齒輪淬火冷卻中的問題及解決辦法

       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，齒輪淬火冷卻過程可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問題主要有：
       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。事實上，近年來國外對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，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，并指出解決不同問題所需淬火液的冷卻速度分布特點。隨后簡單介紹常用淬火介質(zhì)的冷卻速度分布特點和選用時的注意事項。

       一、淬火冷卻中的質(zhì)量問題
       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，提高低溫冷卻速度就非常必要了。

       對于淬火用油，一般說，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。

       工件裝掛方式對淬火冷卻效果也有明顯影響。要使淬火油流動通暢，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間的效果越明顯。

       2．淬火后心部硬度過高

       這類問題可能與所選介質(zhì)冷速過快或介質(zhì)的低溫冷卻速度過高有關(guān)。解決辦法之一是改換淬火油來滿足要求。辦法之二是與淬火介質(zhì)生產(chǎn)廠家聯(lián)系，有針對地加入適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣斫档痛慊鹩偷闹械蜏乩鋮s速度。辦法之三是改用淬透性更低的鋼種。

       3．淬火變形問題

       淬火變形使不少工廠傷透了腦筋。按習(xí)慣，變形問題的解決通常要牽涉多個部門，解決的辦法往往是綜合措施。

       近期發(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)法實現(xiàn)均勻冷卻的解決原則方法，可供參考。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，或者說油的蒸氣膜階段過長的緣故。提高油的高溫冷速并提高油在整個冷卻過程的冷速，一般就能解決內(nèi)花鍵孔的變形問題。對于中小齒輪，尤其是比較精密的齒輪，選好用好等溫分級淬火油是控制變形必不可少的措施。

       4．齒輪的淬火開裂問題

       這個問題主要出現(xiàn)在感應(yīng)加熱淬火中。選擇好水性淬火介質(zhì)，比如國內(nèi)外普遍采用的PAG類淬火介質(zhì)代替原來使用的自來水，問題便解決了。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，淬裂危險極小。

       5．光亮問題

       有這方面要求的場合，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。
       1．自來水
       自來水是經(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，往往可以用自來水。作為淬火介質(zhì)，自來水的冷卻特性是：工件處于高溫階段時冷得很快，而到了工件處于低溫階段時冷卻得也很快。冷卻速度快可以使淬透性差和比較厚大的工件淬硬。這是自來水的優(yōu)點。但是，用自來水淬火有三大缺點，首先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)長與較薄的工件容易因為入水方式不當(dāng)而發(fā)生淬火變形。第三，也是不少人容易忽視的缺點，是隨著水溫升高，淬火冷卻的蒸氣膜階段會逐漸增長，且工件處于中低溫階段時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，水只有穿過堆在外面工件之間的縫隙才能接觸內(nèi)面的工件。穿過外面的工件時水溫會逐漸升高。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，淬火時水的流動越不通暢，這種差別就越大。這一缺點使自來水不適用于淬密集堆放的小工件。使用油淬火時，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，這是用油淬火的一個優(yōu)點。

       選用自來水作為淬火液時，應(yīng)當(dāng)知道它的優(yōu)點和缺點。用好它的優(yōu)點，而避免它的缺點。設(shè)法控制好水的溫度。采取堆放方式淬火時，要設(shè)法使工件堆放得疏松一些，并通過攪動促使淬火液通暢地從工件之間流過，以減小內(nèi)部的水溫差。

       2．水溶性淬火介質(zhì)

       自來水作為淬火介質(zhì)的缺點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）及其以下的溫度范圍冷卻得過快。由于這樣的原因，研究開發(fā)水溶性淬火介質(zhì)的目標(biāo)就是降低水的低溫冷卻速度。考慮到多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的Ms點在300℃附近，通常就以工件冷卻到300℃時水溶性淬火液的冷卻速度，即所謂300℃冷卻速度來表示該淬火液的冷卻性能。通?？梢杂盟源慊鸾橘|(zhì)的300℃冷卻速度來對該介質(zhì)定級，以便熱處理工作者選用。簡單說，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，且能長期穩(wěn)定地使用，因而受到普遍歡迎，成為當(dāng)前國內(nèi)外熱處理界使用得廣泛的水性淬火介質(zhì)。

       由于液溫對冷卻特性影響較大，使用水溶性淬火介質(zhì)時應(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，在水溶性淬火液中淬火時，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)中使用得多的普通機(jī)械油是N32機(jī)油（原20號機(jī)油）和N15機(jī)械油（原10號機(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間較長，淬火冷卻速度不高，且低溫冷卻較慢。

