新型淬火劑的應(yīng)用

王晨

（西北礦冶研究院釬具研發(fā)生產(chǎn)中心，甘肅白銀730900）

0 前言

我國(guó)釬鋼釬具行業(yè)上世紀(jì)60年代、70年代的熱處理生產(chǎn)技術(shù)沒有明顯的進(jìn)步。80年代后期，引進(jìn)了先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備，國(guó)內(nèi)一些大型骨干企業(yè)的熱處理技術(shù)有了明顯的改觀。在釬具熱處理過程中，冷卻技術(shù)與裝備是釬鋼釬具行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一，淬火介質(zhì)是生產(chǎn)中使用最多的工藝材料，直接影響零件淬火后的性能、崎變量等。隨著行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)越來(lái)越多使用具有較高的熱穩(wěn)定性、冷速快、低揮發(fā)性和環(huán)保的冷卻淬火介質(zhì)。但大部分企業(yè)采用普通水槽或油槽進(jìn)行淬火，加快對(duì)淬火液與冷卻技術(shù)裝備的研究和改進(jìn)，提升淬火冷卻技術(shù)是目前行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。我院目前制造的中大直徑柱齒鉆頭與潛孔鉆頭直徑均超過90mm，材質(zhì)為42CrMo與XGQ25，使用普通機(jī)械油與普通水套淬火槽，淬透性差，硬度不均勻，硬化層較淺，鉆頭體表面軟點(diǎn)較多。為了獲得介于水油之間的冷卻特性以及鉆頭體相應(yīng)的硬化深度與硬度均勻性和較小的淬火變形，采用礦物油基專用淬火劑、專用淬火槽對(duì)大直徑鉆頭的熱處理質(zhì)量提升很有意義。

1 冷卻機(jī)理

淬火冷卻可分為三個(gè)階段：（1）“汽膜沸騰期”；（2）“汽泡沸騰期”；（3）“對(duì)流傳熱期”。下面對(duì)這三個(gè)階段分別論述。

水的沸點(diǎn)遠(yuǎn)比釬桿的加熱溫度低，所以釬桿淬火后迅速使其周圍的淬火液體引起物態(tài)變化。工件大量釋放的熱量使周圍的液體迅速汽化并形成一層蒸汽膜包圍住工件，使工件與周圍的淬火介質(zhì)隔開，而此時(shí)熱量的逸出僅靠工件表面的熱量通過蒸汽膜向周圍淬火介質(zhì)輻射或?qū)α鱾鳠帷Ｓ捎谠撦椛溥h(yuǎn)大于周圍介質(zhì)從蒸氣膜中取走的熱量，因此，與工件相接觸的液體不斷被汽化，蒸氣膜的厚度不斷增加。蒸汽膜是熱的不良導(dǎo)體，其冷卻速度緩慢，在20℃靜水中冷卻時(shí)冷速為200℃/S，這一階段稱為“蒸汽膜形成階段”又稱為“汽膜沸騰期”。汽膜的性質(zhì)和厚度決定了這一階段的冷速。此階段可以通過水相對(duì)于工件表面的流動(dòng)（攪動(dòng)），加大水的壓力，降低水的溫度，均使汽膜變薄，冷速加快。

當(dāng)?shù)侥硶r(shí)間后工件表面穿過蒸汽膜輻射到周圍介質(zhì)中的熱量小于周圍介質(zhì)的汽化熱時(shí)，蒸汽膜的厚度逐漸減小，最后導(dǎo)致破裂。蒸汽膜破裂的極限溫度稱之為“特性溫度”。在20℃靜水中該溫度為400℃。在這溫度以下介質(zhì)與工件表面不斷直接接觸，水不斷吸收工件表面熱量而汽化沸騰，將工件的熱量帶走，此階段稱為“汽泡沸騰期”。此階段的冷速與介質(zhì)的汽化熱關(guān)系很大，此階段水冷速可達(dá)780℃/s，這個(gè)過程一直進(jìn)行到水的沸點(diǎn)附近。此階段內(nèi)的冷速與一系列的物理因素有關(guān)。如水的蒸發(fā)潛熱、汽泡數(shù)量、汽泡上升速度、介質(zhì)表面張力等。

