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齒輪淬火冷卻中的質(zhì)量問(wèn)題及其解決辦法
2018-06-27 00:00:00 來(lái)源：齒輪淬火冷卻中的質(zhì)量問(wèn)題及其解決辦法 點(diǎn)擊：1740 喜歡：0
不管是滲碳淬火、碳氮共滲淬火、感應(yīng)加熱淬火還是整體加熱淬火，齒輪淬火冷卻過(guò)程可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問(wèn)題主要有：
1．淬火后硬度不足、淬火態(tài)硬度不均、淬火硬化深度不夠；
2．淬火后心部硬度過(guò)高；
3．淬火變形超差；
4．淬火開裂；
5．油淬后表面光亮度不夠。
工廠出現(xiàn)的這類質(zhì)量問(wèn)題往往與齒輪的材質(zhì)、前處理、淬火加熱和淬火冷卻有關(guān)。在排除材質(zhì)、前處理和加熱中的問(wèn)題后，淬火介質(zhì)及相關(guān)技術(shù)的作用就特別突出了。事實(shí)上，近年來(lái)國(guó)外對(duì)淬火冷卻的研究也證明，在改進(jìn)和提高熱處理質(zhì)量的工作中，最值得注意的正是淬火冷卻。
淬火冷卻大多是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的。齒輪淬火用的通常是淬火油、水溶性淬火介質(zhì)和自來(lái)水。因此，下面將首先分析齒輪淬火冷卻可能出現(xiàn)的以上質(zhì)量問(wèn)題與所用淬火介質(zhì)的特性和用法的關(guān)系，并指出解決不同問(wèn)題所需淬火液的冷卻速度分布特點(diǎn)。隨后簡(jiǎn)單介紹常用淬火介質(zhì)的冷卻速度分布特點(diǎn)和選用時(shí)的注意事項(xiàng)。
一、淬火冷卻中的質(zhì)量問(wèn)題
1．硬度不足與硬化深度不夠
淬火冷卻速度偏低是造成齒輪淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不夠的原因，但是，根據(jù)實(shí)際淬火齒輪的材質(zhì)、形狀大小和熱處理要求不同，又可以分為高溫階段冷速不足、中低溫階段冷速不足以及低溫階段冷速不足等不同情況。比如。對(duì)于中小齒輪，淬火硬度不足往往是中高溫階段冷速不足所致，而模數(shù)大的齒輪要求較深淬硬層時(shí)，提高低溫冷卻速度就非常必要了。
對(duì)于淬火用油，一般說(shuō)，油的蒸氣膜階段短、中溫冷速快、且低溫冷卻速度快，往往能獲得高而且均勻的淬火硬度和足夠的淬硬深度。
工件裝掛方式對(duì)淬火冷卻效果也有明顯影響。要使淬火油流動(dòng)通暢，并配備和使用好攪拌裝置，才能得到更好的效果。
提高所用淬火介質(zhì)的低溫冷卻速度，往往可以增大淬硬層深度。在滲層碳濃度分布相同的情況下，采用低溫冷卻速度更高的淬火油，往往獲得更深的淬火硬化層，因此，采用冷卻速度快的淬火油后，可以相應(yīng)縮短工件的滲碳時(shí)間，也能獲得要求的淬火硬化層深度。要求的滲碳淬硬層深度越大，這種方法縮短滲碳時(shí)間的效果越明顯。
2．淬火后心部硬度過(guò)高
這類問(wèn)題可能與所選介質(zhì)冷速過(guò)快或介質(zhì)的低溫冷卻速度過(guò)高有關(guān)。解決辦法之一是改換淬火油來(lái)滿足要求。辦法之二是與淬火介質(zhì)生產(chǎn)廠家聯(lián)系，有針對(duì)地加入適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣?lái)降低淬火油的中低溫冷卻速度。辦法之三是改用淬透性更低的鋼種。
3．淬火變形問(wèn)題
