水溶性淬火介质在现代热处理中的应用
为提高机械产品的使用性能及寿命,充分发挥金属材料的潜在性能,人们常常对机械零部件进行热处理,而淬火又是热处理最基本的工艺之一;因此,淬火质量就成为保证机械产品质量的关键,而保证淬火质量的关键又取决于淬火介质(冷却速度)。<P></P> 传统热处理通常采用的淬火介质为水和油,油淬主要用于淬裂倾向较大的工具钢、高合金钢及中低合金结构钢等,由于油的冷却速度较慢,经常出现淬火硬度不足或淬硬层深度达不到预定要求等现象。水的冷却速度较快,又常常容易造成淬火畸变扭曲,甚至造成开裂使工件报废,同时,由于淬火过程中汽化而产生的气泡,至使工件表面冷却不均而出现软点。油淬是热处理工艺造成环境污染的重要因素之一,治理传统热处理污染是摆在热处理工作者面前的一项重要课题,因此,对其系统而全面地认识、研究并采取有效措施进行遏制,对提高现代热处理工艺水平,改善操作者工作环境,防止污染,节能增效具有现实和深远的重要意义;水溶性淬火介质冷却速度介于油和盐水之间,它克服了水和油的上述弊端,同时它的最大优点是无毒、无有害气体、无火灾危险、不污染环境、成本低廉等,因此推广应用新型的水溶性淬火介质就显得尤为重要,它不仅解决了上述诸多问题,而且介质和水无限互溶,通过调整浓度可以获得任一介于盐水和油之间的冷却速度,因此,在提高产品质量、降低工艺成本和安全高效、环保节能等诸方面都有明显效果。
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<P></P><STRONG>1 试验研究</STRONG>
<P></P>1.1 淬火介质
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<P> 通过对多种水溶性淬火介质进行实验比较,找出其各自的优点与特性,最后选定JEF型淬火介质;它的节能效果,淬硬性及应用材料范围广等优点尤为突出。</P>
<P>1.2 热处理工艺</P>
<P></P> 淬火加热温度按传统加热温度计算再降低30℃—50℃,保温时间各种材料不变。
<P></P>1.3 试验材料
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<P> 试验材料规格、牌号及化学成分如表1所示;</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_g8svyp2008728163659.jpg"></P>
<P>1.4 试验设备 </P>
<P></P> 试验设备采用RX-45及RX-5中温箱式电炉,钢制淬火槽,淬火槽规格为600mm×300mm×300mm;
<P></P>1.5 淬火介质数量
<P></P> 初次试验淬火介质重量为24 kg。
<P></P>1.6 介质配比与浓度测定
<P></P>
<P> 淬火介质与水的配比为3:7,即:3份水溶性淬火介质原液加7份水。对介质浓度的检测用婆梅比重计放在淬火液槽中可直接获得读数。婆梅密度为7.5,如不在此范围可加原液或水进行调整。</P>
<P>1.7 试验过程</P>
<P>(a) 将Φ10mm×180mm的65Mn棒料装入Rx-5-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,用钳子将试件取出,迅速放入已配制好的淬火介质中冷却,待工件与介质温度基本一致时取出,进行观察、测试;</P>
<P>(b) 将Φ20mm×100mm的T8棒料装入Rx-5-9型箱式电阻炉加热至790℃保温后,按(a)的操作步骤进行淬火与测试;</P>
<P>(c) 将80mm×40mm×16mm与Φ18mm×170mm的45钢试件分次装入RX-5-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,按(a)的操作步骤进行淬火与测试;</P>
<P>(d) 将Φ10mm×100mm 65Mn的工件(搂齿)装入RX-45-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,用钳子将工件取出,迅速放入淬火介质中冷却,待工件与介质温度基本一致时取出,进行观察、测试。</P>
<P>1.8 检测结果与分析</P>
<P> 采用HR-150型洛式硬度计,分别对淬火试件进行洛氏硬度(HRC)检测。试验的材料、热处理工艺及结果见表2;</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_jlg3xz2008728163745.jpg"></P>
<P> 从表2、表3及实验过程可以看出:</P>
<P>(1)淬火温度降低30℃-50℃仍有高的硬度;</P>
<P>(2)同一型号浓度的淬火介质,它适用材料的品种多,按传统(常规)热处理工艺,中碳钢(45钢)与高碳钢(T8)及合金结构钢(65Mn)是不能用同一种介质淬火的,而JEF型淬火介质就实现了这一目的;象T8钢特别是在截面积稍大一些的零部件用油淬硬度不足,水淬易裂,所以一般采用水淬油冷的方式,但操作者不易掌握,经常出现淬火后开裂或硬度达不到要求等现象。</P>
<P> 依据以上实验结果及分析,针对方捆机的部分胎模、冲模材料为T8的进行了传统(常规)热处理和用JEF型水溶性淬火冷却介质进行淬火试验比较,结果按传统(常规)热处理5件冲模,其中2件不合格,即使合格者在生产使用过程中也出现开裂报废,存在质量安全隐患,改用JEF型水溶性淬火冷却介质进行淬火的冲模,淬火硬度高达64HRC仍未出现异常,上述几种材料按传统(常规)热处理工艺淬火,其结果见表3。</P>
