淺談大型鑄鍛件淬火冷卻介質(zhì)的選擇

劉紅梅

摘 要：文章通過(guò)分析大型鑄鍛件熱處理材料成分、結(jié)構(gòu)特征、一般技術(shù)要求等，針對(duì)熱處理行業(yè)常用淬火介質(zhì)水、油、新型有機(jī)淬火介質(zhì)等各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了型鑄鍛件熱處理淬火冷卻介質(zhì)的選擇原則，以供制定工藝參考。

關(guān)鍵詞：大型鑄鍛件；熱處理；淬火介質(zhì)

中圖分類號(hào)：TG154.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）23-0089-02

1 概 述

大型鑄鍛件是發(fā)展電力、船舶、冶金、石化、重型機(jī)械和國(guó)防等工業(yè)的基礎(chǔ)和保證，是國(guó)家工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志之一，通常安全性要求較高，制造技術(shù)難度大。眾所周知，合理、科學(xué)的熱處理是零件獲得良好性能的前提，冷卻作為熱處理工藝和生產(chǎn)的重要控制環(huán)節(jié)，其重要性更不言而喻了，它關(guān)乎工件相轉(zhuǎn)變時(shí)間、組織狀態(tài)、晶粒度等能否按照工藝預(yù)期順利實(shí)現(xiàn)，直接影響材料微觀組織和宏觀性能，因此一直是熱處理生產(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)。特別是對(duì)于大型鑄鍛件，因其淬火冷卻要求高、技術(shù)難度大，就更顯冷卻的關(guān)鍵?？刂拼慊鹄鋮s技術(shù)的核心是根據(jù)選擇工件具體情況和技術(shù)要求選擇適合的淬火介質(zhì)。所謂合適的淬火介質(zhì)既要滿足零件熱處理性能要求，又要保證工件無(wú)過(guò)大變形、開(kāi)裂，同時(shí)對(duì)環(huán)境影響較小，并要兼顧經(jīng)濟(jì)性。因此，針對(duì)大型鑄鍛件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求等合理選擇淬火介質(zhì)對(duì)于提高其熱處理質(zhì)量有重要意義，而大型鑄鍛件多為非標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)特殊，尺寸較大，技術(shù)要求較高，不同于常規(guī)機(jī)械零件熱處理，目前，鮮有關(guān)于這方面研究報(bào)道。本文重點(diǎn)探討大型鑄鍛件淬火冷卻介質(zhì)的選擇。

2 大型鑄鍛件淬火冷卻的特點(diǎn)

大型鑄鍛件大多為標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)和尺寸一般較為龐大，有時(shí)一個(gè)零件就有幾噸，在熱處理基本理論方面與中小件無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但正因?yàn)槠涑叽绱?，質(zhì)量效應(yīng)凸顯，因此在具體熱處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面表現(xiàn)出與小件完全不同的特點(diǎn)，如經(jīng)常出現(xiàn)小件不易發(fā)生或易于消除的晶粒粗大、混晶、殘余應(yīng)力過(guò)大、回火脆性明顯等問(wèn)題；同時(shí)大型鑄鍛件多為重型裝備關(guān)鍵零部件，大多受力環(huán)境復(fù)雜，服役條件惡劣，因此對(duì)力學(xué)性能要求大都較常規(guī)產(chǎn)品高，這些都對(duì)熱處理工藝提出了挑戰(zhàn)，往往不能用處理小件的常規(guī)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，最明顯的就是淬火冷卻效果完全不同于常規(guī)機(jī)械零件。這是因?yàn)殡S著大型鑄鍛件的尺寸和重量的增加，有效厚度也隨之增加，工件傳熱和冷卻過(guò)程自然會(huì)變慢，特別是在淬火冷卻過(guò)程中，工件實(shí)際獲得的冷卻速度相對(duì)小件會(huì)大大降低，同樣冷卻方式下與小件相轉(zhuǎn)變過(guò)程甚至?xí)耆煌?，故而按照常?guī)熱處理制度往往達(dá)不到目標(biāo)熱處理效果和預(yù)期組織和性能，如某材質(zhì)小件采用較為緩和的油冷淬火就能完全滿足技術(shù)要求，但同樣材質(zhì)零件有效尺寸增大到一定程度時(shí)，要達(dá)到相同的技術(shù)要求，采用油冷就不能達(dá)到相同的技術(shù)要求，即使采用較為激烈的水冷淬火也未必能完全達(dá)到相同技術(shù)要求。