當(dāng)工件表面溫度已降到淬火介質(zhì)的沸點(diǎn)以下時(shí)，工件的冷卻主要靠介質(zhì)的傳導(dǎo)與對(duì)流，工件的冷速又減慢，這時(shí)稱為“對(duì)流傳熱階段”。

2 大直徑鉆頭淬火用介質(zhì)的優(yōu)化選擇

2.1 水與普通N32#機(jī)械油的淬火缺陷

任何一種確定的液態(tài)淬火介質(zhì)，都只有相當(dāng)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(huì)淬裂。當(dāng)淬火工件從高于介質(zhì)的特性溫度冷卻下來(lái)時(shí)，往往在工件的局部區(qū)域發(fā)生冷卻速度突變，因此引起很大的內(nèi)應(yīng)力，從而可能造成超差的淬火變形與組織缺陷。

大直徑鉆頭“油淬不硬，水淬要裂”，曾經(jīng)是困擾我院熱處理生產(chǎn)的一個(gè)難題。究其原因，普通機(jī)油和自來(lái)水各自存在有限的適用范圍。從冷卻速度分布情況看，在自來(lái)水和普通機(jī)油之間有一個(gè)相當(dāng)寬的空白地帶，如圖1所示。目前，常用淬火介質(zhì)，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(jí)淬火油（熱油）、普通機(jī)油、使用溫度較低的等溫分級(jí)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(lái)水、低濃度鹽（或者堿）水等。它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍。同種水性淬火劑，配成不同的濃度，就是不同的淬火介質(zhì)。

2.2 選擇適用范圍盡可能寬的淬火介質(zhì)品種

影響淬火介質(zhì)使用范圍寬窄的因素，包括介質(zhì)的冷卻特性對(duì)液溫的敏感性、對(duì)相對(duì)流速的敏感性、介質(zhì)的使用溫度范圍寬窄，以及介質(zhì)的粘度對(duì)液溫的敏感性等。

圖1 N32#機(jī)械油與水冷卻對(duì)比

一般說(shuō)，冷卻特性對(duì)液溫的敏感性越大，介質(zhì)的適用范圍越窄。這是因?yàn)?，多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，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(duì)介質(zhì)冷卻特性的影響越大，淬火后工件的性能均勻性就越差。按這一規(guī)律，鹽（或者堿）水溶液的適用范圍就比自來(lái)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(zhì)要寬。我院選用的KR118淬火油具有這一特性。

相對(duì)流速對(duì)冷卻特性的影響越大，介質(zhì)的適用范圍就越窄。這是因?yàn)椋瑫r(shí)淬火時(shí)，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(zhì)的相對(duì)流速是不相同的。于是相對(duì)流速對(duì)介質(zhì)冷卻特性的影響越大，淬火后工件的性能均勻性就越差。一般說(shuō)，淬火油的冷卻特性對(duì)相對(duì)流速的敏感性較小，而自來(lái)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(lái)控制工件冷卻速度，只要相對(duì)流速控制在不會(huì)沖掉那層聚合物膜的程度，流速大小對(duì)冷卻特性的影響就比自來(lái)水要小。

介質(zhì)的使用溫度范圍寬是我們所希望的。使用范圍寬的介質(zhì)，可以在更廣的范圍使用，來(lái)滿足不同工件的熱處理要求。自來(lái)水的使用范圍窄。KR118淬火油的使用范圍相對(duì)較寬。

當(dāng)外力使液體發(fā)生流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部分子之間會(huì)產(chǎn)生一定的阻力來(lái)妨礙這種流動(dòng)。這種阻力的大小就是液體的粘度。粘度是表征潤(rùn)滑油的流動(dòng)性的主要指標(biāo)。在其它條件相同時(shí)，粘度不同，液體的流動(dòng)情況不同。流動(dòng)的情況，影響工件的冷卻效果。尤其是在工件形狀較復(fù)雜，或者多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，冷卻效果的差別會(huì)更大些。介質(zhì)的粘度越高，其實(shí)際的冷卻能力越差。憑借冷卻特性曲線比較不同油品的冷卻能力時(shí)，也應(yīng)同時(shí)考慮到油的粘度影響。

