先进的淬火介质及冷却技术
淬火介质冷却过程中的数值计算
淬火介质冷却过程中的数值计算淬火技术是一种常用的金属热处理工艺，旨在改变金属的组织结构以提高其机械性能。
淬火介质冷却(MICC)过程包含在介质内部金属的冷却过程，这是淬火介质最重要的环节。
这个过程是决定淬火介质最终成品质量的重要因素，因此其介质冷却特性的计算变得尤为重要。
在MICC过程中，介质内的金属集体会受到外界的热流，但介质会缓慢的释放热量，使金属逐渐冷却，从而影响金属的组织结构和性能。
有多种不同的淬火介质，他们具有不同的物理特性，例如热传导率、热容量、比热等，都会影响MICC过程的特性，因此需要进行介质冷却特性的计算。
为了研究淬火介质冷却过程，需要采用数值计算的方法来模拟介质冷却过程。
数值计算方法在模拟复杂物理场中的微观过程中具有重要的作用，可以有效的提取热传导方程的精确解，从而更准确的模拟介质冷却过程。
由于MICC过程具有复杂的物理特性，数值计算方法显得尤为重要，以便更准确的计算介质冷却特性，从而优化淬火介质的成品质量。
具体而言，介质冷却特性的计算采用逐步迭代的方法，使用有限元的方法研究介质内金属的变形和热量转移的全过程。
先使用有限元方法，建立出包含介质-金属复合体系的有限元模型，之后再通过数值的方法计算得出介质冷却特性的参数，例如热传导率、热容量等。
在这个过程中，要考虑多种参数，例如介质原始温度、冷却温度时间变化等。
为了得到更准确的计算结果，需要采用高精度的方法，例如改进的全正则化技术，改善存在的参数精度，从而使计算更准确。
通过数值计算MICC过程可以得到准确的介质冷却特性参数，给出合理的介质淬火参数，提高产品质量。
多种数值的技术方法，可以更准确的模拟介质冷却的过程，使金属在热处理过程中得到合理的冷却，达到理想的淬火介质质量要求。
因此，数值计算技术在淬火介质冷却过程中显得尤为重要，可以为金属热处理提供准确的参考依据，提高淬火介质的质量。
通过数值计算得出介质冷却特性参数，更准确地模拟MICC过程，从而使淬火介质的成品质量和性能得到提高。
淬火冷却介质及其应用技术漫谈
淬火冷却介质及其应用技术漫谈1 前言十几年来，本文作者一直工作在淬火介质及其应用技术领域。
下面介绍的是作者多年工作的一些体会、经验和部分工作成果。
首先谈谈冷却介质在淬火冷却技术领域中的地位和作用。
接着，介绍淬火介质主要品种的特点、用途和根据情况和需要选择淬火介质的原则方法，以及介质的使用维护知识和经验。
最后介绍分析和解决淬火变形问题的三要素和硬度差异法。
2 冷却介质是冷却技术的龙头和中心冷却是热处理生产的重要组成部分。
热处理的冷却包括要求缓慢冷却的退火，以空冷为主的正火，以及通过快冷来获得马氏体组织的淬火等。
其中，淬火冷却要求高、技术难度大，一直是热处理生产关注的重点。
当前，绝大多数工件的淬火都是在水性淬火介质或油中进行的，因此本文重点讨论通用型的水性和油性介质。
众所周知，如果钢件淬火冷却速度过慢，就不能获得要求的淬火硬度和淬硬层深度；而冷却速度过快，又可能引起淬裂和过深的淬硬层。
同时，淬火冷却速度过快或冷却速度不足，都可能引起工件的超差变形。
不仅如此，冷却过程中，工件的形状越复杂，不同部位温度差就越大，要得到不淬裂和没有超差变形就越难。
淬火冷却技术的第一步是选择适合的淬火介质。
一般说，合适的标准首先是在单件淬火条件下能满足热处理要求。
仅仅作单件淬火时，淬火冷却的不均匀性主要表现在同一个工件上。
通常采取选择合适的淬火介质，加上适当的淬火操作方式，特别是手工操作方式，来解决单件淬火的均匀性问题。
现1代的热处理生产则以大量、连续，以及长期不断生产为特点。
相应地，淬火冷却的不均匀性也就增加到四个方面。
第一，同一工件不同部位在淬火冷却上的差异，这是单件淬火就存在的问题。
第二，同批淬火的工件，因放置的部位不同，冷却环境不尽相同所引起的不均匀性。
第三，不同批次淬火的工件，因淬火介质的温度和相对流速变化等原因引起的不均匀性。
