等温淬火油用于齿轮的淬火冷却.doc

2007年安徽省热处理年会论文等温淬火油用于齿轮的淬火冷却雷 声1，2, 陈希原3,杨凯士4,王大志4(1. 合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2. 安徽建筑工业学院，安徽 合肥 230022；3. 重庆海森公司，重庆 400039; 4. 安徽信发齿轮机械有限公司，安徽 东至 247201)摘 要：通过两种用于齿轮淬火冷却的淬火介质的对比实验分析，本文讨论了淬火介质的冷却特性对齿轮性能和尺寸变化的影响。结果表明，等温淬火油可以减小畸变，可成功地用于齿轮生产。关键词：淬火介质；齿轮；特性中图分类号：TG157Application of isothermal quenching oils to Quenching of GearsLEI Sheng1，2,CHEN Xi-yuan3, YANG kai-shi4, WANG da-zhi4 (1Hefei University of Technology,Hefei 230022,China；2. Anhui Institute of Architecture and Industry, Hefei 230022,China；3. Chong qing H-senic company , Chong qing 400039,China； 4.Anhui Xingfa Gears CO.,LTD. Dongzhi 247201,China)Abstract: Based on analyzing two kinds of quenchants , The quenchants is used for quenching of the gears . The influence of the cooling characteristics of the quenchchant on the properties and dimensions of the gears was discussed.The results show that the isothermal quenching oils can decrease the distortion of gears and can be successfully applied on the gears production .Key words: quenchants；gears ；characteristics淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证，对热处理后工件的质量影响很大。在热处理生产中，常用的淬火介质有水、油、盐类等，对合金钢而言，一般选择用油淬火，对齿轮而言，相当多的厂家采用N15和N32机械油或几种油的混合物作淬火油（称为”普通淬火油”），积累了丰富的经验。随着我国科学技术的飞速发展，各种专用淬火油、分级淬火油大量出现，必将改变半个多世纪以来单纯用水、机油等非专用淬火介质的局面。面对众多的淬火油品种，如何正确选择适用的专用淬火介质并有效控制和改善冷却方式以提高和改善零件的综合热处理质量，是热处理技术人员面临的新课题。齿轮公司一直采用N32机械油作淬火油。N32机械油易燃，经加热的工件淬入后产生大量的油烟，必须采取除烟和净化处理措施；齿轮淬火后变形较大，不能满足齿轮更新换代后对精度的更高要求。水溶性淬火介质发展迅速，由于水溶性介质在淬火冷却中存在着逆溶现象（热分离特性），而浓度、液温和搅拌等因素的变化对冷却特性影响很大，因此一般要求液温控制在60以下使用，这对于像齿轮这样大批量产品则要求是非常苛刻的，不仅要求淬火槽要配有合理的搅拌系统，而且要附有强力冷却热交换系统。此外还有溶质粘附于淬火件后带出而引起浓度变化的问题，生产中要使用折光仪对其浓度的变化进行监测。总之，水溶性介质不但在管理、操作、保养等方面要求很高，而且其冷却特性也不太适应淬透性高的合金钢件的淬火，因此在齿轮淬火冷却中的应用颇受限制1。目前我国齿轮热处理生产中有些采用了专用淬火油，对保证齿轮心部及表面硬度和硬化层深度一般不存在大的问题，核心是如何减小畸变。通过充分调研，我们决定采用重庆海森公司生产的HSFD-2型分级等温淬火油与N32机械油进行对比试验，以确定对齿轮组织与性能的影响，并确定减小畸变的效果。1 HSFD型分级等温淬火油与N32机械油的性能对比1.1 理化性能选择淬火油，首先应对淬火油的运动粘度、闪点、酸值和抗氧化稳定性等物理性能予以关注。淬火油运动粘度低，则流动性好；淬火油的开口闪点要求应高出油的准许使用温度上限70以上，以确保油的安全和作者简介:雷声(1964-)，男,安徽合肥人，副教授,博士，主要从事材料加工、机械制造方面的研究，已发表论文20余篇。联系电话15955158686 E-mail：抗老化性能。