新型淬火冷却介质在工业中的应用
作者：姚继洪
单位：好富顿（上海）高级工业介质有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
热处理实践中常用的淬火冷却介质主要有淬火油和淬火液。随着性能要求的提高，越来越多的具有不同冷却性能表现的淬火冷却介质被不断地应用到各种工件的热处理中。例如：更高淬硬能力的快速淬火油、高冷速的马氏体等温分级淬火油以适应低淬火畸变和更高心部性能的大模数齿轮淬火的要求，以及新型聚合物水剂淬火液用于大型中碳合金结构钢工件的调质淬火中。本文列举了几种新型淬火冷却介质（MT 240、MT 2565和AQ 251及AQ 140）在实际工件中的应用，结果表明这些淬火冷却介质具有优异的冷却性能并获得了理想的工件性能。
按冷却时是否具有物态的改变，可将淬火冷却介质分为两类：一类是不具有物态改变的冷却介质，例如气体和固体；还有一类是具有物态变化的，例如水和油。这一类介质也是目前应用最广泛的淬火冷却介质。专业的成品矿物油基淬火油按照不同的使用适应性又有快速淬火油和马氏体等温分级淬火油之分。多种聚合物水剂淬火液按其聚合物种类的不同，其冷却特性的表现可满足从普通碳钢到高合金钢的热处理淬火冷却的需要。
1.淬火冷却机制与冷却特性
工件在淬火油或淬火液中冷却时，随着温度的下降，淬火冷却介质一般会表现出蒸汽膜、沸腾和对流三个不同阶段（见图1），并且在整个冷却中呈现出一种连续的过程。
（a）一个有物态改变的淬火冷却介质与温度的关系
（b）实际冷却过程
图 1
事实上，淬火是一个热量的转移过程，并且这种转移速度在这三个阶段中是不同的，其中最快的是沸腾阶段。研究表明，冷却中的润湿过程对介质的热量转移起着很重要的作用，且与冷速存在着对应关系（见图2）。介质润湿的动力学可以用液相在固相表面的接触角θ（θ= cos－1(γSL-γSL)/γLV）来表征，且与三相之间的表面能与表面张力有关。介质润湿的运动学涉及蒸汽膜的破裂和润湿速度或润湿的间隔时间。影响介质润湿运动学的主要因素有液相介质的温度、搅拌或流动速度、介质中的添加物及液相介质的特性，还和实际工件的成分和传热性质、工件的几何形状和尺寸、实际工件的表面性质等有关。
图2 添加有添加剂的淬火油润湿角与冷速之间的关系
采取符合ISO 9950标准的IVF冷却特性检测仪（见图3）可以对淬火冷却介质的冷却特性进行检测，并可比较各种淬火冷却介质的性能差别及对使用中的变化做出现状分析。图4显示的冷却特性曲线表明，几种新型淬火油存在着明显的冷却速度的区别。
图3 IVF冷却特性检测仪
图4 具有不同冷速的淬火油冷却特性曲线
（左：MT 355；中：MT 240；右：HQ G）
2.马氏体分级淬火油应用实例
常见的汽车齿轮热处理工艺主要是渗碳淬火，以获得表面高硬度、高耐磨性能，同时心部具有一定的强度和韧性。随着对齿轮精度的要求提高，一种可行的热处理冷却方法是在高油温（某些情况下允许高达180℃以上）条件下进行淬火冷却，以最大程度减少齿轮的淬火畸变对精度损失的影响。
技术上为适应这种比较苛刻的使用条件限制的方法之一，是对淬火油的基础油提出更高的要求，即采用高度精制的石蜡基础油，同时添加特殊的抗氧化剂和润湿剂。第二种方法是考虑到为满足大模数齿轮希望获得较高心部性能的要求，因此可有针对性地赋予马氏体等温淬火油接近于快速淬火油的高冷速（见图4）。以MT 2565和MT 240为代表的淬火油即是为适应以上两种使用条件的新型马氏体等温分级淬火油。表1分别列出了MT 240、MT 355和HQ G淬火油冷却性能的对比。
表1 马氏体等温淬火油和快速淬火油的冷却性能对比
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淬火油 |
单位 |
MT 240 |
HQ G |
MT 355 |
|
Maximum Cooling Rate |
℃/s |
85 |
98 |
78 |
|
Temp. at Max. Cooling Rate |
℃ |
604 |
600 |
602 |
|
Cooling Rate at 300℃ |
℃/s |
4 |
5 |
4 |
|
Time to 600℃ Time to 400℃ Time to 200℃ |
s |
7.5 12 -- |
7.2 11 46 |
7.8 14 -- |
比较由22CrMoH制作的太阳轮和行星轮，渗碳后经MT 2565马氏体分级淬火油淬火的齿轮心部硬度表明，与标准的齿轮淬火用马氏体等温淬火油MT 355相比具有极其接近的心部硬度（见表2），但齿轮精度的损失更小，齿轮公法线处变形量为0.03～0.04mm、齿向变形量0.01～0.02mm、齿圈径向圆跳动可控制在0.01～0.02mm。
表2 MT 2565与MT 355对经相同工艺处理的齿轮心部硬度的比较
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油品 |
心部硬度HRC |
|
|
太阳轮 |
行星轮 |
|
|
MT 2565（155℃） |
40.0、39.2 |
