軸承零件熱處理淬火介質(zhì)冷卻特性測(cè)定方法的對(duì)比分析

耿偉，王敏，王智勇，扈林莊，張春寶

(1.常州龍邦潤(rùn)滑油有限公司，江蘇 常州 213100；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；3.浙江為尚機(jī)械有限公司，浙江 湖州 313005)

1 引言

目前，軸承行業(yè)熱處理中所使用的淬火介質(zhì)主要有淬火油、PAG水基淬火液、淬火硝鹽等。熱處理過(guò)程中淬火介質(zhì)與高溫工件直接接觸，理化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，從而導(dǎo)致使用性能發(fā)生改變，最終影響熱處理質(zhì)量。因此，提供一種有效的監(jiān)控淬火介質(zhì)冷卻性能的檢測(cè)方法十分重要，可以為淬火介質(zhì)提供及時(shí)、有效的解決方案，并保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

目前，軸承行業(yè)主要使用2種檢測(cè)儀器測(cè)量淬火介質(zhì)的冷卻性能，即瑞典的IVF冷卻性能測(cè)定儀(圖1)以及國(guó)產(chǎn)SYQ-2淬火介質(zhì)冷卻特性測(cè)定儀(圖2)。下面從測(cè)定原理、標(biāo)定以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比等方面探討這2種儀器的檢測(cè)方法與優(yōu)缺點(diǎn)，以期為軸承熱處理提供一定的參考。

圖1 IVF冷卻性能測(cè)定儀Fig.1 Cooling characteristic tester IVF

圖2 SYQ-2淬火介質(zhì)冷卻特性測(cè)定儀Fig.2 Quenching media cooling characteristic tester SYQ-2

2 測(cè)定方法及標(biāo)定

2.1 測(cè)定方法

關(guān)于淬火油冷卻特性測(cè)定方法，我國(guó)現(xiàn)行有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1)GB/T 30823—2014 《測(cè)定工業(yè)淬火油冷卻性能的鎳合金探頭試驗(yàn)方法》，等同ISO 9950:1995；2)SH/T 0220—1992《熱處理油冷卻性能測(cè)定法》，源自日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS K 2242:1980。相應(yīng)地，IVF測(cè)定儀遵循GB/T 30823，SYQ-2測(cè)定儀遵循SH/T 0220。

IVF測(cè)定儀的探頭是由幾何中心裝有熱電偶的鎳合金圓柱體及安裝在上面的鎳合金支架組成，SYQ-2測(cè)定儀則采用了ZJY-10整體擠壓銀探頭，兩者所用探頭的材質(zhì)、規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 測(cè)定儀所用探頭的對(duì)比Tab.1 Comparison between probes used by testers

IVF測(cè)定儀可表征以下特征參數(shù)：最大冷卻率，最大冷卻率出現(xiàn)時(shí)的溫度，在300 ℃時(shí)的冷卻率，冷卻至600，400，200 ℃時(shí)的時(shí)間，從氣態(tài)轉(zhuǎn)換到沸騰狀態(tài)的溫度，從沸騰狀態(tài)轉(zhuǎn)換到對(duì)流狀態(tài)的溫度。

SYQ-2測(cè)定儀可表征的特征參數(shù)為：特性溫度，特性時(shí)間，最大冷速溫度，最大冷速，在300 ℃時(shí)的冷速，冷卻至600，400，300，200 ℃的時(shí)間。

2.2 標(biāo)定

2.2.1 IVF測(cè)定儀的標(biāo)定

GB/T 30823—2014對(duì)標(biāo)定液冷卻特性的要求見(jiàn)表2，目前我國(guó)與該標(biāo)定液物理特性接近的油有N22，N32，100SN和150SN。其中，100SN最接近，其次是N22，然后是性能接近的N32與150SN。但不同廠家生產(chǎn)的100SN，150SN存在一定的差別，N22則不易獲得，因此N32一直作為淬火油在國(guó)內(nèi)廣泛使用，通常選擇N32做為標(biāo)定液。

表2 標(biāo)定液的物理特性Tab.2 Physical properties of calibration fluid

標(biāo)定步驟為：

1)啟動(dòng)SQ軟件及加熱爐，加熱爐溫度設(shè)置為850 ℃；將1 L標(biāo)定液倒入介質(zhì)杯中并用加熱器加熱至(80±2)℃。

2)當(dāng)探頭溫度加熱至(850±5)℃時(shí)，按下手持單元的ENTER鍵，迅速將探頭插入標(biāo)定液中，待數(shù)據(jù)采集完畢后輸入曲線名稱并保存。

3)將手持單元的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SQ軟件，獲得此次標(biāo)定液的IVF曲線，將其與標(biāo)定液參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.2 SYQ-2測(cè)定儀的標(biāo)定

SH/T 0220—1992采用鄰苯二甲酸二辛酯(化學(xué)純)作為標(biāo)定液，標(biāo)定液的冷卻性能應(yīng)符合下列要求：1)特性溫度為(510±10)℃；2)從800 ℃冷卻到400 ℃的時(shí)間為(5.3±0.3)s。

