金属材料热处理后的冷却工艺【详解】

热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的一种金属热加工工艺。热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。淬火冷却技术是指金属材料与构件被加热到某一温度后，按预定的方式和速率冷却，以获得预期的组织与性能的技术，包括淬火工艺及工艺优化、淬火介质及其性能评定、淬火装置、冷却过程及其参数控制、冷却过程模拟及性能预报、淬火畸变、开裂及残余应力控制。淬火冷却属于热处理的基础工艺。随着技术的进步，在淬火介质评价、淬火冷却过程机理研究、过程模拟和控制冷却等领域取得了大量的研究成果。但是由于淬火冷却过程十分复杂，存在的换热介质复杂变化不均匀的流场与温度场的影响和构件本身冶金成分分布不均匀的影响等等边界条件和构件本身不均匀性的影响，加大了对原本十分复杂的构件内部在瞬间发生的三场(温度场、组织场、应力/应变场)交互作用的研究的难度。加之目前的检测手段制约和对冶金机理认识的欠缺，而使其研究和控制水平远远滞后于热处理的加热过程，与目前飞速发展的现代科学技术相比更是相形见绌。淬火冷却工序比较突出的问题有如下几方面：1)工艺制定方面在企业，淬火工艺单通常是具有详细的加热规程，而淬火冷却规程往往是非常简单的几个字，如：水淬、油淬、聚合物介质淬火。执行这种简单的淬火冷却规程，不同的操作人员或相同人员不同炉次的操作，其淬火件的力学性能、应力状态、畸变量等会有很大的差异。2)流速、温度、浓度综合影响下的介质冷却能力评价方面对淬火介质冷却能力的测量是评价介质冷却能力的一个重要方面。虽然国际标准化组织于1995年推出了ISO9950国际标准，但是其测量结果仍局限于介质之间的定性比较，其应用受到局限。3)工艺执行、记录方面目前国内外绝大多数的淬火槽都没有配置对介质搅拌状态、介质温度变化、淬火开始时间和结束时间的实时控制、采集和记录的设备，这些功能应该是实现产品处理过程的可控性和可追溯的基础，这些基础问题不解决将无法实现对淬火冷却过程的闭环控制。这些问题不单在国内企业存在，就是在发达国家也普遍存在。这些问题看似不是十分复杂，但是由于热处理行业的重加热轻冷却观念的存在，加之存在淬火冷却过程的复杂性方面的技术障碍，缺少一个贯穿淬火冷却生产过程的技术要求标准参照，而一直没有得到解决[1]。淬火冷却技术标准的适用范围编辑1)冷却对象：金属件(钢、铝)淬火冷却、固溶处理中的冷却。2)加热方式：整体加热(调质工序的奥氏体化加热、化学热处理的加热等)。3)介质：水及水溶液、油、热浴、空气。4)冷却方式：一次浸液、双液淬火、断续淬火(水-空交替淬火)、分级淬火、等温淬火。5)介质工作压力：常压。除非特殊规定，标准不适用于非浸液方式淬火冷却、高压气淬、埋液淬火、压力淬火的冷却方式;除非特殊规定，标准不适用于表面加热、真空加热和局部加热的加热方式。淬火冷却工艺制定与实施编辑随着技术的进步和对淬火质量要求的不断提高，控时淬火技术逐渐被企业接受和采用，如强烈淬火技术[2]、水-空交替控时淬火冷却技术[3]都是按照工艺要求精确控制浸液时间获取最佳的性能。给出了制定淬火冷却工艺具体要求，步骤如下：①按照列表收集淬火工件的原始资料；②按照所列项目选择淬火介质、淬火冷却设备与淬火夹具；③制定淬火冷却工艺；④淬火冷却前进行工艺适用性评估。其中，淬火冷却工艺参数的制定可以利用淬透性估测法(定性方法)和数值模拟方法(定量方法)。1)淬透性估测法(定性方法)该方法是根据工件的端淬曲线、等效端淬距离、淬火烈度、淬火硬度与力学性能之间的关系确定。2)数值模拟方法(定量方法)随着数值模拟技术的进步，目前对淬火冷却过程的温度场和组织场的模拟精度已经可以用于指导制定淬火冷却工艺。同样数值模拟结果也需要结合实际检测结果进行模型修正。发展趋势编辑淬火冷却工艺、介质、装备的发展是围绕提高被淬火件的性能这个目标而开展的。虽然在淬火冷却方面做了大量的工作，但是淬火冷却的诸多方面仍是制约热处理质量提高的短板。因此，淬火冷却领域仍存在着巨大的变革空间，预计将在下述几个方面发生变革。1)数值模拟将会迅速和大面积地被用于工程层面的工艺制定、淬火设备流场模拟、性能预测等方面。在21世纪热处理与表面工程的淬火冷却技术领域的技术发展中，旨在减小畸变的淬火冷却设备流场设计方面流场动力学(CFD)的应用将逐渐增多。国内某大型企业在齿轮淬火冷却设备招标的标书中也明确要求供应商需具备流场模拟能力。2)围绕提高淬火件性能、减小畸变、降低成本和清洁环保等目标，会催生出新的工艺、介质和装备。控时淬火、水-空交替控时淬火、强烈淬火等工艺方法将有很好的应用前景[4]。纳米介质(纳米介质是指在常规的水、油、水溶性聚合物介质等流体中参杂纳米级颗粒，在超声或其它手段的作用下将纳米级颗粒分散在流体中)由于纳米级颗粒表现出根本不同于传统流体的传热性能和能明显改善润湿运动学，在减小畸变和降低开裂倾向方面具有研究空间。3)具有精确执行工艺和工艺全过程记录功能的数字化的淬火冷却装置将被逐步