對(duì)于大型鑄鍛件，如果淬火介質(zhì)選擇不當(dāng)，常出現(xiàn)淬火效果差，達(dá)不到技術(shù)要求，或者零件變形超差、開(kāi)裂、表面硬度低和淬硬層較淺等問(wèn)題。為了減輕大型鑄鍛件質(zhì)量效應(yīng)的不利影響，通過(guò)采用添加較多Cr、Mo、Ni、Mn等提高淬透性的合金元素，但對(duì)于尺寸過(guò)大的結(jié)構(gòu)件，這種方法作用也十分有限。生產(chǎn)實(shí)踐中，比較通用與實(shí)用的是改進(jìn)工藝方法，如淬火冷卻采用水空水間歇交替冷卻、噴淬代替水淬油冷或油冷淬火。雖然這樣可能會(huì)在一定程度上解決問(wèn)題，但熱處理工藝要求較高，極易引起工件的畸變和開(kāi)裂，因?yàn)殡S著大型鑄鍛件的尺寸增加，成分偏析、非金屬夾雜缺陷概率會(huì)增加，再加上相變潛熱的影響，在加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大，這些因素都極大地增加了工件冷卻過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

3 淬火介質(zhì)冷卻的特性

大型鑄件熱處理大多使用具有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)，這類介質(zhì)冷卻在工件淬火時(shí)通常有3個(gè)階段，蒸汽膜階段、沸騰冷卻階段、對(duì)流冷卻階，每種淬火介質(zhì)上述三個(gè)階段的冷卻速度、黏度等都不相同，同種介質(zhì)也會(huì)隨溫度、介質(zhì)流速、工件表面狀態(tài)等因素變化而變化，這正是介質(zhì)冷卻特性差異的本質(zhì)，也是選擇和使用介質(zhì)的依據(jù)。

3.1 水

水成本低廉、安全清潔、冷卻速度快，是最古老的淬水介質(zhì)，但通常它的蒸汽膜階段較長(zhǎng)，沸騰冷卻階段和對(duì)流階段發(fā)生的溫度較低，且對(duì)流階段冷卻速度過(guò)大，一般在在250～

350 ℃范圍，對(duì)大多數(shù)鋼而言，正是其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度過(guò)大，較容易引起變形和開(kāi)裂。

另外，水的冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感，冷卻效果隨水溫升高變化較為明顯，對(duì)于大工件極容易出現(xiàn)冷卻不均勻的情況，工件表層出現(xiàn)軟點(diǎn)。通過(guò)往水中加入各種無(wú)機(jī)鹽、堿或其混合物，可以形成各種不同的無(wú)機(jī)物水溶液。無(wú)機(jī)水溶液可以提高工件在高溫區(qū)的冷速，改善冷卻均勻性，使鋼件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開(kāi)裂和變形，但鹽水淬火更易生銹，同時(shí)堿類溶液淬火不易控制，容易灼傷操作者，易產(chǎn)生有害氣體，危害工人的健康。

3.2 油

礦物油作為淬火介質(zhì)，具有粘度低、抗氧化性、使用壽命長(zhǎng)和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)普遍應(yīng)用，它的蒸汽膜階段比水稍短些，沸騰冷卻階段冷卻速度比水慢，但對(duì)流冷卻階段冷卻速度比水慢，冷卻較為緩和，因此有利于減輕工件變形和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。與水相比，其在一定溫度范圍內(nèi)，通常是40～85 ℃范圍內(nèi)，其冷卻特性變化不大。

但它冷卻能力與水相比有限，僅能用在淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的場(chǎng)合。同時(shí)，它閃點(diǎn)較低，在淬火過(guò)程中易產(chǎn)生濃煙甚至誘發(fā)火災(zāi)，對(duì)環(huán)境壓力較大。另外，在高、中溫區(qū)冷卻速度過(guò)慢，對(duì)低淬透性鋼件淬火后易出現(xiàn)硬度不足、淬硬層深度淺等弊病。

此外，長(zhǎng)期使用過(guò)程中易出現(xiàn)酸化、黏度變化、冷卻能力下降等。

3.3 新型淬火介質(zhì)

目前，比較流行的是各種新型淬火介質(zhì)主要是水基淬火介質(zhì)，新型水溶性淬火劑大多屬有機(jī)聚合物系，因其聚合物種類不同而有PAG類、PSA類等種類，它們大多是被加到自來(lái)水中配成淬火液來(lái)使用，目的在于降低水的低溫冷卻速度。

通過(guò)對(duì)濃度、溫度和攪拌程度的控制，可以在一定范圍內(nèi)改變上述冷卻三個(gè)階段各階段的發(fā)生溫度、冷卻速度，進(jìn)而獲得最適合工件冷卻要求的介質(zhì)，可彌補(bǔ)水油冷卻特性方面的不足，進(jìn)而更好適應(yīng)工件淬火技術(shù)要求，以滿足某些特殊場(chǎng)合的使用，另外，它在一定溫度范圍內(nèi)，冷卻能力變化不大，可適應(yīng)批量生產(chǎn)和大件淬火，可有效避免和減輕工件軟點(diǎn)區(qū)，提高質(zhì)量穩(wěn)定性。同時(shí)，生產(chǎn)中相對(duì)環(huán)保，無(wú)淬火油煙排放，對(duì)工件及淬火設(shè)備腐蝕相對(duì)很小，淬后工件無(wú)需后序清洗；但是維護(hù)和使用相對(duì)麻煩，易滋生微生物需要定期檢測(cè)和維護(hù)，盡量減輕老化和變質(zhì)問(wèn)題。