淬火變形使不少工廠傷透了腦筋。按習(xí)慣，變形問(wèn)題的解決通常要牽涉多個(gè)部門，解決的辦法往往是綜合措施。
最近發(fā)表了關(guān)于淬火變形的文章，把引起變形的原因主要?dú)w結(jié)為冷卻速度不足和冷卻不均，并在此基礎(chǔ)上提出了提高冷卻速度并設(shè)法實(shí)現(xiàn)均勻冷卻的解決原則方法，可供參考[1]。提高淬火冷卻速度的措施也在該參考文獻(xiàn)中列出，應(yīng)用時(shí)只要合理選用相同作用方向的措施加上去。就可解決大部分齒輪的淬火變形問(wèn)題。比如，齒輪的內(nèi)花鍵孔變形，往往是所選的淬火油高溫冷速不足，或者說(shuō)油的蒸氣膜階段過(guò)長(zhǎng)的緣故。提高油的高溫冷速并提高油在整個(gè)冷卻過(guò)程的冷速，一般就能解決內(nèi)花鍵孔的變形問(wèn)題。對(duì)于中小齒輪，尤其是比較精密的齒輪，選好用好等溫分級(jí)淬火油是控制變形必不可少的措施。
4．齒輪的淬火開裂問(wèn)題
這個(gè)問(wèn)題主要出現(xiàn)在感應(yīng)加熱淬火中。選擇好水性淬火介質(zhì)，比如國(guó)內(nèi)外普遍采用的PAG類淬火介質(zhì)（如北京華立精細(xì)化工公司生產(chǎn)的今禹8-20等）代替原來(lái)使用的自來(lái)水，問(wèn)題便解決了。感應(yīng)加熱淬火采用PAG介質(zhì)?？梢垣@得高而均勻的淬火硬度和深而且穩(wěn)定的淬硬層，淬裂危險(xiǎn)極小。
5．光亮問(wèn)題
有這方面要求的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)選用光亮淬火油或快速光亮淬火油。通常，光亮淬火油的光亮性好則冷卻速度不夠高，而冷卻速度很高的淬火油的光亮性則不夠好。此外，熱油的光亮性一般也較差，可以換新油或補(bǔ)加提高光亮性的添加劑。
二、齒輪用淬火介質(zhì)的選擇
當(dāng)前用于齒輪淬火的介質(zhì)主要是各種淬火油，水溶性淬火介質(zhì)和普通自來(lái)水。以下分別討論這些介質(zhì)在齒輪淬火中的選用方法和注意事項(xiàng)。
1．自來(lái)水
自來(lái)水是最經(jīng)濟(jì)而又清潔的淬火介質(zhì)。一些含碳量低、淬透性差且形狀簡(jiǎn)單齒輪的調(diào)質(zhì)淬火和感應(yīng)加熱淬火，往往可以用自來(lái)水。作為淬火介質(zhì)，自來(lái)水的冷卻特性是：工件處于高溫階段時(shí)冷得很快，而到了工件處于低溫階段時(shí)冷卻得也很快。冷卻速度快可以使淬透性差和比較厚大的工件淬硬。這是自來(lái)水的優(yōu)點(diǎn)。但是，用自來(lái)水淬火有三大缺點(diǎn)，第一是低溫冷卻太快使多數(shù)鋼種和工件容易發(fā)生淬裂。第二是工件高溫階段冷卻太快，比較細(xì)長(zhǎng)與較薄的工件容易因?yàn)槿胨绞讲划?dāng)而發(fā)生淬火變形。第三，也是不少人容易忽視的缺點(diǎn)，是隨著水溫升高，淬火冷卻的蒸氣膜階段會(huì)逐漸增長(zhǎng)，且工件處于中低溫階段時(shí)的冷卻速度也逐漸降低。由于這種原因，當(dāng)工件采取較密集的堆放方式入水淬火時(shí)，水只有穿過(guò)堆在外面工件之間的縫隙才能接觸內(nèi)面的工件。穿過(guò)外面的工件時(shí)水溫會(huì)逐漸升高。這樣，堆在外面的工件接觸的水溫低，而堆在內(nèi)部的工件接觸的水溫高。致使堆放在內(nèi)、外部的工件的淬火冷卻效果不同。外部的工件冷卻快，淬火后硬度高，并容易淬裂。堆放在內(nèi)部的工件經(jīng)受的冷卻慢，淬火后硬度低。