<P align=center><IMG style="WIDTH: 607px; HEIGHT: 258px" height=260 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_pmiybx2008728163846.jpg" width=634></P>
<P> 回火后投入生产效果良好,目前仍在生产作业中正常安全的服役。</P>
<P><STRONG>2 工装改造</STRONG></P>
<P> 根据现场生产条件的状况,仍然采用原有传统热处理工艺流程,为节省开支利用原有的淬火槽与储油箱,因JEF型淬火介质不能混入油类等物质,故改造原有的油箱与淬火槽及循环系统。因介质使用温度所限制,再加上淬火槽与储油箱是原有的较小,故增设了冷却塔一座,考虑直接冷却介质时有飞溅与散热挥发会造成不应有的损失,又增设了一套换热器与清水箱,把换热器放在储存箱中,用清水箱的冷水通过换热器输送至冷却塔,使淬火液达到降温之目的。</P>
<P><STRONG>3 水溶性淬火介质的应用</STRONG></P>
<P>3.1 搂齿热处理</P>
<P> 把JEF型淬火介质母液900kg注入淬火槽中,然后加水2100kg稀释,即为3:7的比例,实测婆梅密度为8.0稍高于7.5的规定。</P>
<P> 搂齿由材质为65Mn制造,原搂齿用油淬火加热温度为870℃,改用水溶性淬火介质后的加热温度降低至820℃,而淬火后硬度为60HRC比油淬提高了10HRC,硬度均匀,优于油淬;同时因高温段降低了50℃之多,电力消耗节省较明显,并且工件氧化现象明显减少。因65Mn材料易氧化脱碳,不难看出降低了温度很大程度上防止和减少了氧化脱碳现象,从而也是对热处理质量得以充分保证的条件之一。</P>
<P> 为保证搂齿淬火质量,在生产过程中一般每天都对介质测试一次,高于婆梅密度7.5就加水进行调整,温度控制在50℃以下,但在生产过程中有时达到近80℃,但工件硬度保持不变,介质性能没有发生变化。</P>
<P>3.2方捆机切刀热处理</P>
<P> 方捆机切刀有4种其厚度要求为14mm的板材,它是该产品关键件之一,原设计为T9钢,要求热处理硬度56HRC-60HRC,因市场买不到14mm厚的T9钢板,临时改为45钢淬火用传统方法水淬硬度不足,采用水溶性淬火介质完全达到了硬度要求,解决了生产急需,保证了销售供货期限。</P>
<P>3.3讨论</P>
<P> 理想的淬火冷却介质应具有如下特征:当工件冷却到高于650℃时,冷却速度稍慢,以免工件变形过大,而在奥氏体(A)不稳定区650℃-400℃冷却时,应具有足够大的冷却速度,以防止奥氏体发生珠光体转变,在400℃以下冷却时,其冷速应趋于缓慢,以免马氏体(M)相变时产生极大的内应力,引起变形甚至开裂。从应用结果与材料的内部显微组织(见65Mn楼齿金相组织,图1)特征及在冷却时产生定温放热爆炸反应现象及。JEF型淬火介质冷却曲线(见图2)看, JEF型水溶性淬火介质中的化学元素在300℃附近(320℃-280℃)的特定温度下突然发生爆炸反应,反应生成的热流紧紧包裹在工件周围使工件的冷却速度骤然下降,随机冷却曲线出现断点,过后工件又恢复正常冷却速度;这一特性既保证了介质的冷却能力又解决了300℃附近的冷却速度问题,使工件在强冷却能力的介质中迅速过冷、充分淬硬,当温度降到300℃附近时又突然缓冷,减小淬火应力确保材料不开裂,畸变小。</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_igosgv2008728164036.jpg"></P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_u6qkdj2008728164045.jpg"></P>
<P><STRONG>4 经济效益分析</STRONG></P>
<P> 以生产搂齿计算,首先,由于降低了淬火加热温度,节电要超过10%,按此计算,每班至少节省30-40元;其次,由于以水代油无火灾隐患,无需配备更多的消防器具,节省了一定的开支。另外在劳保方面不用带耐油防护手套,耐油鞋等防护用品;再次,最主要的是淬火介质消耗减少,按往年热处理工件数量需消耗3吨左右变压器油,按2003年价格计算,价值为2.025万元左右,使用、JEF型淬火介质,2004年,价值为0.455万元,当年节省1.57万元,从另一个角度讲用油淬火每吨工件介质成本为370元,而用水溶性介质成本每吨为82.8元:水溶性淬火介质彻底解决了火灾的隐患,无污染,社会经济效益十分显著。</P>
<P><STRONG>5 注意事项</STRONG></P>
<P>(1)水溶性淬火介质为无机高分子复合结构,对工件有微腐蚀现象,对淬火后不再进行金属切削加工的工件需要清洗,不然在存放过程中会生锈;解决的办法最好是在回火后浸水清洗。</P>
<P>(2)在中国寒冷地区不宜在外存放,不然会把容器冻裂,在冬季生产时要特别注意循环管道的防冻。</P>
<P>(3)由于水溶性淬火介质有定温放热爆炸反应功能,对工件表面要求应无明显划痕,否则易在此处造成淬火裂纹。</P>
<P><STRONG>6 结语</STRONG></P>
<P>(1)通过实验分析与生产实际应用,JEF型水溶性淬火介质完全可以代替油,且它的淬火冷却速度可通过浓度来调整。</P>
<P>(2)JEF型水溶性淬火介质的冷却速度随其浓度的增加而减小,但要控制在一定范围内。</P>
<P>(3)同牌号同浓度的淬火介质适用材质多。</P>
<P>(4)浓度测试操作简单、容易掌握。</P>
<P>(5)节能、降耗、高效、环保。</P>
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