第四，长期生产中，因介质受污染，加上淬火介质本身的变化，所引起的不同时期的淬火效果上的差异。
淬火冷却介质的特性曲线及应用
冷却特性曲线的说明淬火介质的冷却过程分三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段（见下图所示）。
用符合ISO9950标准的ivf冷却特性测试仪测出的冷却特性曲线（如下图）有几个特征值对淬火油的淬硬能力有重要影响。
第一个是油蒸汽膜冷却阶段向沸腾冷却阶段转变的温度，即图中A点对应的温度，叫做（上）特征温度;第二个是出现最高冷却速度的温度，即图中B点对应的温度;第三个是最高冷却速度值，即B点对应的冷却速度值;第四个是对流开始温度，即C点对应的温度。
如何从冷却特性选用淬火介质热处理淬火介质，用的首先是它的冷却性能。
因此，在确定介质的类别后，我们主张按介质的冷却特性来选择介质的品种。
比如，当我们确定应当选用快速淬火油后，具体的品种就应当根据工件特点和热处理要求从油的冷却速度分布上去选。
不管选用何种淬火介质，大致都可以按以下五条原则进行选择。
一看钢的含碳量多少── 含碳量低的钢有可能在冷却的高温阶段析出先共析铁素体，其过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度（即所谓"鼻尖"位置的温度）较高，马氏体起点（Ms）也较高。
因此，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸汽膜阶段，且其出现最高冷却速度的温度应当较高。
相反，对含碳量较高的钢，淬火介质的蒸汽膜阶段可以更长些，出现最高冷却速度的温度也应当低些。
二看钢的淬透性高低——淬透性差的钢要求用冷却速度快的淬火介质，淬透性好的钢则可以用冷却速度慢一些的介质。
通常，随着钢的淬透性提高，过冷奥氏体分解转变的“C”曲线会向右下方移动。
所以，对淬透性差的钢，选用的淬火介质出现最高冷却速度的温度应当高些；而淬透性好的钢则低些。
有些淬透性好的钢过冷奥氏体容易发生贝氏体转变，要避开其贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。
三看工件的有效厚度大小——如果工件的表面一冷到Ms点，就立即大大减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火介质散失的速度也就立即放慢，这必然使工件表面一定深度以内的过冷奥氏体冷不到Ms点就发生非马氏体转变，其结果，淬火后工件只有很薄的马氏体层。
新型热处理技术的发展与应用
新型热处理技术的发展与应用热处理技术作为一种重要的材料处理方法，在制造业中发挥着至关重要的作用。
随着科技的不断进步和发展，新型热处理技术得到了广泛的关注和应用，为工业生产带来了巨大的便利和效益。
本文将对新型热处理技术的发展和应用进行探讨。
一、激光淬火技术激光淬火技术是近年来发展较快的一种新型热处理技术，它利用高能密度的激光束瞬间对物体表面进行加热并迅速冷却，使材料表面呈现出高硬度和耐磨性。
激光淬火技术具有处理速度快、变形小、适用性广等优点，在汽车制造、航空航天等领域得到了广泛应用。
二、等离子渗碳技术等离子渗碳技术是一种将碳等离子体注入到金属表面，提高其表面硬度和耐磨性的热处理方法。
该技术具有处理深度大、渗碳均匀、处理效果好等优点，被广泛应用于模具制造、轴承加工等工业领域。
三、等离子强化技术等离子强化技术是利用高能等离子束对金属表面进行加热和处理，从而提高材料的硬度、耐磨性和强度。
该技术具有处理效果好、环保节能等优点，在航空航天、光电子等领域得到了广泛应用。
四、超声波冷却技术超声波冷却技术是通过超声波振动的作用，将冷却介质中的超声波传递到被处理材料表面，实现快速冷却和均匀淬火的热处理方法。
该技术具有冷却速度快、耗能低、操作简便等优点，在电子器件、新能源等领域得到了广泛应用。