工件堆放得越密集，淬火時(shí)水的流動(dòng)越不通暢，這種差別就越大。這一缺點(diǎn)使自來(lái)水不適用于淬密集堆放的小工件。使用油淬火時(shí)，油溫提高，冷卻的蒸氣膜階段稍有縮短，而油溫升高使油的粘度降低流動(dòng)性變好，有利于提高油的冷卻速度，能使堆放得較密集的工件內(nèi)外冷卻效果基本一致。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，這是用油淬火的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
選用自來(lái)水作為淬火液時(shí)，應(yīng)當(dāng)知道它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。用好它的優(yōu)點(diǎn)，而避免它的缺點(diǎn)。設(shè)法控制好水的溫度。采取堆放方式淬火時(shí)，要設(shè)法使工件堆放得疏松一些，并通過(guò)攪動(dòng)促使淬火液通暢地從工件之間流過(guò)，以減小內(nèi)部的水溫差。
2．水溶性淬火介質(zhì)
自來(lái)水作為淬火介質(zhì)的最大缺點(diǎn)是其低溫冷卻速度太快，使多種鋼制的工件容易淬裂。引起鋼件淬裂的主要原因是水在馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度（Ms點(diǎn)）及其以下的溫度范圍冷卻得過(guò)快。由于這樣的原因，研究開發(fā)水溶性淬火介質(zhì)的第一目標(biāo)就是降低水的低溫冷卻速度?？紤]到多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的Ms點(diǎn)在300℃附近，通常就以工件冷卻到300℃時(shí)水溶性淬火液的冷卻速度，即所謂300℃冷卻速度來(lái)表示該淬火液的冷卻性能。通?？梢杂盟源慊鸾橘|(zhì)的300℃冷卻速度來(lái)對(duì)該介質(zhì)定級(jí)[2]，以便熱處理工作者選用。簡(jiǎn)單說(shuō)，水性淬火液的300℃冷卻速度低，其防止工件淬裂的能力就強(qiáng)；300℃的冷卻速度高，其淬硬能力也高，當(dāng)然工件的淬裂傾向也大。因此，選擇水溶性淬火介質(zhì)首先應(yīng)當(dāng)了解它的300℃冷卻速度。同類淬火介質(zhì)品種中，得到相同的300℃冷卻速度時(shí)的濃度越低，其使用成本也就越低。
水性淬火介質(zhì)有很多品種，不同品種有不同的特性。PAG類介質(zhì)冷卻特性可調(diào)，濃度測(cè)控容易。它既適用于整體淬火，也適用于各類感應(yīng)加熱淬火，且能長(zhǎng)期穩(wěn)定地使用，因而受到普遍歡迎，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外熱處理界使用得最廣泛的水性淬火介質(zhì)。
由于液溫對(duì)冷卻特性影響較大，使用水溶性淬火介質(zhì)時(shí)應(yīng)當(dāng)配備好循環(huán)冷卻系統(tǒng)，以便在使用中調(diào)節(jié)液溫，一般說(shuō)，在水溶性淬火液中淬火時(shí)，工件也不宜在密集堆放條件下入水，以免造成內(nèi)外工件明顯不同的淬火效果。
3．普通機(jī)械油
工廠熱處理生產(chǎn)中使用得最多的普通機(jī)械油是N32機(jī)油（原20號(hào)機(jī)油）和N15機(jī)械油（原10號(hào)機(jī)油）。作為淬火介質(zhì)，這類機(jī)油的特性是，在工件高溫階段蒸氣膜時(shí)間較長(zhǎng)，淬火冷卻速度不高，且低溫冷卻較慢。
