水溶性淬火介質在現代熱處理中的應用

為提高機械產品的使用性能及壽命，充分發揮金屬材料的潛在性能，人們常常對機械零部件進行熱處理，而淬火又是熱處理最基本的工藝之一；因此，淬火質量就成為保證機械產品質量的關鍵，而保證淬火質量的關鍵又取決于淬火介質(冷卻速度)。

傳統熱處理通常采用的淬火介質為水和油，油淬主要用于淬裂傾向較大的工具鋼、高合金鋼及中低合金結構鋼等，由于油的冷卻速度較慢，經常出現淬火硬度不足或淬硬層深度達不到預定要求等現象。水的冷卻速度較快，又常常容易造成淬火畸變扭曲，甚至造成開裂使工件報廢，同時，由于淬火過程中汽化而產生的氣泡，至使工件表面冷卻不均而出現軟點。油淬是熱處理工藝造成環境污染的重要因素之一，治理傳統熱處理污染是擺在熱處理工作者面前的一項重要課題，因此，對其系統而全面地認識、研究并采取有效措施進行遏制，對提高現代熱處理工藝水平，改善操作者工作環境，防止污染，節能增效具有現實和深遠的重要意義；水溶性淬火介質冷卻速度介于油和鹽水之間，它克服了水和油的上述弊端，同時它的最大優點是無毒、無有害氣體、無火災危險、不污染環境、成本低廉等，因此推廣應用新型的水溶性淬火介質就顯得尤為重要，它不僅解決了上述諸多問題，而且介質和水無限互溶，通過調整濃度可以獲得任一介于鹽水和油之間的冷卻速度，因此，在提高產品質量、降低工藝成本和安全高效、環保節能等諸方面都有明顯效果。

1 試驗研究

1.1 淬火介質

通過對多種水溶性淬火介質進行實驗比較，找出其各自的優點與特性，最后選定JEF型淬火介質；它的節能效果，淬硬性及應用材料范圍廣等優點尤為突出。

1.2 熱處理工藝

淬火加熱溫度按傳統加熱溫度計算再降低30℃—50℃，保溫時間各種材料不變。

1.3 試驗材料

試驗材料規格、牌號及化學成分如表1所示；

1.4 試驗設備

試驗設備采用RX-45及RX-5中溫箱式電爐，鋼制淬火槽，淬火槽規格為600mm×300mm×300mm；

1.5 淬火介質數量

初次試驗淬火介質重量為24 kg。

1.6 介質配比與濃度測定

淬火介質與水的配比為3：7，即：3份水溶性淬火介質原液加7份水。對介質濃度的檢測用婆梅比重計放在淬火液槽中可直接獲得讀數。婆梅密度為7.5，如不在此范圍可加原液或水進行調整。

1.7 試驗過程

(a) 將Φ10mm×180mm的65Mn棒料裝入Rx-5-9型箱式電阻爐加熱至810℃保溫后，用鉗子將試件取出，迅速放入已配制好的淬火介質中冷卻，待工件與介質溫度基本一致時取出，進行觀察、測試；

(b) 將Φ20mm×100mm的T8棒料裝入Rx-5-9型箱式電阻爐加熱至790℃保溫后，按(a)的操作步驟進行淬火與測試；

(c) 將80mm×40mm×16mm與Φ18mm×170mm的45鋼試件分次裝入RX-5-9型箱式電阻爐加熱至810℃保溫后，按(a)的操作步驟進行淬火與測試；

(d) 將Φ10mm×100mm 65Mn的工件(摟齒)裝入RX-45-9型箱式電阻爐加熱至810℃保溫后，用鉗子將工件取出，迅速放入淬火介質中冷卻，待工件與介質溫度基本一致時取出，進行觀察、測試。

1.8 檢測結果與分析

采用HR-150型洛式硬度計，分別對淬火試件進行洛氏硬度(HRC)檢測。試驗的材料、熱處理工藝及結果見表2；

從表2、表3及實驗過程可以看出：

(1)淬火溫度降低30℃-50℃仍有高的硬度；

(2)同一型號濃度的淬火介質，它適用材料的品種多，按傳統(常規)熱處理工藝，中碳鋼(45鋼)與高碳鋼(T8)及合金結構鋼(65Mn)是不能用同一種介質淬火的，而JEF型淬火介質就實現了這一目的；象T8鋼特別是在截面積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，經常出現淬火后開裂或硬度達不到要求等現象。

依據以上實驗結果及分析，針對方捆機的部分胎模、沖模材料為T8的進行了傳統(常規)熱處理和用JEF型水溶性淬火冷卻介質進行淬火試驗比較，結果按傳統(常規)熱處理5件沖模，其中2件不合格，即使合格者在生產使用過程中也出現開裂報廢，存在質量安全隱患，改用JEF型水溶性淬火冷卻介質進行淬火的沖模，淬火硬度高達64HRC仍未出現異常，上述幾種材料按傳統(常規)熱處理工藝淬火，其結果見表3。

