6倍，而在200℃时，是油的28倍。

（3）水的特性温度低（≈380℃），冷却三个阶段的温度与钢材的过冷奥氏体等温转变图不相吻合。碳钢的过冷奥氏体的最不稳定区域大多在650～500℃，这时冷却水正处于蒸汽膜阶段，冷却速度不够快，致使截面较大的碳钢件表面硬度不足或淬硬层太浅。在马氏体转变区水的冷却速度极大，因而对形状较复杂的工件易淬裂、畸变。

图2 20℃水和50℃3号锭子油的冷却速度与试样中心温度的关系

（4）水温对冷却能力影响很大。水温升高，冷却能力急剧下降，特别是高温区，例如当水温从20℃升高到40℃时，在600℃时的银球冷速降低了1半，而在300℃以下时冷却速度下降得较少。不同温度水的冷却特性曲线如图3、图4所示。其中特性温度（Tvp）、最大冷却速度（vmax）随水温的变化如图5、图6所示。合理利用水温的变化能起到以水代油的效果，南京科润工业介质公司曾作74℃水、L-AN32油、硝盐水溶液（25%NaNO3+25%NaNO2+50%H2O）冷却性能对比，结果见表2。

图3 不同温度水的冷却曲线

图4 不同温度水的冷却速度曲线

图5 Tvp和Tmax随水的温度的变化曲线

图6 vmax随水的温度变化曲线

表2 74℃水、L-AN32油、硝盐水溶液冷却性能对比

80℃的自来水和L-AN32机械油的冷却曲线见图7。水在不同温度下冷却性能及冷却强度H值见表3。

图7 80℃水和L-AN32机械油冷却特性曲线

表3 不同温度水的冷却特性及冷却强度H值

在ISO 9950标准中没有自来水的冷却性能数据，因为该标准原用于油，在研究水基淬火冷却介质时，却使用该标准，因此研究确定自来水的冷却性能也十分必要。30℃的自来水冷却性能见表4，最大冷却速度在不同的文献中相差很大，在630～530℃之间，有些试验者得出应在550℃左右（530～570℃）。

表4 30℃自来水的冷却性能

（5）工件在水中运动或水作循环，可使蒸汽膜提前破裂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，并可改善冷却的不均匀性，例如20℃的循环水可使静止水的平均冷却速度由180℃/s提高到360℃/s，并使特性温度和最大冷却速度均有所提高。

由于冷却是一个复杂的过程，应该指出的是，水中含有气体或不溶或微溶的少量物质，都会引起冷却性能的降低。因为水中的气体和这些外来的质点都能作为形成蒸汽的核心，加速蒸汽膜的形成且会增加膜的稳定性，淬火时易形成软点软块。若水中含有盐、碱等有机或无机可溶性物质时，其冷却能力反而提高。还应该强调，各地区水质不同，其冷却性能也有差别。从以上分析不难看出，纯水作为热处理淬火冷却介质，其优缺点均很突出，因此我们要扬长避短，使其为人类造福，为热处理增效。

三、在热处理中的应用实例

1.45钢沸水淬火代替调质

45钢的淬透性较差，自来水淬火的临界直径为10～15mm，盐水冷却也不超过25mm。工件的尺寸超过临界直径，如调质肯定不尽如人意，尺寸越大，调质效果越差，故一般较大截面工件调质处理时，沿截面会得到不均匀的组织。为了改善钢的调质效果，一般采用提高加热温度或选用剧烈的淬火冷却介质，前者会引起氧化脱碳，且能耗增大；后者易引起淬火畸变与开裂。因此，对于大型45钢工件往往采用正火作为最终的热处理，但正火除冷却速度慢外，还要受到环境、气温、温度的影响，使硬度不易受控，质量实难保证。

国内有人用尺寸为φ50m m×150m m、φ70mm×210mm、φ80mm×210mm，wC为0.46%的45钢作沸水淬火试验，加热温度为840℃，淬入沸水中，沿其1/2长度横截面上过中心区域均匀分布的3条直线上测定硬度，结果令人满意。

