三氯水溶液

八、三氯水溶液

三氯水溶液淬火介质是由CaCl₂、MgCl₂、ZnCl₂三种盐配制的溶液，其冷却性能介于水和油之间，其沸点可达300℃，在300～200℃范围内的冷却速度仅为水的1/10～1/8，可有效地控制工件的淬火畸变与开裂，是碳素钢和低合金结构钢较为理想的淬火介质。

1．试验方法与结果

(1)三氯水溶液淬火介质的成分及物理性能。

三氯水溶液淬火介质由CaCl₂、MgCl₂、ZnCl₂三种盐的水溶液配制而成，这几种盐在水中都有很高的溶解度，再加入1%左右的三乙醇胺。该溶液为半透明的略带黄色的黏性液体。室温下测得其密度为2.700g/cm³左右，运动黏度为19.8×10^－6～23.8×10^－6m²/s，沸点300℃以上，温度较低时有结晶析出，当温度高于20℃时，结晶全部回溶。该介质化学性质稳定，不分解，不老化，用酸度计测量其pH值为6.5，呈中性，对环境无污染。

(2)三氯水溶液淬火介质冷却特性试验与结果。

分别用两种试验方法测试介质的冷却能力。

①用自制的冷却速度测试仪测试，测试体材料为紫铜，热电偶焊接在测试体的心部，用补偿导线接在一个小型毫伏温度计上，指示测试体即时温度，用一只精确度为0.1s的秒表计时。测试时，测试体在盐浴炉中加热至800℃，先在水中短时浸泡，除去表面盐渍，然后放入被测介质中，分别测出在650～550℃和300～200℃两个温度区间的冷却时间。所测试的几种淬火介质结果对比如表2－43所示。

表2－43　各种淬火介质在不同温度区间的冷却时间

②用LZ3－204型函数记录仪测量介质的冷却速度。测得冷却速度特性曲线如图2－35所示。

(3)硬度试验结果。

用生产现场螺钉淬火，材料为45钢，尺寸如图2－36所示。用8号铁丝穿左端φ2mm小孔，每挂50个，在盐浴炉中加热至840℃，分别在几种介质中淬火，结果见表2－44。

图2－36　螺钉示意图

图2－35　几种淬火介质的冷却速度特性曲线

1．5% NaCl溶液，20℃　2．三氯水溶液，20℃　3．三硝盐浴，170℃　4．N32机油

表2－44　45钢螺钉在不同淬火介质中淬火后的硬度

注:表中数据是从每挂中的不同部位取10个螺钉，每个螺钉测3次硬度的平均值。有淬火裂纹者，未测试硬度。

(4)淬火畸变与开裂试验及结果。

①图2－37为淬火畸变试样，材料为T10A钢，盐浴炉加热(800±10)℃×5min，在不同淬火介质中冷却，然后立即测量开口处尺寸，比较淬火前后的尺寸，即得到畸变量。开口处尺寸增大用“+”，尺寸减少用“－”。结果如表2－45所示。

图2－37　测试淬火畸变试样

表2－45　试样在不同淬火介质中的淬火畸变量

注:淬火介质温度均为30℃。

②用图2－36所示螺钉各100个，铁丝串成两挂，每挂50个。淬火加热温度840℃，分别在30℃自来水中和三氯水溶液中淬火，然后对所有螺钉进行磁力探伤。结果在自来水中淬火的一组中有41个出现裂纹，全部是贯穿的纵向裂纹，而在三氯水溶液中淬火的一组则无一出现裂纹，硬度如表2－44所示。

(5)结果分析。

从试验数据分析可知，三氯水溶液淬火介质的冷却性能介于水与油之间，其最大冷速在600℃左右，达1000℃/s以上，而在300～200℃之间的平均冷速仅40～50℃/s，接近于油的冷却速度。在高温转变区(650～550℃)，此介质已进入泡状沸腾阶段，因而与一般无机盐水介质的冷却速度是一致的;而在低温转变区(300～200℃)，由于介质沸点达到300℃，因此，在工件表面早就结束了沸腾，而进入传热速度慢的对流传热阶段，尽管这时工件内部仍有较高温度。一般水溶性介质的沸点在100～140℃，如饱和三硝水溶液的沸点在140℃以下，因此，在工件淬火冷却至300～200℃时，大部分仍处于冷却较快的泡状沸腾传热阶段。另外，三氯水溶液淬火介质黏度大，如30℃时水的运动黏度0.8007×10^－6 m²/s，而60℃时三氯水溶介质运动黏度可达25×10^－6m²/s。在对流传热阶段，液体黏度大，传热速度慢，因此，三氯水溶液介质在低温转变区的冷却速度很小。在不同介质中的淬火畸变比较试验中，冷却速度较快的三氯水溶液中的畸变比在有机溶液中的畸变还小，可以这样解释这一现象，淬火畸变是冷却过程中热应力和组织应力的综合结果，而这两种应力方向相反，所以，造成的应力部分相互抵消。虽然三氯水溶液在高温转变阶段冷却速度大，使工件产生的热应力也大，而其在低温转变阶段冷却速度比油和有机水溶液的冷却速度大，其组织应力也大，因此，热应力和组织应力部分抵消，从而表现出较小的畸变。而有机水溶液在高温冷却阶段形成稳定的蒸汽膜层，冷却速度较慢，形成较小的热应力，最后畸变主要是低温转变阶段产生的组织应力，所以畸变较大。

2．生产应用

三氯水溶液用于生产中，作为碳钢、合金结构钢、低合金工具钢及渗碳钢的淬火介质，均收到较好的效果。如图2－36所示45钢的螺钉，原来在自来水中淬火，出现大量裂纹，有时高达40%以上，损失很大。主要因为该类螺钉(直径φ8～φ12mm)处于所谓淬火危险尺寸(φ8～φ12mm)范围内，极易产生淬火裂纹。而用三氯水溶液淬火之后，极少出现裂纹。类似的产品还有螺帽、油管接头等。

图2－38　支持杠杆

图2－38所示为油泵中的支持杠杆，材料为40Cr钢，要求硬度HRC46～53，在油中淬火，硬度不均匀，少数硬度偏低，清洗麻烦。而在水中或三硝水溶液中淬火，又常出现裂纹，改用三氯水溶液淬火后硬度均匀，为HRC58～60，无裂纹，畸变量为0.05mm，无须清洗。用三氯介质淬火的零件还有滚轮体，材料为20Cr钢，渗碳后淬火;内、外滚轮，材料为GCr15钢，硬度达到HRC58～63;弹性挡圈，材料为65Mn钢，硬度HRA69～74。

3．结论

三氯水溶液淬火介质冷却特性介于水与油之间，通过试验和生产应用，完全满足使用要求。而且原料简单，价格便宜，成分稳定，无污染，易于管理控制。在使用中消耗的液体以同样成分配比的液体添加即可。溶液中的三乙醇胺也可不加，加入三乙醇胺主要用于工件防锈。因溶液中ZnCl₂在高温下能清除工件表面氧化物，淬火的表面呈银白色本色，而加入三乙醇胺则在表面产生一层灰色的防锈膜，可以保持一周内不生锈。如果淬火后需立即电镀等表面处理，可以不加三乙醇胺。