油的蒸氣膜階段長(zhǎng)，工件高溫階段的冷卻慢，可能出現(xiàn)的問(wèn)題是低碳鋼制的工件容易發(fā)生先共析鐵素體轉(zhuǎn)變；而形狀復(fù)雜的工件，比如帶花鍵孔的齒輪等又特別容易變形。在中、低溫階段冷卻慢，使比較大的工件不易淬硬或淬硬層深度不足并因此發(fā)生淬火變形。
普通機(jī)油的抗氧化能力差，使用中容易老化變質(zhì)，老化變質(zhì)的主要反映是油的粘度提高低溫冷卻速度降低。變質(zhì)的影響是工件淬火后的硬度和硬化深度見(jiàn)效，且淬火變形增大。粘度提高和產(chǎn)生油泥渣往往給淬火后的清洗造成困難，也使油的消耗量增大。
4．專用淬火油
專用的淬火油一般分為普通淬火油、快速淬火油、等溫分級(jí)淬火油（也簡(jiǎn)稱熱油）、真空淬火油以及光亮淬火油等類。和普通機(jī)油相比，專用淬火油的熱穩(wěn)定性能較好，能更好地保證工件的淬火質(zhì)量。當(dāng)然，專用淬火油優(yōu)于普通機(jī)油的最重要的方面還是它們的冷卻特性。和普通機(jī)油相比，不同的專用淬火油在冷卻速度分布上都有蒸氣膜階段短的特點(diǎn)，因而使工件在高溫階段能冷卻得更快。其中快速淬火油的最高冷卻速度都比較高，中低溫階段的冷卻速度快慢則因淬火油的不同品種而有較大差別。熱油在冷卻特性上的特點(diǎn)是蒸氣膜階段更短，而在工件淬火冷卻的低溫階段冷卻較慢。
快速淬火油主要用于稍厚大的工件和淬透性稍低的鋼種。熱油主要用于較小型的工件和淬透性較好的鋼種。
應(yīng)該說(shuō)，任何淬火油都有適合它的工件。但是，除少數(shù)情況外，每臺(tái)熱處理爐都希望能處理比較多的鋼種和比較多樣的工件，因此，多傾向于選用適應(yīng)范圍更廣的淬火油。一般說(shuō)，淬火油的蒸氣膜階段短，中溫階段冷卻得快、低溫階段冷卻速度大，這種油的冷卻能力就很強(qiáng)，它的適用范圍就廣。不少油淬工件的變形是與它的淬火硬度不足和淬硬深度不夠同時(shí)出現(xiàn)的。而改用這種適應(yīng)范圍廣的淬火油，往往能同時(shí)解決工件的變形、硬度不足和淬硬深度不夠等問(wèn)題。淬火油的蒸氣膜階段短，也就是油的高溫階段冷卻得快。這一特點(diǎn)有利于防止先共析鐵素體的析出，也有利于防止帶內(nèi)花鍵齒輪的變形。簡(jiǎn)單說(shuō)，淬火油總的冷卻速度高有利于獲得較深的淬火硬化層。但從冷卻速度分布上分析，除中、高溫階段要求冷卻得快以外，油的低溫冷卻速度高低對(duì)獲得的淬硬層深淺作用更大。低溫冷卻速度越高，淬火硬化層往往越深。
攪動(dòng)淬火油可以提高油的冷卻速度。冷卻速度比較低的油，攪動(dòng)提高其冷卻能力的作用較大；而對(duì)于冷卻速度高的專用淬火油，攪動(dòng)的作用則相對(duì)較小。
齒輪的淬火質(zhì)量問(wèn)題中還有一類是淬火硬化層過(guò)深。硬化層過(guò)深，常常在使用中斷齒。解決這類問(wèn)題的有效辦法之一是降低淬火油的低溫冷卻速度。
總之，為保證齒輪的淬火質(zhì)量去選擇淬火油時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所處理齒輪的鋼種、形狀特點(diǎn)和熱處理要求從油的冷卻速度分布特性去進(jìn)行選擇，最好能與淬火油生產(chǎn)廠的有關(guān)技術(shù)人員一道，通過(guò)討論分析確定合適的淬火油和合理的使用方法。
三、淬火介質(zhì)在使用中的變化
