淬火冷卻技術是指金屬材料與構件被加熱到某一溫度后，按預定的方式和速率冷卻，以獲得預期的組織與性能的技術，包括淬火工藝及工藝優(yōu)化、淬火介質(zhì)及其性能評定、淬火裝置、冷卻過程及其參數(shù)控制、冷卻過程模擬及性能預報、淬火畸變、開裂及殘余應力控制。淬火冷卻屬于熱處理的基礎工藝。

• 中文名：淬火冷卻 外文名：quenching  
• 機械工程術語
• 技術要求 ：加熱到一定溫度后冷卻
• 目    的 ：獲得預期組織與性能

目錄

1. 1概念
2. 2技術現(xiàn)狀
3. 3適用范圍
4. 4工藝制定
5. 5發(fā)展趨勢

概念

淬火冷卻技術是指金屬材料與構件被加熱到某一溫度后，按預定的方式和速率冷卻，以獲得預期的組織與性能的技術，包括淬火工藝及工藝優(yōu)化、淬火介質(zhì)及其性能評定、淬火裝置、冷卻過程及其參數(shù)控制、冷卻過程模擬及性能預報、淬火畸變、開裂及殘余應力控制。

淬火冷卻屬于熱處理的基礎工藝。幾乎所有熱處理件都需要經(jīng)過淬火冷卻處理獲得預期的組織與性能，如作為最終熱處理的淬火冷卻( 調(diào)質(zhì)( 淬火+高溫回火) 、真空淬火、滲碳淬火等) 和預備熱處理的淬火冷卻( 化學熱處理和表面淬火做組織準備的調(diào)質(zhì)處理) [1] 。

技術現(xiàn)狀

隨著技術的進步，在淬火介質(zhì)評價、淬火冷卻過程機理研究、過程模擬和控制冷卻等領域取得了大量的研究成果。但是由于淬火冷卻過程十分復雜， 存在的換熱介質(zhì)復雜變化不均勻的流場與溫度場的影響和構件本身冶金成分分布不均勻的影響等等邊界條件和構件本身不均勻性的影響， 加大了對原本十分復雜的構件內(nèi)部在瞬間發(fā)生的三場( 溫度場、組織場、應力 /應變場) 交互作用的研究的難度。加之檢測手段制約和對冶金機理認識的欠缺， 而使其研究和控制水平遠遠滯后于熱處理的加熱過程，與飛速發(fā)展的現(xiàn)代科學技術相比更是相形見絀。

淬火冷卻工序比較突出的問題有如下幾方面：

1) 工藝制定方面

在企業(yè)，淬火工藝單通常是具有詳細的加熱規(guī)程，而淬火冷卻規(guī)程往往是非常簡單的幾個字， 如：水淬、油淬、聚合物介質(zhì)淬火。執(zhí)行這種簡單的淬火冷卻規(guī)程，不同的操作人員或相同人員不同爐次的操作，其淬火件的力學性能、應力狀態(tài)、畸變量等會有很大的差異。

2) 流速、溫度、濃度綜合影響下的介質(zhì)冷卻能力評價方面

對淬火介質(zhì)冷卻能力的測量是評價介質(zhì)冷卻能力的一個重要方面。雖然國際標準化組織于 1995 年推出了ISO 9950 國際標準，但是其測量結果仍局限于介質(zhì)之間的定性比較，其應用受到局限。

3) 工藝執(zhí)行、記錄方面

國內(nèi)外絕大多數(shù)的淬火槽都沒有配置對介質(zhì)攪拌狀態(tài)、介質(zhì)溫度變化、淬火開始時間和結束時間的實時控制、采集和記錄的設備， 這些功能應該是實現(xiàn)產(chǎn)品處理過程的可控性和可追溯的基礎， 這些基礎問題不解決將無法實現(xiàn)對淬火冷卻過程的閉環(huán)控制。

這些問題不單在國內(nèi)企業(yè)存在，就是在發(fā)達國家也普遍存在。這些問題看似不是十分復雜，但是由于熱處理行業(yè)的重加熱輕冷卻觀念的存在， 加之存在淬火冷卻過程的復雜性方面的技術障礙， 缺少一個貫穿淬火冷卻生產(chǎn)過程的技術要求標準參照， 而一直沒有得到解決 [1]。

