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熱處理技術
液態淬火介質共性缺點
發表時間:2016/3/3  點擊:544

在研究自來水作為淬火介質的兩大缺點的文章中,附帶提出了液態淬火介質具有兩個共性的缺點。 缺點之一是:任何一種確定的液態淬火介質,都只有相當有限的適用范圍,用于要求更高冷卻速度的工件,將淬不硬;用于要求更低冷卻速度的工件,又會淬裂。缺點之二是: 當淬火工件從高于介質的特性溫度冷卻下來時,往往在工件的局部區域發生冷卻速度突變,因此引起很大的內應力,從而可能造成超差的淬火變形。本文將全面討論液態淬火介質這兩個共性的缺點,而重點是介紹克服第一類缺點的各種措施。  
一 關于第一個缺點  
自來水和N32#機油的冷速曲線對比 
某些工件“油淬不硬,水淬要裂”曾經是困擾熱處理生產的一個難題。究其原因,普通機油和自來水都只有有限的適用范圍。從冷卻速度分布情況看,在自來水和普通機油之間有一個相當寬的空白地帶,如圖1所示。以填補這一空白為目標,通過幾十年的工作,研究開發了多種油性和水性介質,基本上填補了水和普通機油之間的空白。到現在,常用的淬火介質,按冷卻速度由慢到快的次序排列:使用溫度較高的等溫分級淬火油(熱油)、普通機油、使用溫度較低的等溫分級淬火油(半熱油)、中快速淬火油、快速淬火油,隨后是高濃度的PAG淬火液、中濃度的PAG淬火液、低濃度的PAG淬火液,自來水、低濃度鹽(或者堿)水等。它們都有各自的優缺點和各自的適用范圍。一種淬火油是一種確定的淬火介質。同種水性淬火劑,配成不同的濃度,就是不同的淬火介質。填補自來水和普通機油之間的空白,需要這么多種不同的淬火介質!這是液態介質共性的第一個缺點所決定的。當今的高壓氣淬,選定一種適當的氣體,通過改變氣壓,就可以獲得從靜止空冷到中等快速淬火油的不同冷卻效果。相比之下,液態介質的這個缺點也實在太嚴重了。 
二 克服第一類共性缺點的措施 
由于清水的適用范圍很有限,從古至今,人們不得不去尋找各式各樣的淬火介質,并摸索出多種巧妙的淬火技術,來滿足不同工件的熱處理要求。這方面的工作,大致可以歸納成以下幾類。 
1 尋找或者研究開發多種不同適用范圍的淬火介質,來滿足不同的需要。
這才有我們現在可以選用的多種淬火介質品種。 
2 選擇適用范圍盡可能寬的淬火介質品種,而不是選擇適用范圍很窄的和特別專用的淬火介質。
影響淬火介質使用范圍寬窄的因素,包括介質的冷卻特性對液溫的敏感性、對相對流速的敏感性、介質的使用溫度范圍寬窄,以及介質的粘度對液溫的敏感性等。 
一般說,冷卻特性對液溫的敏感性越大,介質的適用范圍越窄。相反,冷卻特性對液溫的敏感性越小,介質的適用范圍就越寬。這是因為,多個工件同時淬火時,位于不同部位的工件,以及同一工件的不同部位,接觸的液溫是不相同的。于是,液溫對介質冷卻特性的影響越大,淬火后工件的性能均勻性就會越差。按這一規律,鹽(或者堿)水溶液的適用范圍就比自來水要寬。而淬火油的適用范圍比相同冷卻速度范圍的水溶性介質要寬。 
相對流速對冷卻特性的影響越大,介質的適用范圍就越窄。相反,相對流速對冷卻特性的影響越小,介質的適用范圍就越寬。這是因為,同時淬火時,位于不同部位的工件,以及同一工件的不同部位,與之接觸的介質的相對流速是不相同的。于是,相對流速對介質冷卻特性的影響越大,淬火后工件的性能均勻性就會越差。一般說,淬火油的冷卻特性對相對流速的敏感性較小,而自來水的敏感性較大。PAG淬火液主要靠粘附在工件表明的聚合物膜來控制工件冷卻速度,只要相對流速控制在不會沖掉那層聚合物膜的程度,流速大小對冷卻特性的影響就會比自來水要小。 
介質的使用溫度范圍寬是我們所希望的。使用范圍寬的介質,可以在更廣的范圍使用,來滿足不同工件的熱處理要求。自來水的使用范圍窄。淬火油的使用范圍相對較寬。對于PAG淬火介質,濁點太低的品種使用的溫度范圍就很窄,而濁點相對較高的品種使用的溫度范圍就較寬。 