不管是淬火油還是水溶性淬火介質(zhì)，它們?cè)谑褂弥卸家佑|高溫工件，也都會(huì)受到不同程度的污染。進(jìn)入空氣，介質(zhì)會(huì)被氧化。高溫可能引起有機(jī)介質(zhì)的熱分解、氧化和聚合等反應(yīng)。污染可能使介質(zhì)的氧化和其它變化更復(fù)雜。所有這些變化及其留在介質(zhì)中的變化產(chǎn)物都會(huì)引起介質(zhì)變質(zhì)。淬火油的顏色變化、透明度變化、粘度變化等都是變質(zhì)的表現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，沒(méi)有不變質(zhì)的介質(zhì)。我們所關(guān)心的只有三點(diǎn)：一是變化對(duì)介質(zhì)冷卻特性的影響，二是變質(zhì)的快慢，三是用什么辦法來(lái)了解和糾正變質(zhì)的影響，以保證獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的淬火質(zhì)量。
前面談到，水溶性淬火劑主要用來(lái)降低水的低溫冷卻速度。而水溶性淬火液在使用中的變化趨勢(shì)則正好相反，變化使低溫冷卻速度逐漸提高，企圖恢復(fù)到不加淬火劑之前的程度。
普通機(jī)油在使用中的變化趨勢(shì)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是開始時(shí)低溫冷卻速度逐漸降低、蒸氣膜階段逐漸縮短而中高溫階段的冷卻速度稍有提高。使用時(shí)間增長(zhǎng)，由于油的粘度進(jìn)一步增高，油的中、高溫冷卻速度也將減慢，致使工件的冷卻效果明顯變差。
專用淬火油在使用中的變化比較復(fù)雜，它包含所加添加劑的變化和基礎(chǔ)油的變化兩部分，是這兩方面變化的綜合結(jié)果。不同的淬火油以及不同的使用條件，變化情況會(huì)有比較大的差別。有一點(diǎn)需要指出的是，在不受水污染的條件下，幾乎所有的專用淬火油經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后低溫冷卻速度都會(huì)逐漸變慢[4]。當(dāng)使用時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，工件淬火效果也會(huì)明顯變差。油的穩(wěn)定性好，變質(zhì)得慢；油的穩(wěn)定性差，變質(zhì)就快。
油的使用溫度越高，油變質(zhì)的越快。配備循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使油溫穩(wěn)定在適當(dāng)范圍，并通過(guò)槽內(nèi)的循環(huán)攪拌防止局部過(guò)熱等措施都可減慢油變質(zhì)速度，延長(zhǎng)油的使用壽命。
不同介質(zhì)的變質(zhì)快慢除受介質(zhì)的品種不同和品質(zhì)差異的影響以外，還有一個(gè)共同的影響因素，那就是相同時(shí)期內(nèi)，淬火工件的量越多，淬火液變質(zhì)就越嚴(yán)重。在許多情況下，這里所說(shuō)淬火工件的量應(yīng)當(dāng)是指已淬火工件的總的表面積。工件越小，相同重量的總表面積就越大，淬火介質(zhì)變質(zhì)就越多。
管理問(wèn)題也是影響齒輪淬火質(zhì)量不可忽視的大問(wèn)題。除了應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按工藝操作外，淬火介質(zhì)的管理，尤其是防止污染關(guān)系重大。淬火油混進(jìn)了水、水乳化在油中，往往造成淬火硬度不足或淬火開裂。相反，PAG淬火液中乳化進(jìn)了油有時(shí)也會(huì)引起淬火開裂。
