淬火冷卻介質(zhì)對滲碳齒輪淬火質(zhì)量的影響

山西省平遙減速器廠 （平遙 031100） 裴洪澤

滲碳齒輪在淬火時(shí)，被加熱到奧氏體化以后，放入淬火冷卻介質(zhì)中進(jìn)行冷卻。在冷卻過程中，經(jīng)過不同的冷卻速度完成淬火過程。由于淬火冷卻介質(zhì)的不同，其冷卻速度也不同，淬火冷卻介質(zhì)的冷卻速度對淬火滲碳齒輪顯微組織有很大的關(guān)系。

1.滲碳齒輪淬火冷卻階段分析

齒輪類產(chǎn)品一般需要進(jìn)行滲碳淬火熱處理，以增加齒輪齒面接觸強(qiáng)度，提高抗彎強(qiáng)度。淬火冷卻介質(zhì)為油，其淬火冷卻過程可分為三個(gè)階段：蒸汽膜冷卻階段、沸騰冷卻階段、對流冷卻階段。

（1）蒸汽膜冷卻階段 當(dāng)紅熱的齒輪浸入淬火冷卻介質(zhì)后，淬火冷卻介質(zhì)會(huì)受熱汽化并立即在滲碳齒輪表面形成一層蒸汽膜。滲碳齒輪的熱量主要通過蒸汽膜的輻射和傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞，此時(shí)滲碳齒輪的冷卻速度緩慢，直到滲碳齒輪表面所提供的熱量不能滿足形成蒸汽膜所需要的熱量時(shí)，蒸汽膜破裂，開始轉(zhuǎn)入沸騰階段。

蒸汽膜階段向沸騰階段轉(zhuǎn)變的溫度，稱為淬火冷卻介質(zhì)的特性溫度。淬火冷卻介質(zhì)的特性溫度升高時(shí)，淬火滲碳齒輪就可在短時(shí)間內(nèi)和較高的溫度下進(jìn)入快速冷卻階段，快速冷卻有利于防止奧氏體的分解而產(chǎn)生非馬氏體組織。因此，特性溫度是衡量淬火冷卻介質(zhì)冷卻性能的重要指標(biāo)。特性溫度與淬火冷卻介質(zhì)的物理性能有關(guān)，如淬火冷卻介質(zhì)的黏度低、蒸汽壓低等均可促進(jìn)特性溫度升高。另外，淬火冷卻介質(zhì)與滲碳齒輪的相對運(yùn)動(dòng)，如對淬火冷卻介質(zhì)的正確攪動(dòng)和滲碳齒輪在淬火冷卻介質(zhì)中的竄動(dòng)都可使蒸汽膜很快破裂，在短時(shí)間內(nèi)由蒸汽膜冷卻階段轉(zhuǎn)入沸騰冷卻階段，就會(huì)加快滲碳齒輪的冷卻速度。

（2）沸騰冷卻階段 滲碳齒輪直接與淬火冷卻介質(zhì)接觸，淬火冷卻介質(zhì)在滲碳齒輪表面產(chǎn)生強(qiáng)烈沸騰，滲碳齒輪的熱量被淬火冷卻介質(zhì)汽化吸收，散熱速度加快，冷卻速度達(dá)到最大值。滲碳齒輪表面的溫度迅速降低，當(dāng)滲碳齒輪表面溫度低于淬火冷卻介質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，沸騰冷卻階段結(jié)束。

（3）對流冷卻階段 滲碳齒輪表面溫度低于淬火冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)入對流冷卻階段，此時(shí)滲碳齒輪與淬火冷卻介質(zhì)之間的傳導(dǎo)熱量方式主要以對流傳導(dǎo)方式進(jìn)行。

2.淬火冷卻介質(zhì)冷卻速度的影響

滲碳齒輪在淬火冷卻時(shí)，為了獲得所需金相組織，就必須要有正確的淬火冷卻規(guī)范。在淬火冷卻過程中，為了避免滲碳齒輪在較高的溫度區(qū)域內(nèi)由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，必須在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行，以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻，才能得到馬氏體組織。