結(jié)合我院熱處理實(shí)際情況，通過N32#機(jī)械油與KR118快速淬火油性能檢測(cè)分析對(duì)比（見表1）。我廠小批量購(gòu)進(jìn)KR118快速淬火油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)90mm、100mm、115mm低、高壓潛孔鉆頭進(jìn)行了淬火工藝對(duì)比測(cè)試（見表2）。

實(shí)驗(yàn)中，大直徑鉆頭采用普通淬火油，出現(xiàn)軟點(diǎn)、硬度偏低、硬化層深度不足等問題。表面硬度偏差度HRC5.4-6。而采用KR118快速淬火油可獲得高而均勻的表面硬度和足夠的硬化層深度。表面硬度偏差度HRC0.8-1.3。

3 通過調(diào)節(jié)液溫和相對(duì)流速，以發(fā)揮介質(zhì)的淬火冷卻性能

在介質(zhì)品種和濃度不變的情況下，現(xiàn)場(chǎng)熱處理通過調(diào)節(jié)液溫和相對(duì)流速來(lái)擴(kuò)大介質(zhì)的適用范圍。從而發(fā)揮介質(zhì)的淬火冷卻性能。

圖2 N32#機(jī)械油與KR118快速淬火油冷卻對(duì)比

表1 KR118快速淬火油與N32#機(jī)械油技術(shù)性能對(duì)比

表2

下面就我院多年來(lái)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，采用擺停結(jié)合的淬火方法，說(shuō)明調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在熱處理生產(chǎn)中的作用。

從圖3可以看出雖然使用的是同一的淬火介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)天車擺動(dòng)次數(shù)，可以獲得完全不同的淬火冷卻效果。如果以不同的冷卻速度曲線代表不同的淬火介質(zhì)，擺停結(jié)合技術(shù)就把一種介質(zhì)變成了幾種不同冷卻速度的多種介質(zhì)。這擴(kuò)大了液態(tài)淬火介質(zhì)適用范圍。

圖3 擺停結(jié)合技術(shù)得到不同冷速曲線

圖4是上述普通機(jī)油中鉆頭靜止不動(dòng)，以及始終擺動(dòng)狀態(tài)下測(cè)出的兩條冷卻速度曲線?？梢钥闯?，擺動(dòng)可加快冷卻。把靜止?fàn)顟B(tài)檢測(cè)出的KR118淬火液的冷卻速度曲線與擺動(dòng)狀態(tài)測(cè)出的普通機(jī)油的冷卻速度曲線畫在同一張圖上，如圖5，容易發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)中普通機(jī)油的低溫冷卻速度比靜止的KR118淬火液的要快。這是在普通機(jī)油中淬裂而在冷卻速度更快的水溶液中不淬裂的原因。

在淬火冷卻過程中，淬火烈度對(duì)工件的淬火結(jié)果影響很大，它一方面是淬火介質(zhì)的固有屬性，不受零件的尺寸和材料的淬透性影響，另一方面它取決于淬火槽的冷卻能力，與槽內(nèi)介質(zhì)的流速和方向有關(guān)。淬火時(shí)工件周邊介質(zhì)的流速不同其換熱系數(shù)不同，從而對(duì)工件的冷卻能力不同。隨著介質(zhì)流速的提高其冷卻速率最大值與換熱系數(shù)最大值均升高，且兩者升高的趨勢(shì)相近。淬火工作所處流場(chǎng)均勻程度與工件冷卻均勻性密切相關(guān)。因此我們?cè)诖慊鸩墼O(shè)置攪拌裝置，增加介質(zhì)流速，設(shè)置水套以調(diào)節(jié)淬火液溫度，從而發(fā)揮介質(zhì)的淬火冷卻性能。

圖4 普通機(jī)油靜止、攪動(dòng)的冷速對(duì)比

圖5 KR118不攪動(dòng)與普通機(jī)油攪動(dòng)的冷速曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

我院通過實(shí)驗(yàn)研究選擇適宜淬火劑，對(duì)專用淬火槽進(jìn)行設(shè)計(jì)與裝置制造，通過實(shí)驗(yàn)研究，確定合理的熱處理工藝參數(shù)，使大直徑鉆頭的熱處理質(zhì)量得到提高并實(shí)現(xiàn)大直徑鉆頭熱處理工藝批量化生產(chǎn)。