水溶性淬火介质在现代热处理中的应用

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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)。
    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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0 G* w1 B: \3 S4 h6 r! y1  试验研究
: V0 [% J6 o$ ~1.1  淬火介质
6 v1 @' Q. j# @, |    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。
- ?4 P" u$ B) k  `4 A# J) H1.2  热处理工艺

    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。
1.3  试验材料
    试验材料规格、牌号及化学成分如表1所示；
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; M" h3 W3 o" ~; I# O" y8 |1.4  试验设备
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    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；
" h* F1 K. ~1 V1.5  淬火介质数量
    初次试验淬火介质重量为24 kg。
1.6  介质配比与浓度测定
    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。
1.7  试验过程
(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；
& c3 m( s' D' U/ U. w3 `0 G5 N(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；
(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；
. M. i" ~8 M6 R; s  u3 C. J! n+ i(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。
5 Q8 N& \6 @) F7 g+ X2 E* d; u% z& A+ P1.8  检测结果与分析
    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；

' ~) l4 X$ I5 d; }8 g# O: m' T    从表2、表3及实验过程可以看出：
$ x6 `* E" Y- y3 _" Q(1)淬火温度降低30℃-50℃仍有高的硬度；
4 s  q" |) f! [(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。
    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。

    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。
% m0 y8 l  e& i' @. a# @0 e2  工装改造
& q9 m% @: ]1 Q8 f6 s- \    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。
3  水溶性淬火介质的应用
3.1  搂齿热处理
    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。
* r; e% ]* Q( [  D" q9 N+ H1 H& b' }    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。
    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。
6 V6 a0 S$ Y% c& T3.2方捆机切刀热处理
* ~0 I% q" ^  t% J0 t9 ]& {    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。
3.3讨论
- k# B4 \' E9 t# 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。

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% \% Y, f5 O- Q' c5 D- d4  经济效益分析
    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。
5  注意事项
(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。
9 z! E/ p4 r) q/ x( d(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。
/ {0 H7 c/ E% g6 k+ p3 {; k(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。
) K. a% Q* }( `! a+ ~" }0 s6 z6  结语
) ]: {3 s, l) H- c( ~6 ]; u) J' M6 A(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。
! j# J4 T- u( r4 ~6 q(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。
(3)同牌号同浓度的淬火介质适用材质多。
(4)浓度测试操作简单、容易掌握。
5 P* g/ f* k; r' m(5)节能、降耗、高效、环保。