1、20℃静止的水特性温度约为380℃,从800~380℃为蒸汽膜阶段,平均冷速约为180℃。380~100℃为沸腾阶段,平均冷速约为200℃/s。最大冷速约为780℃/s,最大冷速对应的温度约为280℃。100℃以下为对流阶段,在100℃时的冷速约为100℃/s。
2、与油相比,水的冷却速度较大,见图2-15。可以看出,在60℃时,水的冷速为油的6倍,而在200℃时,为油的28倍。
3、水的特性温度低(380℃),三个阶段的温度与钢材的过冷奥氏体转变曲线不吻合。碳素钢的过冷奥氏体的最不稳定区域在650~500℃,这时,水正处在蒸汽膜阶段,冷却速度并不是很快,截面尺寸较大的碳钢水淬表面硬度不足或淬硬层过薄的原因就在于此。对于马氏体转变区域(300~200℃),水的冷却速度极大,因而对形状复杂的工件易造成开裂而报废。
4、水温对水的冷却能力影响很大,水温升高,冷却能力急剧下降,特别是高温区,例如,水温从20℃升高到40℃时,在600℃时的银球冷速降低(试样为20mm的银球,移动速度下)时冷却速度下降的较少。另外,水温升高,特性温度明显下降,例如,20℃时特性温度为380℃,40℃特性温度约为320℃,600℃特性温度约为250℃,这使最大冷却速度向低温移动。因此,应严格控制淬火水槽的温度,采取措施,使水温控制在40℃以下,但是,对同一工件,特别是有较细的通孔、盲孔、内角等部件,因蒸汽的移出和水的流动受到限制,致使这些部位的区域水温升高,降低了淬火质量,可采用工件运动或水流动等方法予以改善。
5、工件在水中运动或者水循环,可使蒸汽膜早期硖坏而进入沸腾快冷阶段,可以有效地提高工件在高温阶段的冷却速度,并可改善冷却的均匀性。从图可以看出,对于20℃水来说,循环水可从静止水的平均冷速180℃/s提高到360℃/s,并使特性温度和最大冷速有所提高。
应指出,水中含有较多的气体或不溶或微溶的物质(如泥土、油、肥皂等),都会引起水冷却能力的降低。因为水中的气体和这些外来质点能作为形成蒸汽的核心,加速蒸汽膜的形成且增加膜的稳定性,淬火时易形成软点。水中溶入盐、碱等可溶性物质时,其冷却能力会有所提高。
还应指出,各地区的水质有所不同,对冷却能力也有影响。总之,水作为淬火介质,优点很突出,缺点也很严重。水的两大缺点是:水在低温区冷却速度太快,易造成泮火件的开裂,这是水的第一大缺点;水的冷却特性对水温变化敏感性太强,水温升高易造成淬火硬度不足和软点,此为水的第二大缺点。
克服水(包括有机聚合物水溶液)的两大缺点的办法如下。
办法一:选择在单一的冷却阶段内冷却。选用那些特性温度高于工件淬火加热温度的介质,使整个冷却过程都在蒸汽膜阶段以下进行。例如,硝盐浴等熔融盐浴就属于这一类。但它受到钢种和工件截面尺寸的限制;只适用于中小尺寸的工件。
办法二:加入能减小介质温度敏感性的添加剂,如加入一定量的无机盐或碱。
办法三:适当降低工件的淬火加热温度,以缩短工件在蒸汽膜阶段的冷却时间,来减小上述敏感程度。
办法四:降低介质的使用温度,以降低淬火时可能的最高液温。
办法五:淬火时工件运动或通过加强介质的流动和增大工件之间的距离等措施,减少工件周围的液温升高值,以减小上述的敏感程度。
办法六:实现淬火槽的搅拌、冷却的自动化和智能化,确保淬火液的使用温度不超过规定值。
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