在通过热处理硬化金属时，冷却介质（或淬火剂）的选择是最关键的决定之一。主要的淬火剂类型包括空气、油、水和盐水，每种都提供不同的冷却速度。选择哪种淬火剂取决于所处理的具体合金以及所需的最终机械性能，例如硬度和韧性。
淬火的核心原则不是尽可能快地冷却金属，而是以特定的、受控的速度冷却。理想的淬火剂应与合金的特性相匹配，以在不引入翘曲或开裂等缺陷的情况下达到所需的硬度。
淬火的目的
淬火是一种冶金工艺，用于快速冷却工件，以“锁定”特定的材料结构。对于钢材而言，这通常意味着从高温（奥氏体化温度）足够快地冷却，以形成一种非常坚硬、脆性的晶体结构，称为马氏体。
冷却的三个阶段
理解液体淬火剂如何工作涉及识别热金属浸入时传热的三个不同阶段。
- 蒸汽膜阶段：一层薄薄的蒸汽膜立即在热部件周围形成，对其进行绝缘并减缓热传递。长时间的蒸汽膜会导致软点。
- 核态沸腾阶段：随着部件表面冷却，蒸汽膜破裂，液体直接接触。这导致剧烈沸腾，从而迅速带走大量的热量。这是冷却最快的阶段。
- 对流阶段：一旦部件冷却到液体沸点以下，沸腾停止。此时热量通过简单的对流以慢得多的速度被带走。
定义淬火强度
淬火强度是衡量淬火剂从材料中提取热量的速度。这是比较不同淬火介质的主要因素。更高的强度意味着更快的冷却速度。
常见淬火剂的分类
淬火剂最好通过将其从最慢（最低强度）到最快（最高强度）的范围进行排列来理解。
空气
空气是最温和的淬火剂。它仅依靠对流来带走热量，从而产生非常缓慢且均匀的冷却速度。
这种方法仅适用于高合金钢，通常称为“空冷淬硬钢”，这些钢即使在缓慢冷却的情况下也能达到完全硬度。它产生的变形最小，开裂风险非常低。
油
油是最常见的工业淬火剂之一，其冷却速度比空气快，但明显慢于水且强度低于水。
它在马氏体转变范围内的较慢冷却减少了内应力，使其成为许多合金钢和具有复杂几何形状的部件的理想选择，在这些情况下，开裂或变形是主要问题。
水
水是一种有效且经济的淬火剂，提供非常快的冷却速度。其高热提取能力来自于强烈的核态沸腾阶段。
然而，其快速冷却会引起高内应力，因此主要适用于简单碳钢和形状简单的部件。将其用于更复杂或高合金部件可能会导致严重的变形或淬火裂纹。
盐水
盐水是可用的最强淬火剂之一。在水中添加盐（通常是氯化钠）可以抑制初始蒸汽膜阶段。
这使得剧烈的核态沸腾阶段几乎立即开始，从而导致极快的初始淬火。它用于淬透性低的合金，在需要最大硬度且开裂风险可接受的情况下。
水性聚合物
水性聚合物淬火剂是介于水和油之间的工程解决方案。通过调节水中聚合物（如乙二醇）的浓度，可以精确控制冷却速度。
这种灵活性允许定制淬火，其速度可以比油快，但强度低于水，为各种钢材提供了硬度和变形控制之间的良好平衡。
理解权衡
选择淬火剂始终是在实现所需性能和保持部件完整性之间进行权衡。
硬度与开裂风险
更快的淬火通常会产生更硬的最终部件。然而，这种速度也会产生巨大的热应力，大大增加淬火裂纹的风险，尤其是在尖角或薄截面处。
变形和翘曲
每次淬火都会引入一定程度的变形。淬火越剧烈、越不均匀，部件就越容易翘曲或改变尺寸。在这方面，空气和油比水或盐水温和得多。
安全和环境因素
油淬火剂会产生烟雾，如果控制不当，会引起火灾。水和盐水更安全，但腐蚀性很强。聚合物淬火剂通常提供良好的折衷方案，但需要仔细维护其浓度。
将淬火剂与您的目标匹配
正确的选择完全取决于您正在使用的材料和您的主要目标。
- 如果您的主要重点是在简单碳钢上实现最大硬度：盐水或水将提供所需的剧烈淬火。
- 如果您的主要重点是硬化一种具有良好性能平衡的常见合金钢：油是传统且可靠的选择。
- 如果您的主要重点是在高合金工具钢上最大程度地减少变形：空气是唯一合适的选择。
- 如果您的主要重点是敏感合金的精确、可重复控制：水性聚合物提供最可调和灵活的解决方案。
最终，合适的淬火剂是能够以恰好足够快的速度冷却钢材以达到目标显微组织，不多也不少。
总结表：
| 淬火剂类型 | 冷却速度（强度） | 理想用途 | 主要特点 |
|---|---|---|---|
| 空气 | 最慢（低） | 高合金（空冷淬硬）钢 | 变形最小，开裂风险低 |
| 油 | 中等 | 合金钢，复杂部件 | 硬度良好，应力降低 |
| 水 | 快 | 简单碳钢，简单形状 | 经济但开裂风险高 |
| 盐水 | 最快（非常高） | 淬透性低的合金 | 最大硬度，开裂风险高 |
| 水性聚合物 | 可调（水到油） | 各种钢材 | 精确控制，硬度/变形平衡 |
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