淬火冷卻介質(zhì)的冷卻速度并非越快越好，如果采用較快的冷卻速度使?jié)B碳齒輪一直冷卻到室溫，將使?jié)B碳齒輪在高溫區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大的熱應(yīng)力。若滲碳齒輪處于塑性狀態(tài)時(shí)，對滲碳齒輪內(nèi)部組織影響不大，當(dāng)滲碳齒輪冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，會(huì)產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力，將影響熱處理質(zhì)量，如使淬火滲碳齒輪產(chǎn)生很大的變形和開裂。因此，在馬氏體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域需要緩冷。

因而正確的淬火冷卻規(guī)范（冷卻曲線）應(yīng)該是在滲碳齒輪的奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域（臨界冷卻區(qū)域）以較快的冷卻速度（大于臨界冷卻速度）冷卻，而在馬氏體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域（Ms點(diǎn)以下）應(yīng)以緩慢的冷卻速度進(jìn)行冷卻，從而保證淬火后的滲碳齒輪既可獲得要求的淬火組織，又消除了因過快速冷卻產(chǎn)生的組織內(nèi)應(yīng)力，這樣的冷卻速度稱為理想冷卻速度。

3.淬火冷卻介質(zhì)特性的影響

傳統(tǒng)的滲碳齒輪淬火冷卻介質(zhì)一般為全損耗系統(tǒng)用油，如L-AN32、L-AN46等，其不是滲碳齒輪專用的淬火冷卻介質(zhì)，雖在使用中具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著很多缺點(diǎn)。如在使用過程中成分不穩(wěn)定，易老化變質(zhì)，冷卻速度不易控制，使淬火滲碳齒輪表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，表面不光潔，不容易清洗，對環(huán)境有污染，特性溫度不宜過高，容易造成火災(zāi)，變形大等。因此，滲碳齒輪淬火質(zhì)量不易控制。

為了保證淬火滲碳齒輪的質(zhì)量，首先，使淬火滲碳齒輪在較高的溫度下進(jìn)入快速冷卻階段，必須使淬火冷卻介質(zhì)的特性溫度升高；其次，使淬火后的滲碳齒輪獲得要求的淬火組織，又能消除因過快速冷卻產(chǎn)生的組織內(nèi)應(yīng)力。因此，選用滲碳齒輪專用的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）具有良好的冷卻特性，要在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域有足夠的冷卻速度，而在低溫馬氏體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域（Ms點(diǎn)以下）要具有緩慢的冷卻速度。

（2）要有較寬的適用范圍。

（3）淬火冷卻介質(zhì)的成分要穩(wěn)定，在使用過程中不易老化變質(zhì)。

（4）對滲碳齒輪表面不腐蝕，淬火后表面要光潔，容易清洗。

（5）環(huán)保，無毒，無污染等。

對于滲碳齒輪專用淬火冷卻介質(zhì)的選擇，還應(yīng)根據(jù)滲碳齒輪的尺寸規(guī)格、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求及工況條件進(jìn)行綜合考慮。

4.我廠滲碳齒輪淬火冷卻介質(zhì)選擇要求

我廠熱處理工件為大中型滲碳齒輪，最大外徑1600mm，厚度40～450mm，材質(zhì)20CrMnTi、20CrMnMo、20Cr2Ni4A等，滲碳層深0.2～2.5mm。由此可知熱處理工件主要為中大截面厚度齒輪，為了滿足我廠滲碳齒輪淬火質(zhì)量要求，對滲碳齒輪專用淬火冷卻介質(zhì)選擇應(yīng)為：①冷速適中的快速淬火油，最大冷速為90～100℃/s。②淬火油適用范圍要寬，能夠滿足我廠所有滲碳齒輪的淬火要求。③淬火油要具有較高的特性溫度，減少蒸汽膜冷卻階段時(shí)間，提高滲碳齒輪在高溫階段的破膜能力，使淬火的滲碳齒輪長時(shí)間處在均勻一致的冷卻過程，減小因冷卻過程不均勻產(chǎn)生的淬火應(yīng)力，有效控制滲碳齒輪在淬火過程中的變形。選擇淬火油的特性溫度在670℃以上。④減少由于在低溫冷卻階段產(chǎn)生的組織應(yīng)力而導(dǎo)致淬火滲碳齒輪的變形，選擇的淬火油應(yīng)具有較低的C點(diǎn)（下特性溫度）。