當外力使液體發生流動時,其內部分子之間會產生一定的阻力來妨礙這種流動。這種阻力的大小就是液體的粘度。粘度是表征潤滑油的流動性的主要指標。在其它條件相同時,粘度不同,液體的流動情況不同。流動情況不同,會進而影響工件獲得的冷卻效果。尤其是在工件形狀較復雜,或者多個工件同時淬火時,冷卻效果的差別會更大些。介質的粘度越高,其實際的冷卻能力就越差;相反,介質的粘度越低,其實際的冷卻能力就越強。因為這一原因,在我們憑冷卻特性曲線比較不同油品的冷卻能力時,也應同時考慮到油的粘度的影響。 
3 改進已有介質,以擴展它們的適用范圍。
比如,純凈水的適用范圍窄。水中溶解適量的鹽或者堿,配成鹽水或堿水后,可以擴大水的使用溫度上限和下限;而且可以獲得更快的高溫冷卻速度和濃度較高時稍慢的低溫冷卻速度。 
4 開發適用范圍更寬的液態淬火介質。
在關于液態淬火介質的選擇方法的文章中,已經得出了這樣的結論“對于淬火用油,一般說,蒸汽膜階段越短,冷卻速度越快,適用的工件和鋼種就越多。對于水溶性介質,在保持蒸汽膜階段較短的前提下,介質的300℃冷卻速度越低,適用的工件和鋼種也就越多”。幾年前有人宣傳介紹過的“多級淬火油”,說是能“在低溫時是快速淬火油,提高溫度使用又是熱油”的油品。無疑,其出發點是對的。可能是沒有考慮到油溫改變對油的粘度的影響,實際使用中,大多得不到預期的效果。 
5 在一個車間配備多種不同適用范圍的淬火介質,以滿足不同工件的需要。
比如,配備3~5種淬火油和2、3種不同濃度的水性淬火介質。又如,有些網帶爐,通過配備可互換的兩個淬火槽,一個裝快速淬火油,一個裝水性淬火介質,從而大大增加了該爐型的處理工件的范圍。就是這方面的例子。 
6 配合使用液態以外的淬火冷卻介質,或者多種物態混和成的淬火介質,來獲得不同的冷卻特性。
比如,流態爐淬火冷卻、噴霧淬火和漿狀介質淬火冷卻等。 
7 調節液溫和相對流速,以擴大液態介質的適用范圍。
在介質品種和濃度不變的情況下,現場熱處理工作者還可以通過調節液溫和相對流速來擴大介質的適用范圍。在上文已經討論了這些因素的影響規律。下面再介紹一種叫做擺停結合的淬火方法,用了說明調節工藝參數在熱處理生產中的作用。
擺停結合技術得到不同冷速曲線的示意圖 
汽車板簧通常用淬火機淬火。為了提高淬火冷卻速度和改善冷卻的均勻性,淬火機可以夾持著工件在淬火液中來回擺動。利用板簧淬火機的擺動功能,我們在板簧廠推廣過一種叫做“擺停結合技術”的淬火方法。雖然使用的是同一的淬火介質,通過調節擺動次數,可以獲得完全不同的淬火冷卻效果。圖2是擺停結合調節冷卻速度的示意圖。如果以不同的冷卻速度曲線代表不同的淬火介質,擺停結合技術就把一種介質變成了幾種不同冷卻速度的多種介質。這無疑是擴大液態淬火介質適用范圍的一種有效方法。 
上世紀90年代中,某汽車板簧廠在普通機油中淬材質為60CrMnBA,中間最大厚度17mm,兩端最薄處7.5mm的載重汽車變截面板簧時,曾經發生過不少淬裂問題。也就在那段時間,在成都飛力彈簧廠的板簧生產線上,用15%PAG水溶液卻又成功地處理了同樣的變截面板簧,淬、回火硬度以及金相組織全部合格,經嚴格探傷檢查都未發現任何淬火裂紋。  
普通機油與15%今禹8-20的冷速對比
普通機油靜止、攪動的冷速對比 
15%今禹8-20不攪動與普通機油攪動的冷速曲線對比  
是普通機油和所用15%的今禹8-20的冷卻特性對比。僅憑冷卻速度曲線,熱處理行家也難以相信上述結果的。實際上,上述變截面板簧在普通機油中做淬火冷卻時,所用淬火機一直在不停地擺動。而在上述PAG水溶液中淬火時,淬火機卻始終保持在停止不動的狀態。圖4是上述普通機油中探棒靜止不動,以及始終擺動狀態下測出的兩條冷卻速度曲線。可以看出,擺動可以加快冷卻效果。再把靜止狀態檢測出的15%PAG淬火液的冷卻速度曲線與擺動狀態測出的普通機油的冷卻速度曲線畫在同一張圖上,容易發現,擺動中普通機油的低溫冷卻速度比靜止的15%今禹8-20水溶液的要快。這是在普通機油中淬裂而在冷卻速度更快的水溶液中未淬裂的原因。 
8 采用雙(或者多)介質淬火等操作方法來解決特定的熱處理問題。