五、纳米材料热处理技术纳米材料热处理技术是将纳米材料应用于传统热处理工艺中，通过控制纳米颗粒的尺寸和形貌，实现对材料性能的精密调控。
该技术具有处理精度高、耗能低、环保等优点，为材料热处理带来了新的发展机遇。
综上所述，新型热处理技术的不断发展与应用为工业生产提供了更多的选择和可能，推动了工业制造的智能化、高效化发展。
随着科技的不断进步，相信新型热处理技术将在未来得到更广泛的应用和推广，为工业生产带来更多的便利和效益。
希望本文的介绍能够对读者有所启发，也欢迎各界专家学者继续深入研究和探讨新型热处理技术的发展与应用。
淬火的冷却方式_理论说明以及概述
淬火的冷却方式理论说明以及概述1. 引言1.1 概述淬火是金属热处理中一项重要的工艺，在材料的强度和硬度提升方面起着关键作用。
淬火的冷却方式是决定材料性能的关键因素之一。
本文旨在理论上探讨不同冷却方式对材料性能的影响，并介绍常见的淬火冷却方式及其原理。
此外，我们还将分析选择和优化淬火冷却方式时需要考虑的因素。
1.2 文章结构本文分为五个部分进行阐述，分别是引言、冷却方式的理论说明、热处理中常用的淬火冷却方式介绍、淬火冷却方式选择与优化考虑因素分析以及结论与展望。
1.3 目的本文旨在为读者提供关于淬火冷却方式及其理论基础的详细说明，并介绍常见的淬火方法。
同时，我们还将分析选取合适冷却方式时需要考虑的因素，帮助读者了解如何在实际应用中进行选择和优化。
最后，通过对当前研究现状进行总结并展望未来发展方向，我们希望激发更多的研究兴趣并推动淬火冷却方式领域的进一步突破。
2. 冷却方式的理论说明2.1 理论基础在热处理过程中，淬火是一个关键步骤，它通过快速冷却来改变材料的结构和性能。
淬火冷却方式的选择取决于材料的类型、要求以及零件尺寸和形状复杂度等因素。
不同的冷却方式具有不同的原理和效果。
2.2 不同冷却方式的原理2.2.1 油淬火油淬火是一种较为常见的淬火方式。
其原理是通过将工件迅速放入预热至适当温度的油液中，使工件表面温度迅速下降，产生快速冷却效果。
由于油具有良好的热导性能，可以快速吸收工件表面的热量，从而使得工件表面达到较高硬度，并形成均匀的组织结构。
2.2.2 水淬火水淬火与油淬火相比，具有更快的冷却速率和更高的硬化效果。
其原理是将工件浸入水中，并迅速吸收热量来进行快速冷却。
由于水具有很高的热传导性能，可以迅速从工件表面吸收热量，使工件温度迅速下降。
水淬火可以在较短时间内形成较高的硬度和均匀的组织结构，但也容易产生过快冷却引起的裂纹和变形问题。
2.2.3 高压气体淬火高压气体淬火是一种使用惰性气体（例如氮气或氦气）进行淬火的方式。
钢的淬火冷却与淬火介质的选用
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钢的淬火介质的冷却机制
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中 图分 类 号 ： Ｇ ５ ． ２ Ｔ １６ ３ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ８１ ９ （０ １ ０ ．０ ０ ０ １０ ．６ ０ ２ １ ） ４ ０ ７ —６
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淬火常用冷却介质课件
CONTENTS
目录
• 淬火冷却介质简介 • 水基淬火冷却介质 • 油基淬火冷却介质 • 气体淬火冷却介质 • 淬火冷却介质的发展趋势
CHAPTER
01
淬火冷却介质简介
淬火冷却介质的作用
淬火是将金属加热到高温后迅速冷却的过程，淬火冷却介质的作用是在金属淬火过 程中，控制冷却速度，使金属达到所需的硬度和组织结构。
淬火冷却介质能够将金属内部的热量带走，减缓冷却速度，防止金属内部应力过大 而产生裂纹。
淬火冷却介质还能影响金属表面的氧化和脱碳程度，从而影响金属的耐磨性和耐腐 蚀性。
淬火冷却介质的分类
