淬火工艺与介质系统参考：淬火理论与三阶段、Grossmann H 值、油/气/聚合物/水盐水/盐浴介质的选型与维护、深冷处理与淬火缺陷诊断。核心目标——在 800-500°C 区间快冷避开珠光体/贝氏体鼻部，在 Ms-Mf 区间缓冷降低应力。
1. 淬火理论与三阶段
淬火是将钢件从奥氏体化温度快速冷却，使面心立方奥氏体转变为体心正方马氏体的无扩散剪切型相变——冷速是关键。
关键温度
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 奥氏体化温度（碳钢） | 800-870°C |
| 奥氏体化温度（工具钢） | 1000-1220°C |
| Ms 马氏体开始（典型） | 200-350°C |
| Mf 马氏体结束（典型） | 50-150°C |
| 珠光体鼻部（CCT） | 500-600°C |
| 贝氏体鼻部（CCT） | 300-400°C |
临界冷速（获得完全马氏体）
| 钢种 | 临界冷速 |
|---|---|
| 普碳钢 1045 | >200°C/s |
| 低合金 4140 | 约 30°C/s |
| 中合金 4340 | 约 8°C/s |
| 工具钢 H13 | 约 3°C/s |
| 高速钢 M2 | <1°C/s |
液体淬火三阶段
A 阶段：蒸汽膜
表面温度高于 Leidenfrost 点（油约 600-800°C）。稳定蒸汽膜包裹工件形成隔热层，冷速最低。蒸汽膜必须快速破裂——持续过久会产生软点。
持续时间：油中 2-10 秒（随搅拌变化）。
持续时间：油中 2-10 秒（随搅拌变化）。
B 阶段：核沸腾
约 600°C 降至 250°C（油）。蒸汽膜破裂，液体直接接触表面，剧烈沸腾换热——获得马氏体的最关键阶段。搅拌油典型冷速 50-200°C/s。
覆盖 CCT 图上珠光体与贝氏体鼻部区间。
覆盖 CCT 图上珠光体与贝氏体鼻部区间。
C 阶段：对流
低于介质沸点（油约 250°C）。无沸腾，仅对流换热，冷速显著下降——这正是所需：Ms-Mf 区间慢冷降低热应力与畸变，而此时转变已在进行。
此阶段搅拌仍重要，保证均匀冷却。
此阶段搅拌仍重要，保证均匀冷却。
畸变-硬度权衡：快淬硬度最高但畸变开裂风险大；慢淬畸变小但可能转变不完全（软点、混合组织）。理想介质在 800-500°C 快冷（避开珠光体）、Ms-Mf 慢冷（降低应力）——这正是油与聚合物介质的特性。
CCT 与淬透性
- 合金元素（Cr、Mo、Ni、Mn）使珠光体/贝氏体鼻部右移（时间更长），降低临界冷速
- 碳含量影响 Ms 温度：碳越高 Ms 越低
- 晶粒越粗淬透性越好（但韧性更差）
- TTT（等温）图用于等温保持；淬火请用 CCT 图
经验 Ms 公式（Andrews 1965，元素为重量 %）：
Ms(°C) = 539 − 423C − 30.4Mn − 17.7Ni − 12.1Cr − 7.5Mo − 7.5Si
EN19(4140) 示例：C=0.40、Mn=0.80、Cr=1.0、Mo=0.20 → Ms = 539 − 169 − 24 − 12.1 − 1.5 = 332°C
Ms(°C) = 539 − 423C − 30.4Mn − 17.7Ni − 12.1Cr − 7.5Mo − 7.5Si
EN19(4140) 示例：C=0.40、Mn=0.80、Cr=1.0、Mo=0.20 → Ms = 539 − 169 − 24 − 12.1 − 1.5 = 332°C
2. 淬火烈度（Grossmann H 值）
H 值量化介质相对理想淬火（H=∞）的换热能力，H 越大越剧烈。用于由 Jominy 数据预测硬度分布。
| 介质与状态 | H 值（in⁻¹） | 相对烈度 |
|---|---|---|
| 静止空气 | 0.02 | 极弱 |
| 流动空气（风冷） | 0.05 | 弱 |
