42CrMo4 mod 16MnCr5 20MoCr4 15CrNi6
芯部硬度
> 57 HRC > 64 HRC > 64 HRC > 54 HRC > 54 HRC > 300 HV > 300 HV > 300 HV
冷却率(800 500°C) [°C/s]
3.5 4.8
5.6
60.0 3.8 15.0 23.0 4.0
气体淬火类似于熔液盐淬火，其中熔液盐淬火是纯粹的对流类型单相淬火。这意味着，气体种类， 气体密度（气压）以及气流速度是决定性的因素（图3和图4）。由于气压和气流速度可能出现变化，有 时甚至气体类型和气体淬火系统在淬火强度（其优点是能够适应每个负载的必要淬火强度）方面都有很 大的灵活性。
油淬火范围
传热系数
气体淬火是纯粹的单相淬火，属于对流型淬火。气体类型，气体压力和气流速度是这一淬火过程的 主要因素。气体淬火系统装备有强力风机，能够以典型的方式注入高达20巴的正压气体，并由冷却水通 过热交换器快速地将淬火气体的热量带走。其中最常见的淬火介质是高压氮气。
高淬透性合金需采用高压气淬工艺。其中所使用的典型材料种类的牌号包括：8620、5120、4118、 17CrNiMo6、9310、 3310、 8822H、 4822 和 8630。低淬透性合金，如普通碳素钢（能轻易地渗碳和 油淬）通过气体淬火工艺不能被硬化，因为冷却速率太慢，这些碳素钢不能正确地转化。即使使用高淬 透性的材料，我们必须考虑芯部硬度，因为气体淬火工艺会获得较低的芯部硬度（相对于使用油淬工艺 的）。
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Aymeric Goldsteinas/第 20 届国际热处理及表面工程联合会
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现代高压气淬技术
Aymeric Goldsteinas* 易普森有限公司，地址： 984 Ipsen Road, Cherry Valley, Illinois USA
摘要
透彻地分析了淬火工艺的选择对决定哪种工艺最能满足一个项目需求是至关重要的。本文探索了， 在满足热处理工艺要求的条件下，液体淬火工艺与气体淬火工艺的差异。同时，本文也论及了在防止变 形和提供更可持续及更长久的工艺方面，气体淬火比液体淬火具有更大的好处。
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很明显，即使高压气体淬火有最高的冷却率（每秒接近50摄氏度），气体淬火的峰值甚至不会接近
于核沸腾相中油冷却率的峰值，其中最大值可达每秒100摄氏度甚至150摄氏度。由于这些核沸腾中的高
冷却速率发生在重要的钢淬火阶段（展示于CCT图中铁素体和珠光体突出端的位置），在低淬透性钢的
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气体 油
温度
对流相
对流相
时间
图2：油淬火的3个冷却阶段 这些冷却阶段可能不会同时出现在所有的点上。在油淬火过程中，核沸腾阶段，能够得到非常高的
瞬时传热系数。在珠光体会发生转变的温度范围内，这一优点为油淬火独有（气体淬火不具备该优 点）。汽相在沸腾开始时气膜破坏，但是，这时会发生所谓的莱顿弗罗斯特现象。这一现象的结果就是 在零件的不同部位的表面上传热速率不均匀，这也取决于一系列的变量和因素。这种不均衡的过渡性步 骤产生了巨大的温差，也是在使用这些介质进行淬火时导致变形的主要因素。 4. 气体淬火
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淬火油
水基聚合物淬火液
熔盐
高压气体淬火
2. 液体淬火
在液体中淬火时涉及以下三个阶段：
蒸汽层或薄膜沸腾，其中一层汽化液体膜阻止了该液体接触和冷却该表面（导致低对流换热）。
核沸腾，其中液体在零件表面蒸发，具有非常高的热交换。淬火介质的沸点决定了该阶段。
从已知的CCT图标中可以确定所需的冷却速度，但问题是为达到这些工件心部的指定冷却速率，该 已知直径的工件的必要传热系数是什么。
为给定的问题或各自的近似公式求解热传导方程，可以估计出必要的换热系数。该估计结果见表2.