由表1可见，HSFD型分级等温油在使用中具有较低的粘度和高的闪点，不但可减少工件淬火时的带出量，而且可提高该油的使用温度范围，降低引起火灾和减少油烟的可能性2。表1 主要理化性能指标项 目理化性能指标分析方法HSFD型分级等温油（100）N32油（40）外 观浅黄色透明棕黑色目视法运动粘度，mm2/S14.028.835.2GB/T265闪点（开口），230170GB/T3536水份，%痕迹痕迹GB260光亮性，级2.03.0SH0564附录A推荐使用温度（）100140801.2 冷却性能评价淬火油的冷却性能，人们通常采用冷却特性曲线。冷却特性曲线中的特性温度（Tvp）、最大冷速（Vmax）、最大冷速所在的温度（Tv）、对流开始温度（Tcp）、300冷速（V300）等是决定淬火油冷却性能的几个要素，对使用效果影响较大。两种油冷却性能对比见表2和图1。淬火油的淬火冷却过程通常有三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段和对流冷却阶段3。HSFD分级等温淬火油的冷却特点是：特性温度（Tvp）、最大冷速（Vmax）、最大冷速所在的温度（Tv）、对流开始温度（Tcp）等相对于N32机械油提高了很多。一方面有利于齿轮淬火时能够容易地躲过该钢的过冷奥氏体连续转变曲线的“鼻子尖”，另一方面蒸汽膜阶段缩短，高温阶段冷速快，工件各处冷却均匀且温差减少，有利于减少变形。另外，HSFD分级等温淬火油的对流开始温度较高（相对于N32机械油，提高了100以上）。对流开始温度的高低对工件的淬硬深度和心部硬度有一定的影响4。一般说来，特性温度越高，则淬火油高温区（800500）的冷却能力就越大。但对于齿轮这样复杂形状的零件，若高温区冷却太快，则在齿轮不同部位产生较大的温差，不利于热应力的释放。所以高温区的冷速也要适中。HSFD型分级等温淬火油的油温由80提高到120，决定淬火油冷却特性的几个要素变化较小，但特性温度（Tvp）、对流开始温度（Tcp）等呈上升趋势，有利于减少变形。表2 不同油的冷却性能名 称N32油（40）HSFD-2型分级等温油备 注80120特性温度（Tvp），6207507601.测量仪器：ivf qunchotest 淬火介质冷却特性测试仪；2测量标准：ISO9950:Industrial quenching ils-determination of cooling charateristics-Nickel-alloy probe test method；3.搅拌程度：静止；最大冷速（Vmax），/s709088最大冷速所在的温度（Tv），520670680对流开始温度（Tcp），280440450300冷速（V300），/s1098图1 冷却特性曲线以上提供了按标准测定的淬火油的冷却性能，但是最终判定淬火油的淬火冷却效果是工件淬火后的质量，如硬度、金相组织、渗碳层深、变形量大小等检测项目指标。2 实验方法2.1 实验产品名称实验齿轮为I-R档齿轮（如图2）；实验产品名称图号为81型37114图2 I-R档齿轮零件图2.2 实验产品材料、热处理质量要求齿轮材料为20CrMnTi钢，经碳氮共渗热处理后要求达到：渗层为0.48-0.75mm、齿面淬火硬度59-63 HRC、心部硬度35-48 HRC。2.3 淬火油种类和油温提前配备N32机械油、HSFD分级等温淬火油等两种淬火介质，实验可保证淬火介质的量足够大。为了保证所有实验产品均处在相同的材料和相同的热处理工艺规范条件下，所有实验产品经打字编号后放在同一炉中进行碳氮共渗处理，然后分批分段取出，在N32机械油（室温、80两种）和HSFD-2型分级等温淬火油（室温、60、80、100、120五种）中淬火，进行对比热处理实验，其两种油品及不同的油温淬火条件下取样数量都为10件。2.4 检测项目2.4.1 热前检测热处理前检测花键孔两端几何尺寸及公法线变动量。抽6件检测齿形齿向，其中3件用HSFD油淬火，3件用N32机械油淬火。2.4.2 热后检测热处理后检测齿轮的几何尺寸、硬度和金相组织。抽6件检测齿形齿向；每种油品的不同温度各取一件淬火齿轮进行金相检查。齿轮在不同种油品的各种温度下淬火后，经剖齿分别测定齿表面和心部硬度，并且每个齿延齿顶中点往心部每相隔0.1毫米打硬度来检测硬化层深度，以便比较不同淬火油的冷却能力和淬火效果。3 实验结果及分析经检验，I-R档齿轮经HSFD-2型分级等温油淬火后，其表面硬度、心部硬度、金相组织、渗碳层深度及变形量均满足该零件的技术性能要求。3.1 淬火油温的影响对于HSFD油，随着油温升高，淬火冷却的低温冷速也略有减小。但是淬火油的粘度随温度变化很大，油温升高，流动性得以改善，热油的良好流动性使得工件的冷却更加均匀。由表1可知：淬火油温升高，其最大淬火冷速、低温冷速（300）减小值并不大，油温从80升为120，低温冷速（300）从9/S减为8/S。, 另外，当油温在60时，经HSFD-2型分级等温淬火油淬火后工件表面残留的油泥太重，生产中应在100以上使用为好。