液态淬火介质的两个共性的缺点及对策.pdf

冷却技术 液态淬火介质的两个共性的缺点及对策 张克俭 北京华立精细化工公司 北京 1 0 2 2 0 0 摘 要 适用范围有限和工件淬火变形大是液态淬火剂的两个带有共性的缺点 提出了克服第一个缺点即扩 大液态淬火剂的应用范围的 8 种技术措施 指出 工件的淬火变形量除淬火介质的冷却速度外 还与 其特性温度有关 应选用特性温度稳定的介质淬火 关键词 液态淬火剂 适用范围 淬火变形 特性温度 中图分类号 T G1 5 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 6 9 0 2 0 0 5 0 4 0 0 3 5 0 0 5 Two S h o r t c o mi n g s wi t h Ge n e r a l Ch a r a c t e r o f Li g ui d Qu e n c h a n t s a n d C o u n t e r me a s u r e s Z H AN G K e i i a n B e i j i n g H u a l i F i n e C h e m i c a l C o B e i j i n g 1 0 2 2 0 0 Ab s t r a c t L i mi t e d a p p l i e d r a n g e a n d e x c e s s q u e n c h i n g d i s t o r t i o n h a v e b e c o me t w o s h o rtc o mi n g s wi t h g e n e r a l c h a r a c t e r o f l i q u i d q u e n c ha n t s Ei g h t t e c h n o l o g i c a l me a s u r e s t o o v e r c o me t h e f i r s t s h o rtc o mi n g o r t o e x p a n d a p p l i e d r a n g e o f t h e l i q u i d q u e n c h a n t s we r e e x p l a i n e d I t wa s i n di c a t e d t h a t b e s i d e s c o o l i n g r a t e o f q u e n c h a n t q u e n c hi n g d i s t o rt i o n a mo u n t o f w o r k p i e c e s i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e c h a r a c t e r i s t i c t e mp e r a t u r e o f t h e q u e n c h a n t s a n d t h a t t h e l i q u i d me di u ms wi t h s t a b l e c h a r a c t e r i s t i c t e mp e r a t u r e s h o ul d b e s e l e c t e d a s qu e n c h a n t Ke y W o r ds l i q u i d q u e n c ha n t a p p l i e d r a n g e q u e n c hi n g d i s t o rti o n c h a r a c t e r i s t i c t e mp e r a t u r e 在研究自来水作为淬火介质的两大缺点的文章 中 附带提出了液态淬火介质具有两个共性的缺 点 J 缺点之一是 任何一种确定的液态淬火介 质 都只有相当有限的适用范围 用于要求更高冷却 速度的工件 将淬不硬 用于要求更低冷却速度的工 件 又会淬裂 缺点之二是 当淬火工件从高于介质 的特性温度冷却下来时 往往在工件的局部区域发 生冷却速度突变 因此引起很大的内应力 从而可能 造成超差的淬火变形 本文将全面讨论液态淬火介 质这两个共性的缺点 而重点是介绍克服第一类缺 点的各种措施 1 关于第一个缺点 某些工件 油淬不硬 水淬要裂 曾经是困扰热 处理生产的一个难题 究其原 因 普通机油和 自来 水都只有有限的适用范围 从冷却速度分布情况 看 在自来水和普通机油之间有一个相当宽的空白 地带 如图 1 所示 以填补这一空白为目 标 通过几 十年的工作 研究开发了多种油性和水性介质 