鑄鍛件冷卻介質(zhì)的選擇

劉鵬 李世超 劉秉承 劉藝壇 姜涌泉 高祿爽

摘? 要：通過分析大型鑄鍛件熱處理材料成分、結(jié)構(gòu)特征、一般技術(shù)要求等，針對(duì)熱處理行業(yè)常用淬火介質(zhì)水、油、新型有機(jī)淬火介質(zhì)等各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了型鑄鍛件熱處理淬火冷卻介質(zhì)的選擇原則，以供制定工藝參考。

關(guān)鍵詞：大型鑄鍛件;熱處理;淬火介質(zhì)

1概述

大型鑄鍛件是發(fā)展電力、船舶、冶金、石化、重型機(jī)械和國防等工業(yè)的基礎(chǔ)和保證，是國家工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志之一，通常安全性要求較高，制造技術(shù)難度大。眾所周知，合理、科學(xué)的熱處理是零件獲得良好性能的前提，冷卻作為熱處理工藝和生產(chǎn)的重要控制環(huán)節(jié)，其重要性更不言而喻了，它關(guān)乎工件相轉(zhuǎn)變時(shí)間、組織狀態(tài)、晶粒度等能否按照工藝預(yù)期順利實(shí)現(xiàn)，直接影響材料微觀組織和宏觀性能，因此一直是熱處理生產(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)。特別是對(duì)于大型鑄鍛件，因其淬火冷卻要求高、技術(shù)難度大，就更顯冷卻的關(guān)鍵。因此，針對(duì)大型鑄鍛件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求等合理選擇淬火介質(zhì)對(duì)于提高其熱處理質(zhì)量有重要意義。

2介質(zhì)冷卻的特性

大型鑄件熱處理大多使用具有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)，這類介質(zhì)冷卻在工件淬火時(shí)通常有3個(gè)階段，蒸汽膜階段、沸騰冷卻階段、對(duì)流冷卻階，每種淬火介質(zhì)上述三個(gè)階段的冷卻速度、豁度等都不相同，同種介質(zhì)也會(huì)隨溫度、介質(zhì)流速、工件表面狀態(tài)等因素變化而變化，這正是介質(zhì)冷卻特性差異的本質(zhì)，也是選擇和使用介質(zhì)的依據(jù)。

2.1水

水成本低廉、安全清潔、冷卻速度快，是最古老的淬水介質(zhì)，但通常它的蒸汽膜階段較長，沸騰冷卻階段和對(duì)流階段發(fā)生的溫度較低，且對(duì)流階段冷卻速度過大，一般在在250350℃范圍，對(duì)大多數(shù)鋼而言，正是其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度過大，較容易引起變形和開裂。

另外，水的冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感，冷卻效果隨水溫升高變化較為明顯，對(duì)于大工件極容易出現(xiàn)冷卻不均勻的情況，工件表層出現(xiàn)軟點(diǎn)。通過往水中加人各種無機(jī)鹽、堿或其混合物，可以形成各種不同的無機(jī)物水溶液。無機(jī)水溶液可以提高工件在高溫區(qū)的冷速，改善冷卻均勻性，使鋼件淬火后獲得較高的硬度，減少淬火開裂和變形，但鹽水淬火更易生銹，同時(shí)堿類溶液淬火不易控制，容易灼傷操作者，易產(chǎn)生有害氣體，危害工人的健康。

2.2油

礦物油作為淬火介質(zhì)，具有粘度低、抗氧化性、使用壽命長和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)普遍應(yīng)用，它的蒸汽膜階段比水稍短些，沸騰冷卻階段冷卻速度比水慢，但對(duì)流冷卻階段冷卻速度比水慢，冷卻較為緩和，因此有利于減輕工件變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)。與水相比，其在一定溫度范圍內(nèi)，通常是4085℃范圍內(nèi)，其冷卻特性變化不大。但它冷卻能力與水相比有限，僅能用在淬透性好、工件壁厚不大、形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的場合。同時(shí)，它閃點(diǎn)較低，在淬火過程中易產(chǎn)生濃煙甚至誘發(fā)火災(zāi)，對(duì)環(huán)境壓力較大。另外，在高、中溫區(qū)冷卻速度過慢、對(duì)低淬透性鋼件淬火后易出現(xiàn)硬度不足、淬硬層深度淺等弊病。此外，長期使用過程中易出現(xiàn)酸化、豁度變化、冷卻能力下降等。

2.3灰（砂）冷

鍛件放在石灰、爐渣或砂中冷卻。所用的石灰、爐揸或砂必須干燥。一般鋼鍛件入灰的溫度不應(yīng)低于500-700℃，周圍蓋灰的厚度不能小于80mm。出灰溫度不應(yīng)高于150℃。

2.4爐冷

鍛件停鍛后直接人爐，在爐中隨爐緩慢冷卻。鋼鍛 件入爐溫度一般不低于500----700℃。爐子應(yīng)事先升到與鍛件終鍛同樣的溫度保溫，待全部鍛件裝人爐后，再按具體要求控制冷卻速度。鍛件出爐溫度一般不得高于100----150℃。由于可通過爐 溫調(diào)節(jié)來控制鍛件的冷卻速度，因此，適用于高合金鋼、特殊合金 鋼鍛件及大型鍛件的鍛后冷卻。

2.5噴霧冷卻

噴霧冷卻就是利用壓縮空氣吹到與其成一定角度的水柱上，使水的方向改變并使之成霧狀，然后利用霧化了的水和風(fēng)對(duì)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的軸類零件進(jìn)行冷卻，水壓和風(fēng)壓可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，有些工廠還在噴霧裝置上設(shè)置噴水冷卻裝置，這樣使冷卻速度可以在水冷到自然空冷的寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

