油或聚合物：选择合适的淬火介质

　　摘要

　　通过对用于常规淬火的聚合物水溶性淬火液，和用于马氏体等温分级淬火的热油的特性研究，可以很容易地得出使用于特殊场合之淬火介质合适的选择。这些都是热处理中常见的需要技术人员做出选择的问题。

　　关键词：淬火介质，淬火油，聚合物水溶性淬火液

　　讨论

　　热处理中使用最常见的是淬火油和淬火液，大多数情况下使用的都是淬火油，原因是淬火油具有比较和缓的冷却性能。如果不考虑工件的质量效应对性能影响的话，这个特点既能使大多数合金钢制作的机械零部件淬硬，同时又不至于产生过大的热处理畸变而增加后续精加工的难度。然而对于碳钢来讲淬火油就勉为其难了，原因是材料的淬透性发生了很大的改变。虽然人们可以从提高材料的淬透性，或者提高淬火介质的冷却速度这两个方面来弥补上述不足，但可能要面临成本的大幅增加。

　　水淬

　　水淬可产生极高的冷却速度，但对温度的敏感性很大(图1)。水的蒸汽膜非常稳定(图2)，当水的冷速足够大时，即使是较大截面的普通碳钢表面也能淬硬(理想状况下)，但性能并不一定是均匀的。对于截面复杂的碳钢工件，采用水淬还可能面临变形或开裂的危险。

　　水淬还将面临过高的内应力。在某些临界尺寸的水淬钢中，这种开裂倾向常常是难以无法克服的，此时或许不得不考虑选用油淬或空冷硬化钢。

　　水淬油冷是一种常见的淬火方式。这种方法既发挥了水淬的高冷速，又利用了油的低温阶段缓慢冷速以达到既能淬硬、又不致于使工件产生较大变形或开裂。水淬油冷的最大问题是工艺的可操作性太差，对操作者的经验要求比较高。

　　马氏体等温分级淬火

　　与常规淬火有所不同，马氏体等温分级淬火是将工件浸在一种处于较高温度的、通常是100～200℃的淬火油中进行冷却，在取出空冷到室温之前，工件将一直保持在油中直到表面与心部温度尽可能达到一致这样的一种工艺(图3)。

　　大多数情况下马氏体等温分级淬火可以大幅度地减少工件的淬火畸变。在影响淬火畸变的原因当中，很多情况下是由于工件的外形结构和冷却时热量传递的不同步而造成局部温差引起的，这在像齿轮类的零件上表现的尤其明显(图4)。其它因素，包括淬火介质的温度、搅拌、淬火槽的设计和工件的化学成分以及制造工艺等也可能引起变形。

　　热处理变形无法避免，因此更多的只是要求淬火畸变尽可能的小。对于要求得到全部马氏体硬化的中、高合金钢工件的淬火，马氏体等温分级淬火油(或热油)的适应性也就非常明显了，例如：碳含量较高的工具钢，或渗碳钢零件。

　　马氏体等温分级淬火油的冷速比快速淬火油要低一些(图5)，但闪点和粘度一般都比冷油高，因此使用温度也就相应的高得多。

　　聚合物淬火液：优化了的水淬

　　先进的聚合物水溶性淬火液替代淬火油使用已经很多年了，并且有效地扩展了现有的淬火技术，这种介质可以通过调整浓度而得到一个介于水、油之间的中间冷速，以获得所需要的性能。聚合物水溶性淬火液可用于感应淬火、调质淬火等多种工艺应用场合，淬火槽的容积可从小到约190升、达到140000升(约50gal～37000gal)不等。

　　聚合物水溶性淬火液表现出很多优点，包括可消除常见的油烟和火灾危险(图6)、一个更安全的工作环境和在降低淬火内应力的同时得到所期望的淬火冷速，降低使用成本和更简便的废物处理和更干净的工件等等。目前，好富顿公司可以提供的聚合物水溶性淬火液有四种(表1)。

表1  聚合物水溶性淬火液种类

名    称

简称

化学名

Polyalkylene Glycol

PAG

聚烷撑乙二醇

Sodium Polyacrylate

ACR

聚丙稀酸钠

Polyvinyl Pyrrolidone

PVP

聚乙烯吡咯烷酮

Polyethyl Oxazoline

PEO

聚乙基恶唑啉

　　聚烷撑乙二醇(Polyalkylene Glycol，PAG类)产品，如AQ 251 C (全称AQUA QUENCH 251 C简称AQ 251 C，以下产品同)、AQ 140等是目前已知的稳定性相当好的、广泛应用于黑色钢铁零件整体调质、感应淬火等工艺，较高浓度条件下还可用于齿轮的渗碳淬火。