基本 上填补了水和普通机油之间的空白 目前 常用的 淬火介质 按其冷却速度由慢到快排列次序为 使用 温度较高的等温分级淬火油 热油 普通机油 使 用温度较低的等温分级淬火油 半热油 中快速淬 火油 快速淬火油 随后是高浓度的 P A G淬火液 中 浓度的 P A G淬火液 低 浓度 的 P A G淬火 液 自来 水 低浓度盐 或碱 水等 它们都有各 自的优缺点 和各 自的适用范 围 一种淬火油是一种确定 的淬火 介质 同种水性淬火剂 配成不同的浓度 就是不同 的淬火介质 填补 自来水和普通机油之间 的空 白 需要这么多种不 同的淬火介质 这是液态介质共性 的第一个缺点所决定的 当今的高压气淬 选定一 种适当的气体 通过改变气压 就可以获得从静止空 冷到中等快速淬火油冷却的不同冷却效果 相比之 下 液态介质的这个缺点也实在太严重 了 收稿 日期 2 0 0 4 0 5 1 7 作者简介 张克俭 1 9 4 5 一 男 四川青神县人 工学博士 多年来专门 从事淬火冷却介质及其应用技术的研究 开发 出了多种 水性和油性淬火介质产品及 实用技术方法 在淬火介质选择 使用维护 淬火变形问题的分析和解决方面发表了3 O 多篇论文 为工厂热处理工作者提供了多项具有普遍意义的分析 解决问题的方法 联 系电话 0 1 0 8 9 7 4 6 0 1 7 热处理 2 0 0 5年第 2 0卷第 4期 3 5 维普资讯 冷却速度 s 图 1 自来 水和 N 3 2 机油的冷速 曲线对 比 F i g 1 Co o l i n g r a t e c u r v e s o f t o p w a t e r a n d No 3 2 e n g i n e o i l 2 克服第一类共性缺点 的措施 由于清水的适用范围很有限 从古至今 人们不 得不去寻找各式各样的淬火介质 并摸索出多种巧 妙的淬火技术 来满足不同工件的热处理要求 这 方面的工作 大致可以归纳成以下几类 1 寻找或者研究开发多种不 同适用范 围的淬 火介质 来满足不同的需要 这才有我们现在可以 选用的多种淬火介质品种 2 选择适用范 围尽 可能宽的淬火介质 品种 而不是选择适用范围很窄的和特别专用的淬火介 质 影响淬火介质使用范围宽窄的因素 包括介质 的冷却特性对液温的敏感性 对相对流速的敏感性 介质使用温度范围的宽窄 以及介质的粘度对液温 的敏感性等 一 般说 冷却特性对液温的敏感性越大 介质的 适用范围就越窄 相反 冷却特性对液温的敏感性 越小 介质的适用范围就越宽 这是因为 多个工件 同时淬火时 位于淬火槽不同部位的工件 以及同一 工件的不同部位 接触的液温是不相同的 于是 液 温对介质冷却特性的影响越大 淬火后工件的性能 均匀性就会越差 按这一规律 盐 或碱 水溶液 的 适用范围就比自来水宽 而淬火油的适用范 围比相 同冷却速度范围的水溶性介质要宽 相对流速对冷却特性 的影 响越大 介质 的适用 范围就越窄 相反 相对流速对冷却特性的影响越 小 介质的适用范围就越宽 这是因为 同时淬火 时 位于淬火槽不同部位的工件 以及同一工件的不 同部位 与之接触的介质的相对流速是不相同的 于是 相对流速对介质冷却特性的影响越大 淬火后 工件的性能均匀性就会越差 一般说 淬火 油的冷 却特性对相对流速的敏感性较小 而自来水的敏感 性较大 P A G淬火液主要靠粘附在工件表面的聚 合物膜来控制工件的冷却速度 只要相对流速控制 在不会冲掉那层聚合物膜的程度 流速大小对冷却 特性的影响就会比自来水小 介质的使用温度范围宽是我们所希望的 使用 温度范围宽的介质 可以在更广的范围使用 以满足 不同工件的热处理要求 自来水的使用温度范围 窄 淬火油的使用温度范围相对较宽 对于 P A G 淬火介质 浊点太低的品种的使用温度范围就很窄 而浊点相对较高的品种其使用温度范围就较宽 当外力使液体发生流动时 其内部分子之间会 产生一定的阻力来妨碍这种流动 这种阻力 的大小 就是液体的粘度 是表征润滑油的流动性的主要指 标 在其它条件相同时 粘度不同 液体的流动情况 不同 流动情况不同 会进而影响工件获得的冷却 效果 尤其是在工件形状较复杂 或者多个工件同 时淬火时 冷却效果的差别会更大些 介质的粘度 越高 其实际的冷却能力就越差 相反 介质的粘度 越低 其实际的冷却能力就越强 因为这一原因 在 我们凭冷却特性曲线比较不同油品的冷却能力时 也应同时考虑到油的粘度的影响 3 改进已有介质 以扩展它们的适用范围 譬如 纯净水的适用范围窄 水中溶解适量的盐或 者碱 配成盐水或碱水后 可以扩大水的使用温度范 围 而且可以获得更快的高温冷却速度和浓度较高 时稍慢的低温冷却速度 4 开发适用范围更宽的液态淬火介质 