（1）大截面45钢工件在沸水中淬火，沿整个截面的硬度和组织分布是均匀的，由于水温始终保持100℃，因而受淬火工件力学性能不受环境和季节的影响。

（2）45钢在74～100℃的水中冷却时，随着水温的降低，珠光体量增加且片间距变小，因而其强度增加，塑性及韧性基本保持不变。

（3）沸水淬火可以代替普通正火，如作为最终的热处理，淬火温度应下降15～20℃。

（4）根据工件尺寸等具体情况，适当调整水温，45钢大截面工件沸水淬火完全可以代替普通的调质处理，从而节约成本，缩短生产周期，符合节能减排大方向。

（5）试样尺寸从φ50mm增至φ80mm，淬火表面硬度由245.5HBW降至243HBW，差值不到0.5HRC。心部硬度与表面硬度相差值也不足1HRC。

2.轧制木工麻花钻水淬

将轧制与热处理相结合的轧制木工麻花钻很有竞争力，它省去几道工序，有些企业运用自如，取得很好的效益，但也有不少企业在失败中挣扎。其关键是控制好水温，均匀冷却。

3.改善高速工具钢铲削性能新工艺——沸水淬火

高速工具钢均以退火态供货，其硬度多在207～255HBW，这么低的硬度在铲削加工时，齿面难以达到Ra≤3.2μm的表面粗糙度值。为了提高铲削性能，国内一般工具厂均采用不完全淬火+高温回火的调质工艺，将硬度控制在36～42HRC。实施这一工艺生产中常发生一些问题：一是硬度不均匀，粘在工件上的残盐影响冷却速度而产生软点；二是很难将硬度控制在工艺范围内；三是清洗费时，生产成本高。而沸水淬火只要选好加热温度、控制水爆时间就能达到满意效果，而且水爆后无需回火，节能增效。

4.煤钎流动水淬火

打蜂窝煤煤钎用45钢制造，按常规盐浴淬火，畸变大且时有开裂，而采用半快速加热，淬入流动的自来水，节能环保。

加热温度为875～880℃，φ14mm煤钎，每挂24件，加热时间由原7.5min缩短至2.5min，效率提高2倍，节电，变形小，淬火工件80%以上不用校直，弯者趁热很容易校直，300～320℃×1h硝盐回火，硬度50～52HRC，使用情况良好，极少折断，寿命较常规处理提高8～10倍。

5.高速工具钢车刀、直柄麻花钻沸水爆盐

高速工具钢车刀、直柄麻花钻分级或等温淬火后一般都要冷到室温再进行清洗和校直，国内有些单位进行沸水爆盐尝试，收到了很好的效果。具体操作为：淬火刀具经500～620℃分级后立即浸入74℃以上的热水中爆盐1～2s，不必担心爆裂，从图3可以看出，沸水的冷却速度比油还慢。经水爆后刀具表面光洁，便于趁热校直，一举多得。

6.接柄刀具清水淬柄

接柄刀具柄部材料多为45钢，采用920～950℃快速加热，淬入流动的自来水，效果很好，不过要严格控制水温和出水温度。

7.65Mn钢卡瓦热水爆盐+油冷淬火

某工厂所用的大型卡瓦（又称弹簧夹头），材料为65Mn钢，水淬变形大，油淬头部又不易淬硬，为此试用热水爆盐+油冷淬火，取得了很好的效果。操作工艺如下：820～840℃盐浴加热，首先淬入80～85℃热水中爆盐，接着转入35～50℃的L-AN32油中冷却。

经上述处理，卡瓦头部硬度在61～62HRC，使用寿命提高数倍。

8.高锰钢水韧处理

高锰钢是一种常用的耐磨钢，它不但具有高的耐磨性，而且还有很高的韧性，因而在工业上得到广泛的应用，尤其在冶金、矿山、建筑、铁道及农机等机械制造业中常用来作耐冲击、耐磨损件。

高锰钢铸件中常出现较粗大的铸态组织，这种组织会降低钢的塑性，增加热脆和冷裂的倾向，铸件浇注的温度越高，这种倾向越明显。由于高锰钢铸件不能用常规的热处理方法使晶粒细化，因此，必须采取水韧处理。

高锰钢的水韧处理是通过水淬的方式来实现的，但水淬后不得回火，否则碳化物析出后会严重降低钢的韧性，碳化物在高锰钢中溶解的极限温度约1000℃，加热温度过高会引起晶粒剧烈长大，因此常用的淬火温度选用1050～1100℃。如缓慢冷却时，低于820℃才开始析出碳化物，所以高锰钢铸件淬火前的表面温度不应低于950℃（从打开炉门到入水时间越快越好）。水冷至室温出炉空冷。

9.轴承钢双细化处理——沸水淬火

双细化处理工艺是一种使碳化物和晶粒均得到细化的预处理工艺，具体操作如下：工件约850℃停锻后立即投入沸水中淬火（冷却速度25～30℃/s），工件冷至500～400℃出水空冷，然后（730～740）℃×（3～4）h后出炉空冷，得到均匀分布的点状珠光体+细粒状珠光体，硬度207～229HBW，碳化物颗粒细小，粒度≤0.6μm。