適用范圍

1) 冷卻對象：金屬件( 鋼、鋁) 淬火冷卻、固溶處理中的冷卻。

2) 加熱方式：整體加熱( 調(diào)質(zhì)工序的奧氏體化加熱、化學熱處理的加熱等) 。

3)介質(zhì)：水及水溶液、油、熱浴、空氣。

4) 冷卻方式：一次浸液、雙液淬火、斷續(xù)淬火( 水-空交替淬火) 、分級淬火、等溫淬火。

5) 介質(zhì)工作壓力：常壓。

除非特殊規(guī)定， 標準不適用于非浸液方式淬火冷卻、高壓氣淬、埋液淬火、壓力淬火的冷卻方式; 除非特殊規(guī)定，標準不適用于表面加熱、真空加熱和局部加熱的加熱方式。

工藝制定

隨著技術的進步和對淬火質(zhì)量要求的不斷提高，控時淬火技術逐漸被企業(yè)接受和采用， 如強烈淬火技術 [2] 、水-空交替控時淬火冷卻技術 [3] 都是按照工藝要求精確控制浸液時間獲取最佳的性能。

給出了制定淬火冷卻工藝具體要求， 步驟如下：①按照列表收集淬火工件的原始資料；②按照所列項目選擇淬火介質(zhì)、淬火冷卻設備與淬火夾具； ③制定淬火冷卻工藝； ④淬火冷卻前進行工藝適用性評估。其中，淬火冷卻工藝參數(shù)的制定可以利用淬透性估測法( 定性方法) 和數(shù)值模擬方法( 定量方法)。

1) 淬透性估測法( 定性方法)

該方法是根據(jù)工件的端淬曲線、等效端淬距離、淬火烈度、淬火硬度與力學性能之間的關系確定。

2) 數(shù)值模擬方法( 定量方法)

隨著數(shù)值模擬技術的進步，對淬火冷卻過程的溫度場和組織場的模擬精度已經(jīng)可以用于指導制定淬火冷卻工藝。同樣數(shù)值模擬結果也需要結合實際檢測結果進行模型修正。

發(fā)展趨勢

淬火冷卻工藝、介質(zhì)、裝備的發(fā)展是圍繞提高被淬火件的性能這個目標而開展的。雖然在淬火冷卻方面做了大量的工作，但是淬火冷卻的諸多方面仍是制約熱處理質(zhì)量提高的短板。因此， 淬火冷卻領域仍存在著巨大的變革空間， 預計將在下述幾個方面發(fā)生變革。

1) 數(shù)值模擬將會迅速和大面積地被用于工程層面的工藝制定、淬火設備流場模擬、性能預測等方面。在 21 世紀熱處理與表面工程的淬火冷卻技術領域的技術發(fā)展中，旨在減小畸變的淬火冷卻設備流場設計方面流場動力學( CFD) 的應用將逐漸增多。國內(nèi)某大型企業(yè)在齒輪淬火冷卻設備招標的標書中也明確要求供應商需具備流場模擬能力。

2) 圍繞提高淬火件性能、減小畸變、降低成本和清潔環(huán)保等目標，會催生出新的工藝、介質(zhì)和裝備。控時淬火、水-空交替控時淬火、強烈淬火等工藝方法將有很好的應用前景 [4]。納米介質(zhì)( 納米介質(zhì)是指在常規(guī)的水、油、水溶性聚合物介質(zhì)等流體中參雜納米級顆粒， 在超聲或其它手段的作用下將納米級顆粒分散在流體中) 由于納米級顆粒表現(xiàn)出根本不同于傳統(tǒng)流體的傳熱性能和能明顯改善潤濕運動學，在減小畸變和降低開裂傾向方面具有研究空間。

3) 具有精確執(zhí)行工藝和工藝全過程記錄功能的數(shù)字化的淬火冷卻裝置將被逐步推廣。隨著技術的發(fā)展，淬火冷卻設備的數(shù)字化已經(jīng)是大勢所趨。從國內(nèi)多家企業(yè)數(shù)字化淬火冷卻設備的使用情況看， 大規(guī)模生產(chǎn)中使用具有精確執(zhí)行淬火冷卻工藝和工藝全過程記錄功能的數(shù)字化的淬火冷卻裝置已經(jīng)不存在技術、成本和可靠性等方面的障礙。

大連海威冷卻裝備有限公司

2024.5.15