根据冷却能力的强弱，淬火冷却介质 可分为快速冷却介质和慢速冷却介质 。
快速冷却介质包括水、盐水、有机溶 剂等，适用于淬火要求高硬度的金属 ；慢速冷却介质包括油类、熔盐等， 适用于淬火要求较低硬度的金属。
淬火冷却介质的选择原则
根据金属的种类和淬火要求选择合适的 淬火冷却介质。
对于高碳钢、工具钢等要求高硬度的金 属，应选择冷却能力较强的快速冷却介 质；对于低碳钢、不锈钢等要求较低硬 度的金属，应选择冷却能力较弱的慢速
冷却介质。
还需考虑淬火冷却介质的稳定性、安全 性、环保性等因素。
CHAPTER
02
有色金属工业
用于有色金属材料的淬火处理，提高材料的 硬度和稳定性。
机械制造业
用于各种机械零件的淬火处理，提高零件的 强度和耐磨性。
其他领域
如工具、模具、刀具等领域的淬火处理。
气体淬火冷却介质的使用注意事项
安全操作
使用气体淬火冷却介质时应遵 守安全操作规程，避免发生气
体泄漏、中毒等安全事故。
温度控制
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先进的淬火介质及冷却技术
I 淬火介质
一、石油基淬火油
根据冷速分为常规淬火油、中速淬火油、快速淬火油，常规淬火油用于高淬透性钢的淬火冷却，而中等冷速的淬火油用于中高淬透性的钢淬火冷却，而快淬火油用于低淬透性钢。
钢中的Me 含量不仅影响到钢的淬透性，同时也因增加了相当的C 的当量，而改变了其Ms 。
/5/5/10/10eq C C Mn Mo Cr Ni =++++
当C%变化时，Ms 也将发生变化：
0.2%～430℃；0.4%～360℃；1.0%～250℃
另一类主要的石油基淬火油是分级淬火油，它可以被加热到（100～200℃）接近Ms 点的热油中均温以减少温差应力。
它具有优异的热稳定性，（精制加高效的组合氧化剂），使用温度一般要低于其闪点50℃。
二、植物油基淬火油
石油基淬火油性能稳定，但它是不可再生的一次性资源，更是地下水的主要污染源。
而植物油淬火油基可以克服这些缺点，它有如下优点和不足。
1、优点：①容易生物降解；②低无毒性；③良好润滑性；④资源能再生；⑤供应充足；⑥闪点和燃点高。
2、缺点：①水解稳定性差；②氧化稳定性差；③表面粘附；④粘度范围窄；⑤有不同的气味；⑥价格偏高。
和矿物油的比较，植物油的稳定性差，但可利用现代添加剂技术可改善它的水解稳定性和氧化稳定性。
比如好富顿公司开发的以Canola 植物油为基础油添加抗氧化剂的植物基淬火油①具有良好的抗氧化稳定性。
②其降解性比石油基淬火油高5倍。
③而且几乎没有蒸位膜阶段，在1300～110F 温度范围为V 冷↑（这对大多数钢而言正是要求快冷区）。
④900～250F 温度范围内具有较慢的V 冷从而可减少淬火的变形。
⑤闪点高达332℃（630F ）而一般石油基淬火油的闪点为177～232℃（350～450F ）燃点也比石油基的高约160℃。
三、聚合物淬火介质
它是有机聚合物和防锈添加剂，杀菌剂、消泡剂等组成水溶液，淬火时在热
工件周围会形成一层聚合物的高集层（膜），它的优点是：
1、环保：无油淬的烟雾，不但环保而且消除火灾隐患，无毒性。
2、成本低：稀释使用，一次投入成本低，溶液粘度低带出量少，运行成本就低。
比热和热传导率都较油的大，所以淬火温升小，生产率高，淬火后可不清洗，直接回火节省时间和清洗剂费用。
3、技术上：冷速根据需要可调，为此适用性宽（不同钢种）和油相比耐污染力强，和水相比降低汽膜稳定性，冷却均匀从而消除淬火软点及淬火时的应力。
目前商业化的聚合物淬火介质有四种：
①聚烷撑乙二醇（PAG）；②聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；③聚丙烯酸钠（ACR）；
④聚乙基恶唑啉（PEO）。
应用范围及特性
PAG：①5%浓度的可提高工件表面的润滑性，淬火冷却均匀；②10～29%与快速淬火油淬火速度相当，适合低中淬火透性，但要求获得高机械性能的工件淬火。