10.镶轧机械刀片淬自来水

刃钢为中低合金工具钢、基体为低碳钢的镶轧机械刀片，在箱式保护气氛炉中加热后，直接淬入流动的自来水中（2013年3月笔者在日本参观现场时亲眼所见）。此技术的关键是控制水温和刀片出水的温度。由于刀体低碳钢的塑性变形可以减小刃钢马氏体相变的应力作用，所以刀片水淬也不会开裂，节能环保，经济效益好。

11.感应加热、火焰加热喷水淬火

碳素钢轴类工件和齿轮等感应淬火、火焰淬火冷却多用循环的自来水喷冷，控制好电参数、水温等均可收到很好的效果。此技术沿用已久，日臻完善。

12.铸造碳钢的调质水淬

铸造碳钢件调质水淬应用较普通，例如，ZG270－500，850～830℃水淬，300～400℃回火，364～440HBW；ZG310－570℃，810～830℃水淬，440～460℃回火，硬度约为 269HBW。

13.农机具及五金工具水淬

碳钢及部分弹簧钢制农机具及五金工具常采用水淬火，此举的难度在于设计好专用夹具、装夹量及出水温度，极少数单位在水中放入微量溶剂，以提高冷却性能。

14.铝合金水淬处理

经过各种加工变形的热处理强化铝合金半成品，它们的强度都不太高，必须通过淬火时效工步，使强化相溶入固溶体，随后快速水冷，使固溶体的过饱和状态保留至室温，以获得所需的强化效果。铝合金水淬应根据工件的复杂程度控制好水温，小件或形状简单件水温＜40℃，形状复杂件水温40～50℃；大型复杂件淬火水温可提高到50～80℃甚至更高一点温度。

值得提醒注意的是，铝合金淬火必须动作迅速，不得拖泥带水，有效厚度越小的工件，从出炉到入水时间越短越好。成批工件同时淬火，转移时间不应超过20s，一般工件不得超过15s，薄壁工件不应超过10s，铸件在水中的冷却一般不少于5min。

15.铜合金固溶处理

为提高铜合金的强度和硬度，常采用固溶时效强化处理。铜合金固溶处理的目的是获得均匀的过饱和固溶体，作为时效前预备组织，通过随后的时效处理来取得强化效果。铍青铜、硅青铜等铜合金固溶处理后可提高塑性，便于进行冷变形加工，而像复杂的铝青铜经固溶激冷后可获得马氏体组织。

铜合金固溶处理温度必须严格控制。温度过高会致使合金晶粒粗大，严重氧化或过烧，材质变脆；温度过低，固溶不充分，又会影响随后的时效强化，炉温误差应精确控制在±5℃，对于某一固定成分的产品，控温精度越高越好。冷却的水温控制更为严格，一般为±3℃。

16.真空水淬

有色金属、耐热合金、钛合金及碳钢需在水中激冷，真空加热完毕后工件在几秒钟内淬入循环水中。真空水淬，节能环保，运用得当，效益可观。

市场上已提供有WZSC、HZSC等型号的双室水淬真空炉，用户可根据情况选择。

17.高速工具钢盘条退火爆火

将正常退火处理后的盘条加热至Ac1以下的某一温度，保温一段时间后快速爆火冷却至室温，有研究报道，高速工具钢正常的退火工艺后增加爆水工艺，可以明显改善盘条的冷拉塑性，有利于拉拔的顺利进行。国内某公司施行的工艺为：M2钢盘条880℃×2h→炉冷至760℃×5h→爆水。试验表明：经爆水处理的盘条，其抗拉强度、硬度和正常等温球化退火相当，但塑性指标有了较大提高，其中断面收缩率提高了37%。

18.钢材快速软化的方法——水退火

水淬火是碳钢硬化常用的工艺方法，广为人知，而水退火则不多见。水退火是不完全退火的一种特殊形式，在急于进行作业或以软化达到机械切削加工为目的时它是很好的快速软化方法。

水退火是在水中急冷而软化，关键是退火加热温度比相变点低约100℃，加热10min以上，然后投入水中急冷1～2min，都能使硬度下降至30HRC以下（即使原来硬度≥60HRC）。水退火非常适用于单件小批量生产，加热宜用盐浴炉，采用流动的自来水冷却。

19.其他工件水淬处理

以镁、钛、镍、钴、钼等为基的时效强化合金或奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢，以及部分马氏体不锈钢，为了改善其铸态或锻态的强化相不均匀分布，降低硬度提高塑性，提高耐蚀性以及导电性等，或为后续的时效过程作组织准备，均需加热到一定的高温，使强化相全部或大部分溶入固溶体，并调整晶粒尺寸，然后以较快的速度淬入清水。根据合金牌号及工件尺寸确定正确的淬水工艺参数。

综上所述，各行各业离不开水，水在热处理中的地位非常重要，我们要传递正能量，管好用好水冷却介质。

（20131101）