　　聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP类)产品，如AQ 3699，具有优异抗剪切稳定性。因其冷却特性保持了类油的性能，故淬透性适应范围非常宽广。

　　聚烷撑乙二醇基(PAG)水剂淬火液

　　聚烷撑乙二醇基淬火液(如AQ 251 C)，最早是由好富顿于上世纪60年代中期推出的一种商品化的聚合物水溶性淬火液，目前已成功地应用于从小到标准件、大到风电零件的淬火冷却，材料从低中碳钢到高淬透性的合金结构钢零件。

　　最近的一个使用实例是用于处理风电偏航轴承套圈(图7)及风电主轴的调质热处理。这类零件一般选用有一定淬透性的中碳合金结构钢，例如42CrMo(AISI 4140)、40CrNiMo(AISI 4340)，要求有高的低温冲击韧性(-20℃和-40℃)和其它相关机械性能。经5-7% AQ 251 C淬火后，测定到希望的48HRC硬度处的淬硬层深度可达50mm左右。组织显示可得到理想的马氏体淬火组织形貌(图8)，性能也是极其令人满意的(表2)。

　　当用于大直径回转支承的感应淬火时，AQ 251 C同样表现出良好的性能表现，钢球滚道感应淬火后的硬度一般可达到58-60HRC，层深均匀。另一个事例是对直径Φ2000mm或以上的偏航内齿圈，用10%AQ 251C淬火液进行一次性全齿感应加热并淬火(图9)。

　　聚乙烯吡咯烷酮(PVP类)水剂淬火液

　　聚乙烯吡咯烷酮(AQ 3699，表3)产品，是由好富顿国际公司开发出来的、尤其适合于高淬透性钢的淬火冷却。实验室对此进行了大范围的诸如溶液稳定性、生物降解能力、淬火效果、与消泡剂的相容性、防锈性能、与金属的相容性、浓度和温度改变对性能的影响等性能实验以后，发现其有希望扩展为一种全新而有潜力的聚合物系列产品。

表2  AQ 251 C应用实例

零件

材料

机械性能

抗拉，MPa

屈服，MPa

延伸，%

断面，%

冲击（－40℃）

主轴

40CrNiMo

870

685

18

60

＞45

偏航环

42CrMo

960

775

15

60

40、45、40

表3  聚合物淬火介质（AQ 3699）典型理化参数

外观

淡琥珀色液体

黏度，@100℉（37.8℃）

687±25 mm²/s

密度，@60℉（15.6℃）

1.025 g/cm³

pH值

9.3±0.5

防锈性能

优良，5﹪的浓度仍有防锈能力

水中的溶解性

互溶

　　实验结果证明AQ 3699是一种对环境几乎无害的优异的冷却介质。同时，当用于高淬透性钢时能大大降低变形和开裂倾向。

　　聚乙烯吡咯烷酮系列产品依溶液浓度、搅拌强度及温度的不同，可涵盖一个很宽的淬火效果。

　　聚乙烯吡咯烷酮(PVP)产品的应用实例

　　一家制作各类模具的厂家，用聚乙烯吡咯烷酮系列产品对4Cr13马氏体不锈钢进行整体调质淬火。原淬火工艺处理后的硬度低于45HRC，且时有开裂现象出现。当改用15～20﹪浓度的聚乙烯吡咯烷酮聚合物淬火液产品淬火后(图4)工件表面硬度一般都在54～56HRC，心部硬度和抗拉强度也令人满意。

　　最近的成功应用是在汽轮机的高合金钢工件的淬火。结果(表4)显示：经聚乙烯吡咯烷酮(PVP)产品AQ 3699淬火后的性能数据或者与油淬的相似、或者比油淬的更高。

表4  用于汽轮机零件经不同浓度AQ 3699淬火液调质处理后的性能结果

材质

介质

R_P0.2

N/mm²

R_m

N/m²

A

%

Z

%

Aku

(v)J

HB

30Cr1Mo1V

要求

590-720

735

15

40

24

241-277

油淬

1090

1190

15.5

67

77、79

354

15%

1145

1210

13.5

39.5

77、80

359

1Cr11MoV

要求

490

685

16

56

55

217-248

油淬

670

810

18

58

90、88

244

10%

650

780

19

59

99、90

246

2Cr12NiMo1W1V

要求

689

965

15

45

11

302-331

油淬

850

990

17.5

49

22、13

298

10%

840

980

17

50

18、20

298

0Cr17Ni4Cu4Nb

要求

590-755

890

16

55

/

262-302

油淬

775

945

20

56

155、170

288

10%

830

960

23

62

165、170

292

15%

795

950

18

58.5

144、160

293

20Cr1Mo1VTiB

要求

690

785

14

50

39

255-293

油淬

840

930

17.5

59.5

74、102

285

10%

855

940

18

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