ACR：通常使用浓度为15～25%，可处理高淬透性材料。
PVP：10～15%应用范围和ACR相近。
PEO：（专利产品）5～25%之间，低浓度时的V冷类似于PAG，高能度的具有类油的冷却性能，所以适用于低淬透性钢也适用于中高淬透性钢。
II冷却技术：
一、强烈淬火—表面硬化（S·H）（Shell Harderng）
实际应用时都伴随着异常强烈搅拌，以控制淬火冷过程中膜沸腾和核沸腾阶段的换热，采用高速搅拌式或高压喷淬使工件在马氏体转变区进行快速而均匀的冷却，在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳，避免了常规淬火在马氏体转变区进行的快冷产生的畸变过大和开裂问题的发生。
它的优点：①与油淬的零件相比使用寿命提高3～4倍；②用低成本的碳钢或低合金钢替代了合金钢或高合金钢；③用水或水溶液介质替代油；④工艺非常稳定，易于实现自动化生产（目前用于汽车轴，轴承圈模具等。
）通常随冷却速度的增加，出现淬火裂纹的可能性也随之增加，然而存在一个临界的冷却速度，大于该冷速后淬火裂纹出现的可能性非但不增加反而下降。
强烈淬火的目的：就是要使介质的冷却速度大于其临界冷速，一般需要通过强烈搅拌淬火硬度H＞6。
强烈淬火的需要设备投资较大。
淬火槽的容积要大，泵的流量要足以满足搅拌的要求，而且淬火系统要针对具体的工件设计。
一般要求工件厚度要薄（限制在50～75mm以下）几何形状相对对称。
二、控时浸淬技术（ITQS）
采用计算机控制冷却过程的浸淬时间和搅拌强度，在避免开裂的前提下，达到获得高的力学性能和尽可能小的畸变的目的。
具体方法：在浸淬初始阶段，通过强裂搅拌提供足够高的冷却能力，当心部温度接近Ms点时降低或终止搅拌，为此关键技术是确定达到Ms点的时间。
扩大了水溶性聚合物淬火介质的应用范围，也使中碳合金钢采用水溶性聚合物淬火介质淬火易于产生开裂的问题得到解决。
三、高压气淬
主要应用在真空炉中，压力最高可达100帕通常为30～40Pa，使用的气体通常为惰性气体。
它的冷却能力和热油相当，它适用在高合金钢上或薄件上，由于采用气体不同热传递效率不同，提高压力可增加冷却能力，工件接触气流是否均匀是保证均匀冷却的关键。
成品高，（气体不能主要使用）
四、变裂度淬火技术
通过工件在淬火槽的滑道内外提供不同介质流速的办法，使工件在Ms点以上获得较快的V
冷
，在Ms点以下的冷却速度降低（见图）。
五、喷淬
隧道
是替代浸淬和提高生产效率的理想工艺。
一般采用水或水溶性聚合物为介质，可以根据要求，对冷却能力进行调整。
六、膨胀流淬火法
是将被处理的工件在经过连续式炉完成加热工艺过程后，热工件不是落到淬火介质中，而是将淬火介质提升到热工件高度实现淬火冷却。
该方法消除了淬火件在移转下落过程中产生的冲击力，达到最小的畸变目的。
已在轴承制造业轴承圈淬火中应用。
七、有关模拟技术的应用
1、CFD-计算机模拟流体运动
通过计算工件周围流体和工件之间的相互作用，可用CFD技术优化淬火槽设计，优化工件装夹方式，从而大幅度减少淬火变形。
2、淬火变形的有限元模拟
①能量化工件淬火后的残余应力和变形；②能模拟比较不同的工件形状和装夹方式设计，对变形和残余应力的影响；③分析产生淬火裂纹和高应力状态的原因。
3、冷却过程的模拟
①淬火介质流速场的模拟；②冷却过程的模拟（上交大潘健生院士开展了大量的工作）
采用三维非线性有限元模型和界面条件突变的处理方法，实现了几种复杂形状零件的复杂淬火操作过程中温度场、相变、应力/应变的模拟、模拟效果和实际测算结果相符。
在生产中得到了避免淬火开裂，合格率达到100%。
不用油淬火剂，消除火灾隐患和环境污染，加热时间缩短了40%，实现节能和提高使用寿命。
将气体渗碳的计算机模拟和计算机控制技术相结合，研制成功智能型密封多用炉生产线，可用计算机自动进行渗碳过程的模拟，自动确定优化工艺，自动完成过程控制，实现智能化、无纸化、自动化生产。
（已处理渗碳件3000炉以上，全部合格。
）。