大型铸锻件淬火冷却介质该如何选择？有很多的门道！一文说清
大型铸锻件淬火冷却介质该如何选择？有很多的门道！一文说清
大型铸锻件是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础和保证，是国家工业制造水平的重要标志之一。其热处理工艺中的淬火冷却环节，对工件的内在质量及畸变有着决定性的影响。本文将从大型铸锻件的概述、淬火冷却的特点、冷却介质在淬火中的冷却过程以及淬火介质的选择原则等方面，详细探讨如何选择合适的淬火冷却介质。
大型铸锻件概述
大型铸锻件是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础和保证，是国家工业制造水平的重要标志之一。通常安全性要求较高，制造技术难度大。众所周知，合理、科学的热处理是零件获得良好性能的前提,冷却作为热处理工艺和生产的重要控制环节,其重要性更不言而喻了，它关乎工件相转变时间、组织状态、晶粒度等能否按照工艺预期顺利实现，直接影响材料微观组织和宏观性能,因此一直是热处理生产关注的重点。特别是对于大型铸锻件,因其淬火冷却要求高、技术难度大，就更显冷却的关键。控制淬火冷却技术的核心是根据选择工件具体情况和技术要求选择适合的淬火介质。
所谓合适的淬火介质既要满足零件热处理性能要求，又要保证工件无过大变形、开裂，同时对环境影响较小，并要兼顾经济性。因此,针对大型铸锻件结构及技术要求等合理选择淬火介质对于提高其热处理质量有重要意义，而大型铸锻件多为非标准件，结构特殊，尺寸较大，技术要求较高，不同于常规机械零件热处理，目前,鲜有关于这方面研究报道。本文重点探讨大型铸锻件淬火冷却介质的选择。
大型铸锻件淬火冷却的特点
大型铸锻件大多为标准件，结构和尺寸一般较为庞大,有时一个零件就有几吨，在热处理基本理论方面与中小件无本质区别，但正因为其尺寸大,质量效应凸显,因此在具体热处理技术实现方面表现出与小件完全不同的特点,如经常出现小件不易发生或易于消除的晶粒粗大、混晶、残余应力过大、回火脆性明显等问题;同时大型铸锻件多为重型装备关键零部件,大多受力环境复杂,服役条件恶劣,因此对力学性能要求大都较常规产品高，这些都对热处理工艺提出了挑战，往往不能用处理小件的常规方法进行简单处理,最明显的就是淬火冷却效果完全不同于常规机械零件。
这是因为随着大型铸锻件的尺寸和重量的增加，有效厚度也随之增加，工件传热和冷却过程自然会变慢，特别是在淬火冷却过程中，工件实际获得的冷却速度相对小件会大大降低，同样冷却方式下与小件相转变过程甚至会完全不同，故而按照常规热处理制度往往达不到目标热处理效果和预期组织和性能，如某材质小件采用较为缓和的油冷淬火就能完全满足技术要求,但同样材质零件有效尺寸增大到一定程度时，要达到相同的技术要求，采用油冷就不能达到相同的技术要求，即使采用较为激烈的水冷淬火也未必能完全达到相同技术要求。
对于大型铸锻件,如果淬火介质选择不当,常出现淬火效果差,达不到技术要求,或者零件变形超差、开裂、表面硬度低和淬硬层较浅等问题。为了减轻大型铸锻件质量效应的不利影响，通过采用添加较多Cr、Mo、Ni、Mn等提高淬透性的合金元素，但对于尺寸过大的结构件,这种方法作用也十分有限。生产实践中，比较通用与实用的是改进工艺方法，如淬火冷却采用水空水间歇交替冷却、喷淬代替水油冷或油冷淬火。虽然这样可能会在一定程度上解决问题，但热处理工艺要求较高，极易引起工件的畸变和开裂，因为随着大型铸锻件的尺寸增加，成分偏析、非金属夹杂缺陷概率会增加，再加上相变潜热的影响,在加热和冷却过程中产生的应力较大，这些因素都极大地增加了工件冷却过程中的风险。
冷却介质在淬火中的冷却过程
蒸汽膜冷却
冷却介质与高温工件表面接触时，温度超过其沸点而成蒸气，工件被蒸气包围，工件的热量靠蒸气膜的辐射和传导而传到到冷却介质，冷却速度较慢。沸腾冷却
工件的温度降到冷却介质的沸点后，与工件表面接触的冷却介质处于沸腾状态，热传导速度比上阶段快得多。自然对流冷却
工件温度继续冷却至冷却介质的沸点以下，工件温度与冷却介质的温差缩小，靠自然对流传热，冷却速度再下降。
淬火介质的选择原则
简而言之,最理想的淬火介质是在钢的M点温度以上冷得快些,冷到M点以下后冷得慢些,但目前为止,还没有哪种介质能做到如此，因此必须根据零件具体特点和要求综合考虑。一般而言,主要结合材料化学成分、结构特点、技术要求综合考虑。
化学成分影响钢的相变点位置、相变区大小、转变曲线的移动，是工艺制定的重要参考和工艺风险评估的重要依据。如通常含碳量和合金量越高,过冷奥氏体越稳定,即钢淬透性越好,但同时如果冷却不当,开裂风险也越大,对于大型铸锻件更是如此,因此中温阶段应选择冷却速度较慢的介质。而到了低温阶段,即略高于M点温度附近温度区间,对于过大工件选择冷速更慢的介质有益于减小淬火应力,有时甚至需要空冷或炉中空冷。又如,有些钢因某个元素含量变化,其冷却转变曲线会受到明显影响,这些必须引起注意。
结构主要包括形状和尺寸因素,有效尺寸过大的工件结合材料淬透性等，考虑选择淬火介质应当有较快的低温冷却速度,水等。形状复杂的工件尽量选择蒸汽膜阶段较短而冷却速度又较快的淬火介质,以防止变形超差,可以考虑合适的有机淬火介质。另外,一般而言,变形要求小的,淬火冷却中必须有较窄的冷却速度带;而允许的变形较大,可以有较宽的冷却速度带技术要求主要指取样位置,性能要求等级,通常同种材料，要求等级不同,火介质选择就有很大差异,尺寸较大工件取样位置不同,应考虑淬硬层深度,全面权衡,如水冷大工件易于出现质量波动,取样结果可能会不稳定。
在实际生产中,大型铸锻件淬火往往综合具体要求及工件特点等因素,灵活采用水、油、或二者结合,或水空间歇等淬火生产,但随着淬火介质理论和实践的不断丰富和数值仿真技术的发展,工艺研究者们将会更加科学灵活选用淬火介质,最大程度地满足工件淬火冷却要求,提高工件性能。
结 论
大型铸锻件热处理淬火介质的选择应依据材料成分、结构特点及技术要求综合考虑,选择最符合工艺冷却要求的介质。随着数值仿真技术和淬火介质理论的不断完善,大型铸锻件热处理淬火介质的选择将更加科学、灵活。