| 氮气 2 bar（循环） | 0.04-0.06 | 弱 |
| 氮气 6 bar | 0.08-0.12 | 弱 |
| 氮气 10 bar | 0.15-0.20 | 中等 |
| 氮气 20 bar | 0.25-0.35 | 中等 |
| 氦气 6 bar | 0.20-0.30 | 中等 |
| 氦气 20 bar | 0.50-0.70 | 显著 |
| 静止油（40-80°C） | 0.25-0.35 | 中等 |
| 搅拌油（40-80°C） | 0.35-0.70 | 显著 |
| 静止水（20-30°C） | 1.0 | 高 |
| 搅拌水 | 1.5-4.0 | 很高 |
| 盐水 5-10% NaCl（搅拌） | 2.0-5.0 | 极强 |
Jominy 等效：给定 H 值与棒材直径对应的 Jominy 距离可由 Lamont 图查得。例：Φ50mm 棒在搅拌油（H=0.50）中，心部等效 Jominy 距离约 11mm、表面约 5mm——据此从公开 Jominy 曲线预测硬度。
3. 介质选型矩阵
| 钢种类别 | 典型牌号 | 首选介质 | 备选 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 低合金结构钢 | 4140, 4340, EN19, EN24 | 油（普通/快速） | PAG 10-15% | 厚截面首选油；薄壁畸变敏感件用聚合物 |
| 碳钢（<0.60%C） | 1045, EN8, EN3 | 水或盐水 | PAG 5-10% | 淬透性低需强烈淬火；复杂形状有开裂风险 |
| 碳钢（>0.60%C） | 1080, 1095, EN42, EN44 | 油（快速/普通） | PAG 15-20% | 水淬过烈有开裂风险；油淬+回火为标准工艺 |
| 热作模具钢 | H11, H13, H21 | 空冷或气淬（N₂ ≥6 bar） | 油（分级） | 空淬钢种；真空炉气淬为标准 |
| 冷作模具钢 | D2, D3, A2, O1 | 空冷（A 系）/ 油（O/D 系） | 气淬 N₂ 6-10 bar | D2 空淬；O1 油淬；D3 油淬或盐浴 |
| 高速钢 | M2, M42, T1, T15 | 气淬（N₂ 或 He ≥6 bar） | 盐浴、油（分级） | 真空+气淬为标准；盐浴等温淬火为传统工艺 |
| 马氏体不锈钢 | 410, 420, 440C | 油或空冷 | 气淬 N₂ 6 bar | 淬透性中等；薄壁空冷 |
| 沉淀硬化不锈钢 | 17-4PH, 15-5PH, 13-8PH | 气淬（N₂ 2-6 bar）或空冷 | — | 固溶+时效；临界冷速低；避油（污染风险） |
| 镍基高温合金 | Inconel 718, Waspaloy, Mar-M247 | 气淬（Ar 或 N₂ 2-6 bar） | — | 仅真空+气淬；活性成分用 Ar |
| 铝合金（时效强化） | 2024, 6061, 7075 | 水（60-80°C） | PAG 5-10% | 固溶后立即淬火；薄板用 PAG 降畸变 |
4. 油淬
4.1 淬火油分类
| 等级 | 800-400°C 冷速 | 最大冷速 | 油温 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|
| 普通（慢速） | 12-14 s | 60-80°C/s | 40-80°C | 一般淬火、渗碳齿轮、低合金钢 |
| 中速/快速 | 8-10 s | 90-120°C/s | 40-70°C | 碳钢、大截面、淬透性要求高 |
| 高速 | 6-8 s | 120-160°C/s | 40-60°C | 普碳钢、代水淬火 |
| 等温淬火油 | 等温保持 | 可变 | 80-200°C | Ms 以上保持后空冷，降低畸变；工具钢、精密件 |
4.2 商品油规格