在关 于液态淬火介质的选择方法 的文章中 已经得出了 这样的结论 对于淬火用油 一般说 蒸汽膜阶段越 短 冷却速度越快 适用的工件和钢种就越多 对于 水溶性介质 在保持蒸汽膜阶段较短的前提下 介质 的3 0 0 冷却速度越低 适用的工件和钢种也就越 多 J 几年前 有人宣传介绍过的 多级淬火油 说是能 在低温时是快速淬火油 提高温度使用又 是热油 的油品 无疑 其 出发点是 对 的 可能是 没有考虑到油温改变对油 的粘度 的影响 实 际使用 中 大多得不到预期的效果 5 在一个车间配备多种不同适用范围的淬火 介质 以满足不同工件的需要 譬如 配备 3 5种 淬火油和 2 3种不同浓度 的水性淬火介质 又如 有些网带炉 通过配备可互换的两个淬火槽 一个装 快速淬火油 一个装水性淬火介质 从而大大扩展 了 该炉型的使用范围 6 配合使用液态以外 的淬火冷却介质 或者 3 6 热处理 2 0 0 5年第 2 0卷第 4期 维普资讯 多种物态混和成的淬火介质 来获得不同的冷却特 性 譬如 流态床淬火冷却 喷雾淬火和浆状介质淬 火冷却等 7 调节液温和相对流速 以扩 大液态介 质的 适用范 围 在介质 品种和浓度不变 的情况下 现场 热处理工作者还可 以通过调节液温和相对流速来扩 大介质的适用范围 上文已经讨论了这些因素的影 响规律 下面再介绍一种叫做摆停结合的淬火方 法 用以说明调节工艺参数在热处理生产中的作用 汽车板簧通常用淬火机淬火 为了提高淬火冷 却速度和改善冷却的均匀性 淬火机可以夹持着工 件在淬火液中来回摆动 利用板簧淬火机的摆动功 能 我们在板簧厂推广过一种叫做 摆停结合技术 的淬火方法 虽然使用的是同一种淬火介质 但通 过调节摆动次数 仍可获得完全不同的淬火冷却效 果 图2是摆停结合调节冷却速度的示意图 如果 以不同的冷却速度曲线代表不同的淬火介质 摆停 结合技术就把一种介质变成了几种不同冷却速度的 介质 这无疑是一种扩大液态淬火介质适用范围的 有效方法 冷 却 速 度 C S 图 2 摆停 结合技 术得 到不 同冷速 曲线的示意图 F g i 2 S c h e me o f c o o l i n g r a t e c u r v e s o b t a i n e d b y p e ri o d i c a l l y s w i n g i n g p a r t 上世纪9 0 年代中 某汽车板簧厂在用普通机油 对材质为 6 0 C r M n B A钢 中间最大厚度 1 7 m m 两端 最薄处 7 5 m m的载重汽车变截面板簧进行淬火时 曾经发生过淬裂问题 也就在那段时间 在成都飞 力弹簧厂的板簧生产线上 用 1 5 P A G水溶液却成 功地处理了同样的变截面板簧 淬 回火硬度以及金 相组织全部合格 经严格探伤检查未发现任何淬火 裂纹 冷却速度 o C s 图3 普通机油与 1 5 今禹8 2 0的冷却速度对比 F i g 3 C o mp a ri s o n b e t w e e n c o o l i n g r a t e s o f p l a i n e n g i n e o i l a n d 1 5 J i n y u 8 2 0 q u e n c h a n t 图4 普通机 油静 止 搅动 的冷速 对比 F i g 4 C o mp a r i s o n b e t we e n c o o l i n g r a t e s o f s t a t i c a n d a g i t a t e d p l a i n e n g i n e o i l 图3是普通机油和 1 5 今禹8 2 0淬火剂的冷 却特性对比 仅凭图 3的冷却速度曲线 热处理行 家也难以相信上述结果 实际上 上述变截面板簧 在普通机油中淬火冷却时 所用淬火机一直在不停 地摆动 而在上述 P A G水溶液中淬火时 淬火机却 始终保持在静止状态 图4 是上述普通机油中探棒 静止不动 以及始终摆动状态下测出的冷却速度曲 线 可以看出 摆动可以改善冷却效果 再把静止 状态检测出的 1 5 P A G淬火液的冷却速度曲线与 摆动状态测出的普通机油的冷却速度曲线画在同一 张图上 如 图 5 容易发现摆动 中普通机油 的低温 冷却速度 比静止 的 1 5 今 禹 8 2 0水溶 液的要 快 这是在普通机油中淬裂而在冷却速度更快的水溶液 中未淬裂的原 因 热处理 2 0 0 5年第 2 0卷第 4期 3 7 维普资讯 冷却速度 q C S 图5 1 5 今 禹8 2 0不搅动与普通机油搅动的 冷速 曲线对比 F i g 5 C o mp a r i s o n b e t w e