3.2 金相显微组织试验观察试样经不同油品在不同温度下淬火显微组织如表3，齿轮齿部的碳化物、马氏体和残余奥氏体、铁素体等级别没有显著的差别。表3 不同淬火油品和不同油温下的金相组织淬火油金相检查层深(mm)碳化物（CM）（级）马氏体+残奥（M+A）（级）铁素体（F）（级）油品油温N32室温24.510.75801310.75HSFD-2室温2310.75603310.75801410.761001410.761201310.763.3 淬火硬度和淬硬层深度齿轮在两种油及不同的油温下淬火后的表面硬度、心部硬度和淬硬层梯度结果见表4。与N32机械油相比，除表面硬度相同外，齿轮经HSFD油不同油温淬火后的心部硬度较低、硬化层梯度较陡。实验所用的N32机械油为工厂正在生产所用的油，有一点老化。一般随着淬火油的老化，油的特性温度下降，在一段时间内，淬火油的总体冷却能力会提高，可能引起较大的畸变甚至开裂，这是因为在油的氧化、脱水、分解及聚合的过程中，生成一些“活性物质”，它们的作用相当于低温区的催冷剂，由此造成N32机械油低温冷速提高。同时，分级淬火油的对流开始温度较高，在对流阶段齿轮心部温度的降低是靠心部向表面的热传导和表面与油进行对流换热进行的，试样冷却明显减慢，齿轮冷却提前进入对流阶段，势必造成齿轮内部温度降低减缓，低温冷却速度降低。所以，分级淬火油低温冷速比实验所用的N32机械油更低，造成齿轮齿部硬度梯度下降较快，且心部硬度稍低。提高所用介质的低温冷却速度，往往可以增大淬硬层深度。在渗层碳浓度分布相同的情况下，低温冷却速度更高的淬火油，往往能获得更深的淬火硬化层。表4 不同淬火油和不同油温下的淬火硬度淬火油表面硬度（HRC）心部硬度（HRC）距齿顶中点不同深度处硬度（HRC）备注0.1mm0.2mm0.3mm0.4mm0.5mm油品油温N32室温6046585452504780594557.554525047HSFD室温59.5415552494846淬火后工件表面油泥太重60604156524847.546.98059.5375551484642.61005937555148464312059425751.5464543.63.4 齿轮变形控制淬火介质的冷却特性对变形影响很大。机械油的蒸汽膜阶段长，工件高温阶段的冷却慢，可能出现的问题是低碳钢制的工件容易发生先共析铁素体转变，而带花键孔的齿轮等又特别容易变形。和普通机油相比，分级淬火油在冷却特性分布上有蒸汽膜阶段短的特点，因而使工件在高温阶段冷却的更快和更均匀。这有利于防止先共析铁素体的析出，也有利于防止带花键孔的齿轮的变形。由表5中可以看出用分级淬火油相对于机械油，其花键孔直径热前热后差值有所减小，公法线长度热前热后差值也有所减小。表5 不同淬火介质、淬火液温度下的齿轮变形量淬火油花键孔(mm)公法线长度(mm)热前热后差值热前热后差值油品油温N32室温25.17025.113-0.05719.92219.951+0.0258025.17525.125-0.0519.92519.947+0.022HSFD室温25.16525.129-0.03619.9319.950+0.0206025.18525.145-0.0419.9219.940+0.028025.16525.125-0.0419.91619.931+0.01510025.16525.125-0.0419.9319.945+0.01512025.18525.145-0.0419.9219.938+0.018齿轮是带较深内孔的形状复杂的工件，对齿形、齿向要求很高，宜选用蒸汽膜阶段短的介质，介质最好在钢材即将发生马氏体相变之前及马氏体相变过程中，冷却速率低。以前人们选用硝盐作为淬火介质，但是硝盐的易燃、易爆和有毒性限制了其使用范围5。使用分级淬火油，可以部分解决这种问题。由表6可以看出，分级淬火油经120分级淬火后，齿轮的齿形、齿向其热前热后几乎没变化，而N32机械油经80油温淬火后，齿形、齿向其热前热后变化相差两级，变形较大。HSFD-2型淬火油的对流开始温度远高于齿轮材料的MS点（表面含碳量1.0%时，20CrMnTi齿轮的Ms点为180，Mf点为30）,表明在马氏体转变之前，冷却速度已经减缓下来，马氏体转变的猛烈程度较低，造成的组织应力相对较小，变形也较小。而在MsMf之间进行马氏体分级等温淬火更减小了马氏体转变速度，在Ms-Mf温度区间的齿轮表面与心部温差造成的变形更加减小，改变齿轮各部位的应力分布。对低合金渗碳钢件，选择能在略低于Ms点附近等温冷却的淬火油(等温分级淬火油) 可以提高相变均匀性，降低残余应力，使变形趋于最小6。分级等温淬火油的闪点大大高于N32机械油，从而可以选取较高的等温淬火温度，比普通机油冷却更缓慢。等温淬火油，在冷却的第一阶段（高温阶段）具有较高的冷却能力，在冷却的第二阶段（低温阶段）比N32机械油冷却减缓，从而可以减小工件淬火变形和开裂的危险性。表6 不同淬火条件下的齿轮