| 产品 | 厂商 | 类型 | 闪点 °C | 燃点 °C | 40°C 粘度 cSt | 最大冷速 °C/s | 油温 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Houghton G | Quaker Houghton | 普通 | 185 | 210 | 20-24 | 70-85 | 40-80 |
| Houghton K | Quaker Houghton | 快速 | 170 | 195 | 14-18 | 100-130 | 40-70 |
| Houghton MT-300 | Quaker Houghton | 等温 | 250 | 280 | 28-34 | 可变 | 120-200 |
| Park AAA | Park Thermal | 普通 | 190 | 215 | 21-25 | 75-90 | 40-80 |
| Park 50（热油） | Park Thermal | 快速（热） | 200 | 225 | 16-20 | 90-110 | 60-120 |
| Park M-50 | Park Thermal | 等温 | 260 | 290 | 30-36 | 可变 | 120-200 |
4.3 油槽设计与搅拌
| 项目 | 要求 |
|---|---|
| 油-工件比 | 最低 5:1（L 油 : kg 工件），推荐 8-10:1 |
| 每件温升 | <20°C |
| 正常工作温度 | 40-80°C（普通油最高 80°C） |
| 搅拌 | 螺旋桨（最常见，0.5-1.5 m/s 过件流速）/ 引射器（无运动部件）/ 导流筒 |
| 换热器 | 壳管式（50-500 kW，最常见）/ 板式（紧凑，需预过滤）/ 外置冷却器 |
| 消防 | CO₂ 全淹没（1-2 kg/m³ 油量，最常见）；自动罐盖（配重安全关闭）；泡沫系统（大开口罐）；溢流堰 |
关键设计规则：油位严禁超过罐容 80%（热膨胀 + 浸没排量），设高液位报警；按英国法规围堰容积为油量 110%；飞溅区内电气设备最低 IP65；搅拌必须在入淬前和淬火过程中全程运行——入淬后才开搅拌会造成热冲击与不均匀冷却。
4.4 淬火油维护
| 检测项目 | 方法 | 频次 | 警戒限 | 报废限 |
|---|---|---|---|---|
| 冷却曲线 | ISO 9950（Inconel 600 探头） | 每月 | 最大冷速 < 新油 80% | < 新油 60% |
| 闪点 | Cleveland 开口杯（ASTM D92） | 每月 | <170°C（普通油） | <150°C 报废 |
| 粘度 | 40°C 运动粘度（ASTM D445） | 每季 | 较新油升高 >30% | >50%（氧化损伤） |
| 水分 | 卡尔费休（ASTM D6304） | 每月 | >0.03%（300 ppm） | >0.05%（500 ppm，燃爆风险） |
| 总酸值 | ASTM D664 | 每季 | >0.5 mg KOH/g | >1.0 mg KOH/g |
| 颗粒物 | 重量法 / 计数 | 每季 | >50 mg/L | >100 mg/L 过滤或更换 |
过滤：连续旁通过滤（10-25 μm）；磁性分离器除铁屑；袋式过滤器（5-10 μm）；离心分离器除重质油泥。劣化主因：热裂化（工件表面 >300°C）、氧化（高温进空气）、水污染（换热器漏/冷凝/湿工件）、油泥（裂化残炭 + 氧化皮）。
4.5 油淬安全
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 闪点 | 170-260°C |
| 燃点 | 195-290°C |
| 自燃点 | 340-380°C |
| 油雾自燃点 | 约 260°C |
| 最大整体工作温度 | 80°C（普通）/ 200°C（等温） |