2.6新型淬火介質(zhì)

日前，比較流行的是各種新型淬火介質(zhì)主要是水基淬火介質(zhì)，新型水溶性淬火劑大多屬有機(jī)聚合物系，因其聚合物種類不同而有PAG類，PSA類等種類，它們大多是被加到自來水中配成淬火液來使用，目的在于降低水的低溫冷卻速度。

通過對(duì)濃度、溫度和攪拌程度的控制，可以在一定范圍內(nèi)改變上述冷卻三個(gè)階段各階段的發(fā)生溫度、冷卻速度，進(jìn)而獲得最適合工件冷卻要求的介質(zhì)，可彌補(bǔ)水油冷卻特性方面的不足，進(jìn)而更好適應(yīng)工件淬火技術(shù)要求，以滿足某些特殊場合的使用，另外，它在一定溫度范圍內(nèi)，冷卻能力變化不大，可適應(yīng)批量生產(chǎn)和大件淬火，可有效避免和減輕工件軟點(diǎn)區(qū)，提高質(zhì)量穩(wěn)定性。同時(shí)，生產(chǎn)中相對(duì)環(huán)保，無淬火油煙排放，對(duì)工件及淬火設(shè)備腐蝕相對(duì)很小，淬后工件無需后序清洗;但是維護(hù)和使用相對(duì)麻煩，易滋生微生物需要定期檢測和維護(hù)，盡量減輕老化和變質(zhì)問題。

3淬火介質(zhì)的選擇原則

簡而言之，最理想的淬火介質(zhì)是在鋼的Ms點(diǎn)溫度以上冷得快些，冷到Ms點(diǎn)以下后冷得慢些，但目前為止，還沒有那種介質(zhì)能做到如此，因此必須根據(jù)零件具體特點(diǎn)和要求綜合考慮。一般而言，主要結(jié)合材料化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求綜合考慮。

化學(xué)成分影響鋼的相變點(diǎn)位置、相變區(qū)大小、轉(zhuǎn)變曲線的移動(dòng)，是工藝制定的重要參考和工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。如通常含碳量和合金量越高，過冷奧氏體約穩(wěn)定，即鋼淬透性越好，但同時(shí)如果冷卻不當(dāng)，開裂風(fēng)險(xiǎn)也越大，對(duì)于大型鑄鍛件更是如此，因此中溫階段應(yīng)選擇冷卻速度較慢的介質(zhì)。而到了低溫階段，即略高于N1s點(diǎn)溫度附近溫度區(qū)間，對(duì)于過大工件選擇冷速更慢的介質(zhì)有益于減小淬火應(yīng)力，有時(shí)甚至需要空冷或爐中空冷。又如，有些鋼因某個(gè)元素含量變化，其冷卻轉(zhuǎn)變曲線會(huì)受到明顯影響，這些必須引起注意。

結(jié)構(gòu)主要包括形狀和尺寸因素，有效尺寸過大的工件結(jié)合材料淬透性等，考慮選擇淬火介質(zhì)應(yīng)當(dāng)有較快的低溫冷卻速度，水等。形狀復(fù)雜的工件盡量選擇蒸汽膜階段較短而冷卻速度又較快的淬火介質(zhì)，以防止變形超差，可以考慮合適的有機(jī)淬火介質(zhì)。另外，一般而言，變形要求小的，淬火冷卻中必須有較窄的冷卻速度帶;而允許的變形較大，可以有較寬的冷卻速度帶。

技術(shù)要求主要指取樣位置，性能要求等級(jí)，通常同種材料，要求等級(jí)不同，淬火介質(zhì)選擇就有很大差異，尺寸較大工件取樣位置不同，應(yīng)考慮淬硬層深度，全面權(quán)衡。如水冷大工件易于出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)，取樣結(jié)果可能會(huì)不穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中，大型鑄鍛件淬火往往綜合具體要求及工件特點(diǎn)等因素，靈活采用水、油、或二者結(jié)合，或水空間歇等淬火生產(chǎn)，但隨著淬火介質(zhì)理論和實(shí)踐的不斷豐富和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，工藝研究者們將會(huì)更加科學(xué)靈活選用淬火介質(zhì)，最大程度地滿足工件淬火冷卻要求，提高工件性能。

4結(jié)語

大型鑄鍛件熱處理淬火介質(zhì)的選擇應(yīng)依據(jù)材料成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求綜合考慮，選擇最符合工藝?yán)鋮s要求的介質(zhì)。隨著數(shù)值仿真技術(shù)和淬火介質(zhì)理論的不斷完善，大型鑄鍛件熱處理淬火介質(zhì)的選擇將更加科學(xué)、靈活。

參考文獻(xiàn)

[1]? 李慧劍，申光憲，黃慶學(xué).軋機(jī)油膜軸承錐套接觸疲勞損傷的機(jī)理分析[[J].中國機(jī)械工程，2008，（4）.

[2]? 樊東黎，徐躍明，俘曉輝，等.熱處理工程師手冊網(wǎng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]? 盧銀德.大型鍛件的熱處理工藝[[J].金屬熱處理，2004，（4）.

[4]? 張康夫，王余高，屠偉剛，等.水基金屬加工液四.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5]? 胡紹文，李衛(wèi)明，劉麥秋.水溶性淬火介質(zhì)[[J].熱加工工藝，2006，（6）.