表 2：物料需求，冷却速率以及 α-值的相关性
钢种
55NiCrMoV6 X210Cr12 90MnV8 42CrMo4
油淬火工艺中会产生一个纯粹的马氏体结构，而在高压气淬条件下，该淬火工艺会产生一个含有珠光体
和铁素体的显微组织。这就是 两个淬火系统尽管平均冷却速率是相当的，但淬火结果差异很大。
因此，在预测淬火钢部件的硬度和组织方面，气体淬火工艺存在着相当大的不确定性。
利用珠光体和铁素体形成区（即800和500摄氏度）的必要冷却速率，易普森开发了一套方法预测气 淬后的硬度及显微组织。如果，在淬火过程中必要冷却速度已达到或超过了能够避免珠光体和铁素体形 成的冷却速率，那么，可以肯定的是达到了预期淬火效果。
温度℃
冷却油 冷却室内气体介质淬火
冷却速度 图5：高压气体淬火与冷油淬火的冷却率比较
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5. 油淬火和气体淬火的冷速比较
对于油淬火，在沸腾阶段的油冷却率的峰值为每秒80摄氏度，发生在钢淬火阶段以避免铁素体和珠 光体的形成。气体淬火在高温条件下的淬火速度有限（珠光体相变），在低温条件下的淬火速度快（马 氏体相变）。
在气体淬火过程中， 一般的换热现象是：对流。这会导致出现较低的换热系数，相对于某一汽化液 体如油，但冷却会更均匀，因为所有部件是在同一时间以大致相同的速率冷却的。同时，对流也会降低 部件的变形。
巴
巴
巴
图3：氮传热系数与气流速度和气压
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完成这一处理过程的关键是从金属部件部件表面将热量均匀地带走。图 1 所示的连续冷却曲线描述 了铁合金的冷却速率。
奥氏体
共析温度 珠光体
珠光体+贝氏体
奥氏体
贝氏体
温度
温度
马氏体和奥氏体 马氏体
马氏体和贝氏体 精细珠光体
时间（秒）
图1 ：铁合金的连续冷却曲线 在工业实际操作中，使用了各种不同的淬火介质，主要包括： 水
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传热系数
巴
巴
巴
巴
巴
图 4：在不同压力下，氮和氦的传热系数
人们常说，气体淬火的强度可以调整到与液体淬火相类似的冷却速率。可从表1中看出，在整个100 摄氏度到900摄氏度淬火冷却过程中，平均换热系数在大气体流量的满负载可与液体淬火有当。因此，在 从头至尾观察整体冷却率时，在10巴的压力下进行氮气淬火（气流速度是每秒10米）可比作是在熔盐浴 中的全 载荷淬火。然而 ， 搅拌 的 优质快速油的平 均冷却率 与氢气淬火（压 强为 40巴） 的平均冷却率相 同。
> 2,000 600 1,500
> 2,000 400
了解所需换热系数以达到由给定材料构成的工件心部的所需冷却率，会引出这样一个问题，在什么 样的淬火条件下哪种淬火系统能够达到所需的传热系数值（图6）。
从理论上来讲，是有办法计算出淬火系统中的气体流量，以及工件中换热和温度的。但从实际情况 来看，这又非常难，因为边界条件经常不明确。
1. 现代淬火技术
对铁基合金，即将其加热到临界温度（Ac3）以上的温度。因此，该金属完全处于奥氏体相状态。该 合金由一个淬火流体或淬火气体快速冷却，以转变成较硬的马氏体相。这就要求冷却速度要足够快，以 最大限度地避免贝氏体和珠光体相的形成，因为贝氏体和珠光体要比马氏体相软，对钢的物理性能将产 生负面影响。