關(guān)于新型淬火介質(zhì)的應(yīng)用已有很多研究，但在大型鑄件淬火時(shí)大批量使用這些介質(zhì)尚有太多報(bào)道，一是由于大型鑄件工藝復(fù)雜，目前不能精確掌握工件淬火時(shí)內(nèi)部組織及應(yīng)力狀態(tài)變化，又因其制造成本高，新型介質(zhì)在這方面的應(yīng)用研究還沒(méi)全面展開(kāi)，因此工藝改革難度較大，但新型淬火介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)明顯。

4 淬火介質(zhì)的選擇原則

簡(jiǎn)而言之，最理想的淬火介質(zhì)是在鋼的Ms點(diǎn)溫度以上冷得快些，冷到Ms點(diǎn)以下后冷得慢些，但目前為止，還沒(méi)有那種介質(zhì)能做到如此，因此必須根據(jù)零件具體特點(diǎn)和要求綜合考慮。一般而言，主要結(jié)合材料化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求綜合考慮。

化學(xué)成分影響鋼的相變點(diǎn)位置、相變區(qū)大小、轉(zhuǎn)變曲線的移動(dòng)，是工藝制定的重要參考和工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。如通常含碳量和合金量越高，過(guò)冷奧氏體約穩(wěn)定，即鋼淬透性越好，但同時(shí)如果冷卻不當(dāng)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也越大，對(duì)于大型鑄鍛件更是如此，因此中溫階段應(yīng)選擇冷卻速度較慢的介質(zhì)。而到了低溫階段，即略高于Ms點(diǎn)溫度附近溫度區(qū)間，對(duì)于過(guò)大工件選擇冷速更慢的介質(zhì)有益于減小淬火應(yīng)力，有時(shí)甚至需要空冷或爐中空冷。又如，有些鋼因某個(gè)元素含量變化，其冷卻轉(zhuǎn)變曲線會(huì)受到明顯影響，這些必須引起注意。

結(jié)構(gòu)主要包括形狀和尺寸因素，有效尺寸過(guò)大的工件結(jié)合材料淬透性等，考慮選擇淬火介質(zhì)應(yīng)當(dāng)有較快的低溫冷卻速度，水等。形狀復(fù)雜的工件盡量選擇蒸汽膜階段較短而冷卻速度又較快的淬火介質(zhì)，以防止變形超差，可以考慮合適的有機(jī)淬火介質(zhì)。另外，一般而言，變形要求小的，淬火冷卻中必須有較窄的冷卻速度帶；而允許的變形較大，可以有較寬的冷卻速度帶。

技術(shù)要求主要指取樣位置，性能要求等級(jí)，通常同種材料，要求等級(jí)不同，淬火介質(zhì)選擇就有很大差異，尺寸較大工件取樣位置不同，應(yīng)考慮淬硬層深度，全面權(quán)衡。如水冷大工件易于出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)，取樣結(jié)果可能會(huì)不穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中，大型鑄鍛件淬火往往綜合具體要求及工件特點(diǎn)等因素，靈活采用水、油、或二者結(jié)合，或水空間歇等淬火生產(chǎn)，但隨著淬火介質(zhì)理論和實(shí)踐的不斷豐富和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，工藝研究者們將會(huì)更加科學(xué)靈活選用淬火介質(zhì)，最大程度地滿足工件淬火冷卻要求，提高工件性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

大型鑄鍛件熱處理淬火介質(zhì)的選擇應(yīng)依據(jù)材料成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求綜合考慮，選擇最符合工藝?yán)鋮s要求的介質(zhì)。

隨著數(shù)值仿真技術(shù)和淬火介質(zhì)理論的不斷完善，大型鑄鍛件熱處理淬火介質(zhì)的選擇將更加科學(xué)、靈活。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李慧劍，申光憲，黃慶學(xué).軋機(jī)油膜軸承錐套接觸疲勞損傷的機(jī)理分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，（4）.

[2] 樊東黎，徐躍明，佟曉輝，等.熱處理工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 盧銀德.大型鍛件的熱處理工藝[J].金屬熱處理，2004，（4）.

[4] 張康夫，王余高，屠偉剛，等.水基金屬加工液[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5] 胡紹文，李衛(wèi)明，劉麥秋.水溶性淬火介質(zhì)[J].熱加工工藝，2006，（6）.