油雾比本体油更危险：细分散油雾自燃温度（约 260°C）远低于本体油（约 350°C），必须设置油雾排放。英国法规：油雾 OEL 5 mg/m³（8h TWA）/ 10 mg/m³（15min STEL）；DSEAR 典型 Zone 2；围堰 110% 最大罐容；火焰检测（UV/IR + 周边线性感温）；急停必须切断搅拌与输送电源。
油罐火灾处置：① 报警撤离 → ② 关闭罐盖 → ③ 启动 CO₂ 淹没 → ④ 严禁用水灭油火 → ⑤ 切断油泵与搅拌电源 → ⑥ 通知消防队（说明淬火油火）→ ⑦ 确认熄灭冷却前不得重开罐。
5. 高压气淬（HPGQ）
HPGQ 是真空炉标准淬火方式：高压气体注入热区、大功率风机循环经换热器冷却。无液体接触即无蒸汽膜阶段，纯对流冷却。
气体特性
| 气体 | 导热系数 mW/m·K | STP 密度 kg/m³ | 相对冷却能力 | 成本系数 |
|---|---|---|---|---|
| 氮气 N₂ | 26 | 1.25 | 1.0（基准） | 1.0× |
| 氦气 He | 152 | 0.18 | 3.0-4.0× | 8-12× |
| 氩气 Ar | 18 | 1.78 | 0.6-0.7× | 1.5× |
| 氢气 H₂ | 182 | 0.09 | 4.0-5.0× | 2-3× |
N₂ 是主力（80% 以上 HPGQ 装置）；He 因导热系数高 6 倍而冷却能力 3-4 倍，但成本限制其用于关键航空与工具钢；H₂ 冷却能力最高但需 ATEX 级设备；Ar 仅用于 N₂ 会造成氮化的场合（Ti、Zr 合金）。
气体-压力-冷速对应
| 气体 | 压力 bar | 近似冷速 °C/s | H 值 in⁻¹ |
|---|---|---|---|
| N₂ | 2 | 5-10 | 0.04-0.06 |
| N₂ | 6 | 15-25 | 0.08-0.12 |
| N₂ | 10 | 25-40 | 0.15-0.20 |
| N₂ | 20 | 40-60 | 0.25-0.35 |
| He | 6 | 40-60 | 0.20-0.30 |
| He | 20 | 80-120 | 0.50-0.70 |
| H₂ | 6 | 50-80 | 0.25-0.40 |
| H₂ | 15 | 100-150 | 0.50-0.80 |
系统设计要点
- 风机：电机 75-300 kW（大炉可达 600 kW）；离心或轴流；顶装或底装；变频调速控制冷速；过件气流 10-30 m/s
- 换热器：水冷铜/不锈钢翅片管束，容量 200-2000 kW；水流量 5-50 m³/h（进水 15-25°C）；置于气体循环回路、热区之外；结垢降低容量，每年检查
- 喷嘴：全方位 360°（圆/筒形载荷标准）；定向喷嘴（平板件）；往复流（每 30-60 秒换向提高均匀性）；喷嘴-载荷距离 50-150mm 最佳；件间最小间距 25mm
6. 聚合物淬火（PAG）
PAG 聚合物利用逆溶性：冷水中溶解、在热工件表面析出成膜形成受控冷却屏障；件温降至雾点（约 74°C）以下聚合物重新溶解回收。冷却烈度由浓度控制。
| 浓度 | 烈度 | 等效于 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 5-10% | 高 | 快油至慢水 | 铝合金（2024/6061/7075）固溶淬火 |
| 10-15% | 中 | 普通至快油 | 碳钢与低合金钢一般淬火 |
| 15-20% | 较低 | 慢油至普通油 | 畸变敏感钢件、渗碳件 |
| 20-25% | 低 | 气-油间隙 | 极畸变敏感件、薄壁、弹簧 |
运行参数
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 液温 | 25-40°C（最佳 30°C） |
| 雾点 | 约 74°C（低于此温度聚合物重新溶解） |