e n c o o l i n g r a t e s o f s t a t i c 1 5 J i n y u 8 2 0 q u e n c h a n t a n d a g i t a t e d p l a i n e n g i n e o i l 8 采用双 或者多 介质淬火等操作方法来解 决特定的热处理问题 水淬一油冷是最普通的例 子 这类方法的思路是在工件的不同温度范围使用 不同的淬火介质 高温阶段水冷却快 有利于防止 过冷奥氏体发生珠光转变 因此用水冷却 低温阶 段油的冷却烈度比较缓和 能够防止工件发生淬火 开裂 因此用油冷却 按照这种思路 高温阶段还可 以选择 P A G水溶液 盐水或者碱水等等 低温阶段 可以选用快速淬火油 P A G水溶液 低温盐浴 浆状 介质 风冷以及静止空气冷却等等 不同的搭配 就 有不同的适用范围 图6是采用水淬一油冷 以及 采用水淬一浆状介质冷却所获得的冷却特性曲线 对于双介质淬火 水淬一油冷的难点有两个 一是工 件从前一种介质 向后一种介 质转 移的时间 另一个 是转移操作 从图6 a 和 b 的对比可以看出 由 于浆状介质具有适当的低温冷却速度 水淬一浆状 介质冷却对转移时间的要求不那么苛刻 一般说 只要能解决好这一转移过程的操作和时间控制问 题 双介质淬火法就能得到推广应用 分级淬火 间 断淬火等方法 实质上也属于多介质淬火方法 冷却速度 C S 冷却速 度 C S a b 图6 双液淬火的冷却速度曲线 a 水 普通机油 b 水 浆状介质 F i g 6 Co o l i n g C u r v e s o f t wo l i q u i d q u e n c h i n g a w a t e r p l a i n e n g i n e o i l b w a t e r s l u r r y l i k e q u e n c h a n t 3 关于液态淬火介质的第二个共性缺点 形程度 比在上述快 速油 中淬火 要小 在热 处理行 图7是某厂使用的一种快速淬火油与 1 6 0 C 低 业 至今还有这样的说法 淬火介质的冷却速度越 温盐浴的冷却特性对比 图中 淬火油的冷却速度 快 工件的淬火变形就越大 显然 上述生产实践 相当快 到 3 0 0 C 的时间为 1 1 2 S 3 0 0 C 的冷却速度 与这种说法是不一致的 在上述快速淬火油中淬火 为 1 8 C S 在淬火冷却的所有温度范围 1 6 0 C低 变形更大的原因 是工件在淬火冷却过程中遇到了 温盐浴的冷却速度都高于该快速淬火油 生产应用 特性温度问题 而低温盐浴的特性温度高于工件的 证明 多数工件在上述 1 6 0 C 低温盐浴中淬火后 变 加热温度 冷却过程中就没有特性温度问题 3 8 热处理 2 0 0 5年第 2 0卷第 4期 维普资讯 冷却速度 C S 图7 1 6 0 o C 硝盐浴与今禹Y1 5 1 1 淬火油的冷速曲线对比 F i g 7 C o d i n g r a t e c u r v e s o f n i t r a t e b a t h a t 1 6 0 C a n d J i n y u Y1 5 1 1 q u e n c h i n g o i l 在淬火冷却过程中 放在淬火槽不同位置的工 件 以及同一工件的不同部位 因为冷却条件不同 会在不同时间遭遇特性温度麻烦 结果 由此引起的 淬火变形量就具有很大的分散性 这是特性温度问 题引起的淬火变形的一个重要特点 图8 是一种齿 轮在 2 2 0 o C低温盐浴和 1 0 0 o C热油 中淬火后的淬 火 变形情况对比 J 图中 和盐浴淬火相比 热油淬 火的变形程度大而且特别分散 除了引起淬火变形 之外 包含特性温度问题的淬火冷却 还常常因为蒸 汽膜阶段的冷却速度慢而引起工件的淬火硬度不均 匀 一 1 0 5 9 5 一一8 5 一 7 5 6 5 嘲 一5 5 一 4 5 留 一 3 5 2 5 1 0 图8 在两种介质中淬火的齿轮的畸变情况对比 F i g 8 D i s t o r t i o n a mo u n t o f g e a r s q u e n c h e d i n t wo b r e e d o f q u e n c h a n t s 凡是工件的人液温度高于介质的特性温度 而 冷却的终止温度又低于介质的特性温度的淬火冷却 过程 都会遇到特性温度问题 自来水的特性温度 随着水温升高而迅速降低 会使工件上接触不同水 温的部分遇到不同的特性温度问题 所以 在 自来 水中淬火 常常出现硬度不均和大的淬火变形 淬 火油的特性温度 比较稳定 即油温变化对油的蒸汽 膜阶段