標(biāo)定步驟為：

1)打開(kāi)測(cè)試軟件，設(shè)定測(cè)試參數(shù)，爐溫設(shè)置為810 ℃。

2)加熱標(biāo)定液以及銀探頭，探頭溫度高于最高溫度并延時(shí)5 s將報(bào)警。

3)當(dāng)探頭到達(dá)溫度且報(bào)警后，迅速將探頭放入標(biāo)定液中，由便攜式測(cè)試儀開(kāi)始測(cè)試。由于初始測(cè)試階段由溫度控制，如果動(dòng)作慢導(dǎo)致探頭在空氣中冷卻時(shí)間長(zhǎng)，冷卻曲線上可能出現(xiàn)一段較平緩的部分，測(cè)試完成后應(yīng)使用編輯屬性中的“刪除部分測(cè)試數(shù)據(jù)功能”將該段數(shù)據(jù)刪除。

4)標(biāo)定結(jié)果如達(dá)不到上述要求，應(yīng)對(duì)銀探頭重新拋光，進(jìn)行再次標(biāo)定。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

分別用IVF和SYQ-2測(cè)定儀對(duì)水、PAG類水性淬火液及某品牌淬火油進(jìn)行檢測(cè)(淬火油進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn))，測(cè)定曲線如圖3所示，淬火介質(zhì)冷卻性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 不同淬火介質(zhì)的冷卻特性測(cè)定曲線Fig.3 Measuring curves for cooling characteristics of different quenching media

表3 不同淬火介質(zhì)冷卻性能的測(cè)定結(jié)果Tab.3 Measuring results for cooling characteristics of different quenching media

由表3可知，因所用探頭的材質(zhì)、尺寸、熱電偶位置不同，遵循不同測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的冷卻特性曲線也不同。對(duì)于同一種淬火介質(zhì)，用不同標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)所得的冷卻特性曲線之間沒(méi)有固定關(guān)系的可比性，即不同標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的冷卻特性之間沒(méi)有通用、規(guī)律的換算關(guān)系。但2種測(cè)定儀的靈敏度、重復(fù)性都非常高，圖3所示曲線均能夠表征出不同溫度區(qū)間內(nèi)淬火介質(zhì)的冷卻能力，可以根據(jù)淬火介質(zhì)在冷卻全過(guò)程中的分布特點(diǎn)來(lái)判斷其是否滿足熱處理工件的淬火要求。

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景分析

冷卻曲線可用于評(píng)價(jià)淬火介質(zhì)的冷卻性能，具有測(cè)試簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。冷卻特性反映了淬火介質(zhì)冷卻特性的穩(wěn)定性和變化程度，可以對(duì)淬火介質(zhì)進(jìn)行定性、定量的分析，對(duì)于熱處理生產(chǎn)單位的質(zhì)量管理以及分析解決工件熱處理技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

IVF測(cè)定儀的手持式數(shù)據(jù)接收器直接與探頭連接，能夠存儲(chǔ)20組測(cè)量數(shù)據(jù)，并可通過(guò)無(wú)線傳輸保存到計(jì)算機(jī)中；使用者可以通過(guò)數(shù)據(jù)接收器上的按鈕設(shè)定測(cè)量時(shí)間、采樣頻率和測(cè)量模式，包括自動(dòng)記錄開(kāi)始溫度以及測(cè)試探頭的校準(zhǔn)等；采用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，可在淬火槽任意位置進(jìn)行測(cè)試，操作方便且減小了由于探頭接地不好帶來(lái)的測(cè)量誤差；具有強(qiáng)大的冷卻曲線分析軟件，可記錄大量的測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)分析計(jì)算，測(cè)量重復(fù)性高。IVF測(cè)定儀的缺點(diǎn)是測(cè)量成本高，探頭損耗快。對(duì)于聚合物水性淬火介質(zhì)，探頭大約可用150次，在淬火油中大約可用300次。

SYQ-2測(cè)定儀在探頭溫度高于最高溫度并保持5 s將報(bào)警，避免探頭溫度過(guò)高減少使用壽命；配套軟件具有刪除部分測(cè)試數(shù)據(jù)的功能，可將初始測(cè)試點(diǎn)歸一化到相同的溫度；另外，測(cè)試的最高溫度可以適當(dāng)提高，當(dāng)實(shí)際測(cè)試溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，使用該功能將高出的溫度刪除。SYQ-2測(cè)定儀的缺點(diǎn)是，對(duì)于已使用過(guò)淬火油的測(cè)量重復(fù)性不好。

4 結(jié)束語(yǔ)

IVF和SYQ-2測(cè)定儀雖然在參照標(biāo)準(zhǔn)、探頭、測(cè)量方法上存在一定的差異，但測(cè)量的準(zhǔn)確性、靈敏度都非常高。檢測(cè)所得的冷卻特性曲線之間雖然沒(méi)有固定關(guān)系的可比性，但由于鎳合金探頭相比銀探頭的材質(zhì)更加接近實(shí)際淬火工件，更能模擬實(shí)際淬火過(guò)程，所以IVF測(cè)定儀在實(shí)際生產(chǎn)中使用更為廣泛。