| pH | 8.5-9.5（用杀菌剂维持） |
| 搅拌 | 必需——推荐 0.3-0.8 m/s |
| 带出损失 | 每件 1-3%（漂洗回收） |
| 折光仪读数 | 乘系数（典型 3.5-4.0）得真实浓度 |
商品：AquaQuench 251（一般钢淬火）/ AquaQuench 365（铝固溶）/ Aquatensid N（高性能 PAG）。维护：每周折光仪测浓度；pH 保持 8.5-9.5（过低=细菌滋生）；每月 ISO 9950 冷却曲线；用浓缩液补足带出；禁止混用不同品牌 PAG（聚合物不相容会析出）；每年更换或冷却曲线偏离新液 20% 时更换。
7. 水与盐水淬火
水与盐水提供最高淬火烈度（H 可达 5.0），但畸变开裂风险显著，主要用于油淬无法达到硬度的低淬透性普碳钢。
| 介质 | 温度 °C | H 值 | 最大冷速 °C/s |
|---|---|---|---|
| 静止水 | 20 | 1.0 | 200-300 |
| 搅拌水 | 20 | 1.5-4.0 | 300-600 |
| 热水 | 60-80 | 0.20-0.40 | 80-150 |
| 5% NaCl 盐水 | 20 | 2.0-3.0 | 400-700 |
| 10% NaCl 盐水 | 20 | 3.0-5.0 | 500-900 |
| 10% NaOH 碱液 | 20 | 2.0-3.0 | 400-700 |
温度控制：水温显著影响烈度（20°C 猛烈、60°C 温和得多）；生产需维持 20-30°C，配冷却塔或板换；每件温升 ≤5°C。添加剂：NaCl 5-10%（最常用，腐蚀罐体与工件）；NaOH 3-10%（蒸汽膜控制更好，pH>12）；Na₂CO₃ 5-10%（弱碱，腐蚀较轻）。
开裂风险：水淬产生最高热应力与相变应力。严禁对 >0.60%C 钢或带尖角、键槽、孔、大截面变化的零件水淬——除非经过仔细评估。复杂形状请改用聚合物或油。
适用性
- 适用：普碳钢（1040-1060）、低淬透性牌号、感应淬火
- 边缘：>0.50%C 中碳钢（开裂风险）
- 避免：合金钢（油淬足够）、复杂几何、薄壁、高碳钢
8. 盐浴淬火
盐浴在受控温度等温保持，实现等温淬火（贝氏体）与分级淬火（低畸变马氏体）。工件浸入目标温度熔盐并保持至转变完成或温度均匀。
| 工艺 | 盐温 °C | 产物 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 等温淬火 Austempering | 250-400 | 贝氏体（上/下） | 弹簧、卡箍、紧固件、球铁、高碳钢 |
| 分级淬火 Martempering | 150-250（Ms 以上） | 马氏体（低应力） | 齿轮、轴承、精密工具、畸变敏感件 |
| 改良等温淬火 | 300-350 | 贝氏体+马氏体混合 | 耐磨件韧性与硬度折中 |
盐种
| 盐牌号 | 成分 | 熔点 °C | 工作范围 °C |
|---|---|---|---|
| AS140 | 50% NaNO₃ / 50% KNO₃ | 140 | 160-550 |
| GS540 | NaNO₃ / KNO₃ / NaNO₂ | 140 | 160-540 |
| Marquench 200 | 改性硝酸盐 | 约 130 | 150-250 |
| Park M-Salt | 专利硝酸盐/亚硝酸盐 | 约 135 | 150-500 |
等温淬火 vs 常规调质
| 指标 | 对比 |
|---|---|
| 硬度 | 贝氏体 35-55 HRC；调质马氏体 58-65 HRC |
| 韧性 | 同硬度下贝氏体韧性为回火马氏体的 2-3 倍 |
| 畸变 | 等温均温，显著小于油淬 |
| 残余奥氏体 | 等温淬火更低（贝氏体反应消耗） |
| 疲劳强度 | 弹簧与紧固件等于或优于调质 |