回火后投入生產效果良好，目前仍在生產作業中正常安全的服役。

2 工裝改造

根據現場生產條件的狀況，仍然采用原有傳統熱處理工藝流程，為節省開支利用原有的淬火槽與儲油箱，因JEF型淬火介質不能混入油類等物質，故改造原有的油箱與淬火槽及循環系統。因介質使用溫度所限制，再加上淬火槽與儲油箱是原有的較小，故增設了冷卻塔一座，考慮直接冷卻介質時有飛濺與散熱揮發會造成不應有的損失，又增設了一套換熱器與清水箱，把換熱器放在儲存箱中，用清水箱的冷水通過換熱器輸送至冷卻塔，使淬火液達到降溫之目的。

3 水溶性淬火介質的應用

3.1 摟齒熱處理

把JEF型淬火介質母液900kg注入淬火槽中，然后加水2100kg稀釋，即為3:7的比例，實測婆梅密度為8.0稍高于7.5的規定。

摟齒由材質為65Mn制造，原摟齒用油淬火加熱溫度為870℃，改用水溶性淬火介質后的加熱溫度降低至820℃，而淬火后硬度為60HRC比油淬提高了10HRC，硬度均勻，優于油淬；同時因高溫段降低了50℃之多，電力消耗節省較明顯，并且工件氧化現象明顯減少。因65Mn材料易氧化脫碳，不難看出降低了溫度很大程度上防止和減少了氧化脫碳現象，從而也是對熱處理質量得以充分保證的條件之一。

為保證摟齒淬火質量，在生產過程中一般每天都對介質測試一次，高于婆梅密度7.5就加水進行調整，溫度控制在50℃以下，但在生產過程中有時達到近80℃，但工件硬度保持不變，介質性能沒有發生變化。

3.2方捆機切刀熱處理

方捆機切刀有4種其厚度要求為14mm的板材，它是該產品關鍵件之一，原設計為T9鋼，要求熱處理硬度56HRC-60HRC，因市場買不到14mm厚的T9鋼板，臨時改為45鋼淬火用傳統方法水淬硬度不足，采用水溶性淬火介質完全達到了硬度要求，解決了生產急需，保證了銷售供貨期限。

3.3討論

理想的淬火冷卻介質應具有如下特征：當工件冷卻到高于650℃時，冷卻速度稍慢，以免工件變形過大，而在奧氏體(A)不穩定區650℃-400℃冷卻時，應具有足夠大的冷卻速度，以防止奧氏體發生珠光體轉變，在400℃以下冷卻時，其冷速應趨于緩慢，以免馬氏體(M)相變時產生極大的內應力，引起變形甚至開裂。從應用結果與材料的內部顯微組織(見65Mn樓齒金相組織，圖1)特征及在冷卻時產生定溫放熱爆炸反應現象及。JEF型淬火介質冷卻曲線(見圖2)看， JEF型水溶性淬火介質中的化學元素在300℃附近(320℃-280℃)的特定溫度下突然發生爆炸反應，反應生成的熱流緊緊包裹在工件周圍使工件的冷卻速度驟然下降，隨機冷卻曲線出現斷點，過后工件又恢復正常冷卻速度；這一特性既保證了介質的冷卻能力又解決了300℃附近的冷卻速度問題，使工件在強冷卻能力的介質中迅速過冷、充分淬硬，當溫度降到300℃附近時又突然緩冷，減小淬火應力確保材料不開裂，畸變小。

4 經濟效益分析

以生產摟齒計算，首先，由于降低了淬火加熱溫度，節電要超過10％，按此計算，每班至少節省30-40元；其次，由于以水代油無火災隱患，無需配備更多的消防器具，節省了一定的開支。另外在勞保方面不用帶耐油防護手套，耐油鞋等防護用品；再次，最主要的是淬火介質消耗減少，按往年熱處理工件數量需消耗3噸左右變壓器油，按2003年價格計算，價值為2.025萬元左右，使用、JEF型淬火介質，2004年，價值為0.455萬元，當年節省1.57萬元，從另一個角度講用油淬火每噸工件介質成本為370元，而用水溶性介質成本每噸為82.8元：水溶性淬火介質徹底解決了火災的隱患，無污染，社會經濟效益十分顯著。

5 注意事項

(1)水溶性淬火介質為無機高分子復合結構，對工件有微腐蝕現象，對淬火后不再進行金屬切削加工的工件需要清洗，不然在存放過程中會生銹；解決的辦法最好是在回火后浸水清洗。

(2)在中國寒冷地區不宜在外存放，不然會把容器凍裂，在冬季生產時要特別注意循環管道的防凍。

(3)由于水溶性淬火介質有定溫放熱爆炸反應功能，對工件表面要求應無明顯劃痕，否則易在此處造成淬火裂紋。

6 結語

(1)通過實驗分析與生產實際應用，JEF型水溶性淬火介質完全可以代替油，且它的淬火冷卻速度可通過濃度來調整。

(2)JEF型水溶性淬火介質的冷卻速度隨其濃度的增加而減小，但要控制在一定范圍內。

(3)同牌號同濃度的淬火介質適用材質多。

(4)濃度測試操作簡單、容易掌握。

(5)節能、降耗、高效、環保。