淬火介質(zhì)的顏色、透明度等方面的變化可以反應(yīng)出它的變質(zhì)情況。測(cè)量淬火油的粘度、閃點(diǎn)、殘?zhí)俊⑺嶂档鹊淖兓材艽_定變質(zhì)程度。在變質(zhì)造成的影響中，與工件的熱處理效果關(guān)系最大的是冷卻特性的變化。為了保證齒輪的淬火冷卻效果，建議對(duì)所用淬火油和淬火介質(zhì)作定期的冷卻特性檢測(cè)，并對(duì)介質(zhì)的冷卻特性進(jìn)行管理，一般小工廠沒(méi)有必要配備冷卻特性測(cè)試儀，可以到配備了這種儀器的單位去測(cè)量。淬火介質(zhì)生產(chǎn)單位應(yīng)當(dāng)為用戶工廠進(jìn)行這項(xiàng)檢測(cè)。測(cè)定淬火介質(zhì)的冷卻特性，最好是使用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO9950）的冷卻特性儀。分析介質(zhì)的冷卻特性應(yīng)當(dāng)看介質(zhì)的冷卻速度分布情況，而不是單看最高冷卻速度值。最高冷卻速度相同，或到300℃的冷卻時(shí)間相同的介質(zhì)，因?yàn)樗鼈兝鋮s速度分布情況不同，它們的熱處理效果可能有很大差別。前面已經(jīng)簡(jiǎn)單談到介質(zhì)冷卻速度分布特點(diǎn)與其冷卻效果的關(guān)系，詳細(xì)內(nèi)容可以參看本文后面的參考資料[5]。
在長(zhǎng)期生產(chǎn)中記錄同類工件的淬火硬度，硬化深度以及淬火變形情況，分析它們的變化趨勢(shì)，使我們能了解淬火介質(zhì)冷卻特性的變化規(guī)律。有了這些記錄，不僅能幫助我們控制介質(zhì)的冷卻特性，還可以幫助分析引起現(xiàn)場(chǎng)熱處理事故的原因，從而及時(shí)解決該質(zhì)量問(wèn)題。
前面談到，介質(zhì)變質(zhì)是不可避免的。使用時(shí)間不長(zhǎng)、或淬入工件的量還不多時(shí)，變質(zhì)程度較小，從工件的淬火效果上反應(yīng)不出介質(zhì)的變質(zhì)問(wèn)題。淬火量進(jìn)一步增加，變質(zhì)程度加大到工件淬火達(dá)不到要求時(shí)，變質(zhì)問(wèn)題就真正出現(xiàn)了。淬火量繼續(xù)增大，變質(zhì)更多，工件淬火質(zhì)量就更差。水溶性淬火介質(zhì)變質(zhì)后可能出現(xiàn)的問(wèn)題主要是工件淬火硬度過(guò)高以致工件淬裂。因此，水溶性淬火液變質(zhì)程度可以從同類工件的淬火硬度的變化趨勢(shì)上作監(jiān)視，最好能在出現(xiàn)淬裂之前采取措施。專用淬火油使用中變質(zhì)后，可能出現(xiàn)的問(wèn)題主要是工件淬火硬度偏低、硬化深度不足和出現(xiàn)較大的變形。因此，可以根據(jù)工件的硬度和硬化深度的變化趨勢(shì)對(duì)淬火油的變質(zhì)程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
淬火介質(zhì)變質(zhì)后，繼續(xù)補(bǔ)加原來(lái)的新介質(zhì)能不能使淬火液的冷卻特性得到恢復(fù)呢？
這個(gè)問(wèn)題的回答是：有的介質(zhì)能，有的介質(zhì)不能。對(duì)于濃度可調(diào)節(jié)的水性淬火介質(zhì)，如PAG類水溶性淬火液，在了解其變化規(guī)律的基礎(chǔ)上[6]一般多能通過(guò)補(bǔ)加原來(lái)用的新介質(zhì)使冷卻特性恢復(fù)到新配時(shí)的水平。固定了配方比例的水性淬火液，不能。普通淬火油和專用淬火油也不能。
淬火油變質(zhì)后，只繼續(xù)加入原來(lái)的新淬火油一般不能使油的冷卻特性恢復(fù)到新油的水平。然而，在了解了油的變化規(guī)律后，卻可以通過(guò)改性添加劑使油的冷卻特性得到恢復(fù)。
