淬火冷卻技術(shù)是指金屬材料與構(gòu)件被加熱到某一溫度后，按預(yù)定的方式和速率冷卻，以獲得預(yù)期的組織與性能的技術(shù)，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(yù)報、淬火畸變、開裂及殘余應(yīng)力控制。淬火冷卻屬于熱處理的基礎(chǔ)工藝。

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

目錄

1. 1概念
2. 2技術(shù)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(shù)是指金屬材料與構(gòu)件被加熱到某一溫度后，按預(yù)定的方式和速率冷卻，以獲得預(yù)期的組織與性能的技術(shù)，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(yù)報、淬火畸變、開裂及殘余應(yīng)力控制。

淬火冷卻屬于熱處理的基礎(chǔ)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(yù)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(yù)備熱處理的淬火冷卻( 化學(xué)熱處理和表面淬火做組織準備的調(diào)質(zhì)處理) [1] 。

技術(shù)現(xiàn)狀

隨著技術(shù)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(lǐng)域取得了大量的研究成果。但是由于淬火冷卻過程十分復(fù)雜， 存在的換熱介質(zhì)復(fù)雜變化不均勻的流場與溫度場的影響和構(gòu)件本身冶金成分分布不均勻的影響等等邊界條件和構(gòu)件本身不均勻性的影響， 加大了對原本十分復(fù)雜的構(gòu)件內(nèi)部在瞬間發(fā)生的三場( 溫度場、組織場、應(yīng)力 /應(yīng)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(xué)技術(shù)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(xué)性能、應(yīng)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(jié)果仍局限于介質(zhì)之間的定性比較，其應(yīng)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(jié)束時間的實時控制、采集和記錄的設(shè)備， 這些功能應(yīng)該是實現(xiàn)產(chǎn)品處理過程的可控性和可追溯的基礎(chǔ)， 這些基礎(chǔ)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(fù)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(fù)雜性方面的技術(shù)障礙， 缺少一個貫穿淬火冷卻生產(chǎn)過程的技術(shù)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(xué)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(shù)的進步和對淬火質(zhì)量要求的不斷提高，控時淬火技術(shù)逐漸被企業(yè)接受和采用， 如強烈淬火技術(shù) [2] 、水-空交替控時淬火冷卻技術(shù) [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(shè)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(xué)性能之間的關(guān)系確定。

2) 數(shù)值模擬方法( 定量方法)

隨著數(shù)值模擬技術(shù)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(dǎo)制定淬火冷卻工藝。同樣數(shù)值模擬結(jié)果也需要結(jié)合實際檢測結(jié)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(lǐng)域仍存在著巨大的變革空間， 預(yù)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(shè)備流場模擬、性能預(yù)測等方面。在 21 世紀熱處理與表面工程的淬火冷卻技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展中，旨在減小畸變的淬火冷卻設(shè)備流場設(shè)計方面流場動力學(xué)( CFD) 的應(yīng)用將逐漸增多。國內(nèi)某大型企業(yè)在齒輪淬火冷卻設(shè)備招標的標書中也明確要求供應(yīng)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(yīng)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(xué)，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(shù)的發(fā)展，淬火冷卻設(shè)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(shè)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(shù)、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