冷卻介質與淬火變形分析
初涉熱處理工藝的人容易產生這樣的認識：淬火介質的冷卻速度越快，工件的淬火變形就越大。事實上，淬火介質的選擇問題不這么簡單。淬火變形超差成為問題，一定是在工件不淬裂，且淬火硬度和淬硬層深度都能滿足要求的前提下提出來的。因此，任何特定條件下淬火的一種工件，都有最適合它的淬火介質的冷卻速度范圍。過快的冷卻速度會引起淬火開裂和超差的淬火變形。而過慢的冷卻速度不僅不能把工件淬硬，引起的淬火變形問題往往更加嚴重。一般說，油性介質的冷卻速度較慢，而水性介質的冷卻速度則可能很快。除了留意介質的冷卻速度快慢之外，使用條件和使用方法對冷卻速度的影響又是一個必須重視的問題。和油性介質相比，水溫變化對水性介質冷卻特性的影響較大。因此，水性介質特別適合在單件淬火和像網帶爐之類的可以將工件分撒開淬火的場合使用。而油性介質既適用于單件場合使用，也適用于多件同時淬火。
大量的生產實踐表明，在都能滿足淬硬要求的條件下，油中淬火后工件的淬火變形通常比水性介質中的要小；熱油中淬火的變形又更小。與油性介質相比，采用高壓氣淬或者在低溫鹽浴中淬火的工件變形程度還更小。油中淬火變形大，主要表現為變形的分散程度大。究其原因，我們認為主要是工件在水性和油性介質中淬火時，總要經過蒸汽膜階段到沸騰冷卻階段的轉變過程。這一缺點也被稱為水性和油性介質的“特性溫度問題”。用高壓氣淬或者在低溫鹽浴中淬火，就不存在這種問題。(詳細內容可參看本刊2006年第1到6期連載的“分析和控制淬火變形問題的冷卻速度帶法”)
雖然水性和油性介質早就得到普遍應用，但關于它們的冷卻機理，我們還不甚了解。新近的研究發現，在水性與油性介質中淬火冷卻時，對于工件具有等效厚度表面上的一個小區域(簡稱為“表面點”)，其蒸汽膜階段的結束過程與該表面點的溫度值之間并不存在唯一確定的對應關系。實驗觀測到的情況是，在一定的溫度范圍內，同一工件上具有同樣等效厚度的眾多的表面點中，哪個點在什么溫度時從蒸汽膜籠罩狀態轉變到沸騰冷卻狀態，卻是說不準的，也即具有相當大的隨機性。由于現在通用的有關液態介質中淬火冷卻的三階段劃分的理論不能解釋這樣一些現象，我們提出了“液態介質中淬火冷卻的四階段理論”。和現在通用的三階段劃分相比，四階段理論中增加一個“中間階段”。正是由于中間階段的存在，才引起了所謂的特性溫度問題。用四階段理論已經開發了一些技術方法。采用這些技術不僅可以控制中間階段出現的溫度范圍，還可以使工件上任何特定部位在設定的時間范圍內完成其中間階段歷程。把依據四階段理論知識認識工件的淬火冷卻過程，并采用相關的技術方法控制工件冷卻的中間階段的淬火冷卻技術，稱為“精細淬火冷卻技術”。我們希望，通過熱處理行業多方面的參與和從易到難的推廣應用，精細淬火冷卻技術能逐漸趨于完善。今后，精細淬火冷卻技術的應用，將可能克服水性和油性淬火介質的特性溫度問題。在不久的將來，采用油性甚至水性介質淬火的工件，其淬火變形程度很有可能減小到高壓氣淬和低溫鹽浴淬火的水平。(關于四階段理論和精細淬火冷卻技術的詳細內容請參看：《熱處理技術與裝備》刊2006年第6期起，并正在連續發表的10篇文章)。
當前，鍛坯等溫正火已在國內熱處理行業得到推廣應用。和普通空冷正火相比，等溫正火能獲得更加優良和均勻的預備組織。因此，在隨后的淬火或者滲碳淬火中產生的淬火變形更小。等溫正火生產的關鍵工序是鍛坯正火加熱后的前期快冷。前期快冷的要求是在過冷奧氏體發生珠光體轉變之前，把鍛坯的溫度降低到設定的等溫溫度。只有這樣，才能保證鍛坯獲得均勻一致的等溫轉變產物。由于不同工件的鋼種和尺寸大小不同，等溫正火的前期快冷應當有多種冷卻介質可供選用。尺寸較小和淬透性較好的鋼種制造的工件，可以選用冷卻速度較慢的冷卻介質；而尺寸較大和淬透性較差的鋼種制造的工件，則必須選用冷卻速度較快的冷卻介質。當前可供等溫正火前期快冷選用的冷卻介質，按它們的冷卻速度由慢到快的次序排列如下：
普通風冷-快速風冷-勻速冷卻液-油-水性介質-水。
尺寸較大必須用油的場合，為避免產生煙火，可以改用水性介質來代替。
除了鍛坯等溫正火外，滲碳后二次加熱淬火的工件，其滲碳后的冷卻快慢和所得組織的好壞與均勻性，對再次加熱淬火后的工件的內在質量、變形程度和磨削裂紋敏感性等都有著不可忽視的影響。采用相當于等溫正火的方法，也能解決這方面問題。而做好這一工作的關鍵，也同樣是選用適當的前期快冷介質。