38.4、37.1 |
|
MT 355（110℃） |
43.5、44.0 |
41.2、42.4 |
分析相同材料制作的汽车变速箱主动及从动齿轮的金相组织表明， MT 2565得到马氏体2～3级的表面渗碳层和低碳马氏体及少量贝氏体组成的心部组织（见图5、图6）。
图5 主减速齿面渗碳层组织（500x）
图6 主减速齿心部组织（回火马氏体＋贝氏体＋极少量游离铁素体）（500x ）
利用MT 2565淬火油的高闪点用于奥贝球铁齿轮的等温淬火，以高达240℃的使用油温替代传统的硝盐淬火，具有制造成本低、对环境污染风险小和齿轮淬火畸变小的特点。经连续7年的使用，MT 2565分级淬火油可获得均匀的50HRC左右的表面硬度、以及主要由超过80%以上的下贝氏体和少量马氏体及残留奥氏体所组成的4级以下的金相组织。
对采用碳氮共渗处理的汽车换挡拨叉、变速箱齿套等的淬火畸变量跟踪分析证明，使用MT 2565分级淬火油可取消或减少后续变形校正和精磨工序，同时带来的是改变了原来低质淬火油易老化、或因变形而致95%以上的零件返工或报废的现象，节约了工序成本。
为表现出更高的扭矩，对某些载重车的变速箱齿轮提出了更高的心部硬度要求。利用具有较高冷速的等温淬火油MT 240，对由27MnCr5制作的8模数以上的从动弧齿锥齿轮渗碳淬火后的检测结果表明可获得与经HQ G快速淬火油基本一致的36～37HRC的心部硬度，以及同样优越的心部组织（见图7），但淬火畸变量更小。图8为该齿轮的渗碳层显微硬度梯度。
图7 重载车从动弧齿锥齿轮经MT 240淬火后心部组织
图8 经MT 240淬火的27MnCr5从动弧齿锥齿轮齿面及齿根部位渗碳层显微硬度梯度
3.聚合物水剂淬火液应用实例
运用灵活调整聚合物水剂淬火液的浓度而获得不同冷却性能的原理，代替传统的中碳合金钢调质淬火时的油冷或水淬油冷，可获得更深的淬硬层深度。实际应用结果还证明，采用PAG类的聚合物水剂淬火液可处理的尺寸也越来越大，工件重量甚至能达到近10t。
一个典型事例是如图9所示的大直径曲轴。利用8.5%的AQ 251水剂淬火液对主轴颈为600mm的42CrMo曲轴调质淬火，在要求的相同取样部位得到的结果大大优于原油淬的性能。表3为性能对比，图10为其淬火态下的金相组织。
图9 经AQ 251水剂淬火液调质处理的直径600mm的42CrMo曲轴
表3 AQ 251调质处理42CrMo大直径曲轴力学性能结果
图10 42CrMo经8.5%浓度的AQ 251淬火态时的组织
图11 相同浓度下AQ 140与AQ 251高温冷速比较
AQ 140是一种具有更强冷却能力的新型聚合物水剂淬火液代表产品之一。图11为AQ 140和AQ 251冷却速度的比较。结果显示，在相同浓度下，AQ 140具有比AQ 251更高的冷速表现。表4对比了两者在相同浓度下，对相同直径的42CrMo圆棒淬火后硬度的区别，而使用快速淬火油HQ K得到的结果也一并示于表中。
表4 相同浓度下AQ 140和AQ 251对42CrMo圆棒淬火后的硬度比较
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离下述距离 处的硬度HRC |
AQ 140，6% |
AQ 251，6% |
HQ K |
|
￠55mm×100mm |
￠0mm×100mm |
||
|
1.0 |
53.5 |
54.0 |
48.0 |
|
2.5 |
55.0 |
54.5 |
48.5 |
|
4.0 |
54.0 |
53.5 |
46.5 |
|
5.5 |
54.0 |
53.0 |
46.5 |
|
10.0 |
50.0 |
48.5 |
44.0 |
|
14.0 |
46.5 |
45.5 |
43.0 |
|
17.5 |
47.0 |
44.5 |
42.0 |
|
21.0 |
46.5 |
45.0 |
41.5 |
|
24.0 |
46.0 |
45.0 |
42.0 |
另一个相同的应用实例是对于大直径转轴的调质处理。经AQ 140淬火的42CrMo转轴的力学性能结果如表5所示，在满足要求的前提下，探伤检查结果表明连续两个炉号的转轴无淬火裂纹。
表5 大直径42CrMo转轴AQ 140淬火后力学性能
4.结语
新型马氏体等温分级淬火油及聚合物水剂淬火液，为齿轮渗碳淬火以及大直径中碳合金钢的调质处理等工艺上的应用提供了更多的选择。这些淬火冷却介质的应用结果显示，无论在硬度、金相组织和力学性能上都是令人满意的，并且在某些高要求的淬火畸变控制方面，使用较高温度的马氏体分级淬火油表现更佳。
高的淬火油使用温度对于马氏体分级淬火油的基础油提出了更高的要求。采用经高度精制的石蜡基基础油，并配以高质量的抗氧化和润湿添加剂才能保证高油温条件下延长淬火油的老化时间。
具有更强冷却能力的新型聚合物水剂淬火液使用在中碳合金结构钢的调质处理时，同样能得到满意的力学性能。当与各工序中严格的工艺参数控制相配合时，探伤检查结果表明并不会出现裂纹。
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