盐浴维护：温度均匀性 ±5°C（必须搅拌）；监控碳、氧化皮、氯化物污染；水分必须为零（水入熔盐会剧烈爆溅）；工件出浴后必须立即清洗（盐吸湿腐蚀）；浴寿 6-12 个月。环保：硝酸/亚硝酸盐属氧化剂（UN 1498/1500），须由持证危废商处置；清洗水同样为危废（高硝酸盐）。许多应用已被 HPGQ 替代。
9. 深冷处理
许多工具钢与高碳钢的 Mf 远低于 0°C，室温淬火会残留大量奥氏体。深冷处理通过冷却至 Mf 以下完成转变。
| 方法 | 温度 | 介质 | 保持时间 |
|---|---|---|---|
| 冷处理 | −40 ~ −80°C | 干冰+酒精或机械制冷 | 1-2 小时 |
| 浅冷 | −80 ~ −120°C | 机械深冷机或液氮控温 | 2-4 小时 |
| 深冷（DCT） | −185 ~ −196°C | 液氮浸没或控温腔 | 12-36 小时 |
各钢种残余奥氏体（淬火态）
| 钢种 | 残余奥氏体 |
|---|---|
| D2 | 15-25% |
| M2 | 20-30% |
| 440C | 10-20% |
| 52100 / EN31 | 5-12% |
| 渗碳件（0.8%C 表面） | 15-30% |
工艺顺序
- 奥氏体化并淬火至室温（油、气或空）
- 淬火后 30 分钟内冷却至深冷温度（不得先回火）
- 以 1-2°C/min 降温避免热冲击
- 目标温度保持规定时间
- 以 1-2°C/min 回升至室温
- 立即回火（工具钢 2 次以上）
主要应用：工具钢（D2/M2/M42）提高硬度与耐磨 200-400%；轴承钢（52100）尺寸稳定化；渗碳齿轮（表面残余奥氏体降至 <5%）；量块与精密工具；440C/手术器械提高耐蚀性。深冷处理（−196°C、12-36h）还可析出超细 η-Fe₂C 碳化物，耐磨性提升超出单纯奥氏体转变的效果（同行评议支持 40-300% 寿命提升，视钢种与应用）。
10. 淬火缺陷诊断
软点
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 症状 | 局部低硬度（低于规范 3-10 HRC），常见于平面、凹槽、流动屏蔽区；硝酸酒精浸蚀后呈浅色斑（珠光体/贝氏体而非马氏体） |
| 蒸汽膜过长 | 提高搅拌转速；检查螺旋桨转向与叶片状态 |
| 搅拌不足 | 由静止改搅拌；全表面最小 0.5 m/s |
| 件间接触 | 改进工装、加大篮中间距 |
| 油温过高 | 检查换热器；油 >80°C 蒸汽膜显著延长 |
| 油品劣化 | 测冷却曲线；最大冷速 < 新油 60% 即更换 |
| 表面污染 | 氧化皮或积碳隔热；改善气氛或预清洗 |
淬火开裂
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 症状 | 表面可见裂纹（有时仅磁粉/渗透可见）；典型在尖角、键槽、孔、截面变化处；金相沿晶断裂；发生在淬火中或淬火后短时（非回火阶段） |
| 介质过烈 | 水→油或油→聚合物；PAG 降低浓度 |
| 尖角几何 | 加大圆角（最小 1.5mm）；重新设计键槽 |
| 冷却不均 | 改善搅拌均匀性；HPGQ 优化喷嘴布置；零件取向平衡流场 |
| 奥氏体化温度过高 | 校核炉温；过热粗晶=脆性 |
| 回火延迟 | 达室温后 30 分钟内回火（尤其工具钢） |
| 碳含量 >0.60% | 用更温和介质；考虑分级或等温淬火 |
| 表面脱碳 | 脱碳层先转变形成表面拉应力；用保护气氛 |
畸变
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 尺寸变化 | 奥氏体→马氏体体积增大 1-4%（均匀） |
| 形状变化 | 转变不均或温度梯度导致翘曲 |
| 残余应力 | 加工时锁存应力释放（回弹） |
| 冷却不均 | 改善搅拌、喷嘴布置（HPGQ）或零件取向 |