       油的蒸氣膜階段長，工件高溫階段的冷卻慢，可能出現(xiàn)的問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．淬火油
       淬火油一般分為普通淬火油、快速淬火油、等溫分級淬火油（也簡稱熱油）、真空淬火油以及光亮淬火油等類。和普通機(jī)油相比，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，淬火油優(yōu)于普通機(jī)油的重要的方面還是它們的冷卻特性。和普通機(jī)油相比，不同的淬火油在冷卻速度分布上都有蒸氣膜階段短的特點，因而使工件在高溫階段能冷卻得更快。其中快速淬火油的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，任何淬火油都有適合它的工件。但是，除少數(shù)情況外，每臺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，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出現(xiàn)的。而改用這種適應(yīng)范圍廣的淬火油，往往能同時解決工件的變形、硬度不足和淬硬深度不夠等問題。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。簡單說，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。

       攪動淬火油可以提高油的冷卻速度。冷卻速度比較低的油，攪動提高其冷卻能力的作用較大；而對于冷卻速度高的淬火油，攪動的作用則相對較小。

       齒輪的淬火質(zhì)量問題中還有一類是淬火硬化層過深。硬化層過深，常常在使用中斷齒。解決這類問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，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所處理齒輪的鋼種、形狀特點和熱處理要求從油的冷卻速度分布特性去進(jìn)行選擇，盡量能與淬火油生產(chǎn)廠的有關(guān)技術(shù)人員一道，通過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)，它們在使用中都要接觸高溫工件，也都會受到不同程度的污染。進(jìn)入空氣，介質(zhì)會被氧化。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，沒有不變質(zhì)的介質(zhì)。我們所關(guān)心的只有三點：一是變化對介質(zhì)冷卻特性的影響，二是變質(zhì)的快慢，三是用什么辦法來了解和糾正變質(zhì)的影響，以保證獲得長期穩(wěn)定的淬火質(zhì)量。

       前面談到，水溶性淬火劑主要用來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，簡單說就是開始時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。使用時間增長，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。

       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，變化情況會有比較大的差別。有一點需要指出的是，在不受水污染的條件下，幾乎所有的淬火油經(jīng)過長期使用后低溫冷卻速度都會逐漸變慢。當(dāng)使用時間更長時，工件淬火效果也會明顯變差。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，并通過槽內(nèi)的循環(huán)攪拌防止局部過熱等措施都可減慢油變質(zhì)速度，延長油的使用壽命。

       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，還有一個共同的影響因素，那就是相同時期內(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。

       管理問題也是影響齒輪淬火質(zhì)量不可忽視的大問題。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)了油有時也會引起淬火開裂。

       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。測量淬火油的粘度、閃點、殘?zhí)?、酸值等的變化也能確定變質(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，建議對所用淬火油和淬火介質(zhì)作定期的冷卻特性檢測，并對介質(zhì)的冷卻特性進(jìn)行管理，一般小工廠沒有必要配備冷卻特性測試儀，可以到配備了這種儀器的單位去測量。淬火介質(zhì)生產(chǎn)單位應(yīng)當(dāng)為用戶工廠進(jìn)行這項檢測。測定淬火介質(zhì)的冷卻特性，是使用符合國際標(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，而不是單看冷卻速度值。冷卻速度相同，或到300℃的冷卻時間相同的介質(zhì)，因為它們冷卻速度分布情況不同，它們的熱處理效果可能有很大差別。前面已經(jīng)簡單談到介質(zhì)冷卻速度分布特點與其冷卻效果的關(guān)系，詳細(xì)內(nèi)容可以參看本文后面的參考資料。

       在長期生產(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，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)場熱處理事故的原因，從而及時解決該質(zhì)量問題。

       前面談到，介質(zhì)變質(zhì)是不可避免的。使用時間不長、或淬入工件的量還不多時，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，變質(zhì)問題就真正出現(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)的問題主要是工件淬火硬度過高以致工件淬裂。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上作監(jiān)視，能在出現(xiàn)淬裂之前采取措施。淬火油使用中變質(zhì)后，可能出現(xiàn)的問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對淬火油的變質(zhì)程度進(jìn)行監(jiān)測。

       淬火介質(zhì)變質(zhì)后，繼續(xù)補(bǔ)加原來的新介質(zhì)能不能使淬火液的冷卻特性得到恢復(fù)呢？

       這個問題的回答是：有的介質(zhì)能，有的介質(zhì)不能。對于濃度可調(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)上一般多能通過補(bǔ)加原來用的新介質(zhì)使冷卻特性恢復(fù)到新配時的水平。固定了配方比例的水性淬火液，不能。普通淬火油和淬火油也不能。

       淬火油變質(zhì)后，只繼續(xù)加入原來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，卻可以通過改性添加劑使油的冷卻特性得到恢復(fù)。