水淬-油冷是最普通的例子。這類方法的思路是在工件的不同溫度范圍使用不同的淬火介質。高溫階段水冷卻快,有利于防止過冷奧氏體發生珠光體轉變,因此選擇水來加以冷卻。低溫階段油的冷卻烈度比較緩和,能夠防止工件發生淬火開裂,因此選擇油來加以冷卻。按照這種思路,高溫階段還可以選擇PAG水溶液、鹽水或者堿水等等。低溫階段可以選擇快速淬火油、PAG水溶液、低溫鹽浴、漿狀介質、風冷以及靜止空冷等等。不同的搭配,就有不同的適用范圍。圖6是采用水淬-油冷,以及采用水淬-漿狀介質冷卻方法獲得的冷卻特性曲線圖。雙介質淬火中,水淬-油冷的難點有兩個,一是工件從前一種介質向后一種介質的轉移時間,另一個是轉移操作。(a)和(b)的對比中,可以看出,由于漿狀介質具有適當快的低溫冷卻速度,水淬-漿狀介質冷卻對轉移時間的要求不那么苛刻。一般說,只要能解決好這一轉移過程的操作和時間控制問題,雙介質淬火法就可能在大生產中得到推廣應用。分級淬火、間斷淬火等方法,實質上也屬于多介質淬火方法。 
雙液淬火的冷卻速度曲線 
a)水-普通機油b)水-漿狀介質 
三 關于液態淬火介質的第二個共性缺點 
160℃硝鹽浴與今禹Y15-II淬火油的冷速曲線對比 
是某廠使用的一種快速淬火油與160℃低溫鹽浴的冷卻特性對比。淬火油的冷卻速度相當快:到300℃的時間11.2秒,300℃的冷卻速度18℃/S。在淬火冷卻的所有溫度范圍,160℃的低溫鹽浴的冷卻速度都高于該快速淬火油。生產應用證明,多數工件在上述160℃低溫鹽浴中淬火后,變形程度比在上述快速油中淬火要小。在熱處理行業,至今還有這樣的說法:“淬火介質的冷卻速度越快,工件的淬火變形就越大”。顯然,上述生產實踐與這種說法是不一致的。在上述快速淬火油中淬火變形更大的原因,是工件在淬火冷卻過程中遇到了特性溫度問題;而低溫鹽浴的特性溫度高于工件的加熱溫度,冷卻過程中就沒有特性溫度問題。 
在淬火冷卻過程中,放在不同位置的工件,以及同一工件的不同部位,因為冷卻條件不同,會在不同時間遭遇特性溫度麻煩,結果由此引起的淬火變形量就具有很大的分散性。這是特性溫度問題引起的淬火變形的一個重要特點。是一種齒輪在220℃低溫鹽浴和120℃熱油中淬火后的淬火變形情況對比。和鹽浴淬火相比,熱油淬火的變形程度大而且特別分散。除了引起淬火變形之外,包含特性溫度問題的淬火冷卻,還常常因為蒸汽膜階段的冷卻速度慢,而引起工件的淬火硬度不均。
100℃油浴與220℃鹽浴的變形情況 
凡是工件的入液溫度高于介質的特性溫度,而冷卻的終止溫度又低于介質的特性溫度的淬火冷卻過程,都會遇到特性溫度問題。自來水的特性溫度隨著水溫升高而迅速降低,會使工件上接觸不同水溫的部分遇到不同的特性溫度問題。所以,在自來水中淬火,常常出現硬度不均和大的淬火變形。淬火油的特性溫度比較穩定,即油溫變化對油的蒸汽膜階段的長短影響很小。因此,工件在油中淬火時,特性溫度問題較小。  
在最近發表的文章中,對液態淬火介質的特性溫度問題已做了詳細討論,并指出了熱處理生產中避開、克服或者減輕這一缺點的7種原則方法,可供參考。 
四 淬火介質的研究開發歷程就是克服這兩個共性缺點的過程 
雖然液態淬火介質都具有共性的兩個缺點,在熱處理生產中,過去使用,現在使用,將來還要大量使用它們。回顧中外冶金史,從尋找合適的淬火介質、研究開發新的淬火介質品種、創造新的淬火方法、采用各種工裝具和相關設備等等,所有這些工作都與液態淬火介質共性的兩個缺點密切相關。過去的多數工作,重點在克服液態介質的第一個缺點上。這是因為過去對熱處理質量要求不很高,尤其是在淬火變形上。現在和將來的熱處理,對工件的淬火變形提出了越來越高的要求。因此,我們認為,研究液態淬火介質的特性溫度問題,開發和使用特性溫度問題比較小的淬火介質,發展能減輕特性溫度問題的不利影響的使用技術等工作,應當成為現在和今后一定時期的一項重要課題。 
自來水是既清潔又廉價的冷卻介質。任何場合,只要自來水能滿足熱處理要求,恐怕就不會再有人去尋找其他的冷卻介質。按這個道理,一種新型的液態淬火介質是否能得到推廣應用,關鍵是看它能否克服自來水的至少一個缺點。否則,就不如用自來水了。由此,有理由說,“能同時克服自來水的兩大缺點,又有更寬的適用范圍的新型淬火介質及其相關的配套技術”,是我們今后冷卻技術研究開發工作共同的努力目標。
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