齿轮淬火冷却中的质量问题分析

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不管是渗碳淬火、碳氮共渗淬火、感应加热淬火还是整体加热淬火，齿轮淬火冷却过程可能出现的热处理质量问题主要有：①淬火态硬度不足，淬火态硬度不均，淬火硬化深度不够；②淬火后心部硬度过高；③淬火变形超差；④淬火开裂；⑤油淬后表面光亮度不够。现场出现的这类质量问题往往与齿轮的材质、前处理、淬火加热和淬火冷却有关。在排除材质、前处理和加热中的问题后，淬火冷却的作用就显得特别突出了。
　　淬火冷却大多是在液体介质中进行的，如齿轮淬火用的通常是淬火油、水溶性淬火介质和自来水。因此，下面将首先分析齿轮淬火冷却可能出现的上述质量问题与所用淬火介质的特性和用法的关系，并指出解决不同问题所需淬火液的冷却速度分布特点。随后简单介绍常用淬火介质的冷却速度分布特点和选用时的注意事项。
1  淬火冷却中的质量问题
1.1 硬度不足与硬化深度不够
　　淬火冷却速度偏低是造成齿轮淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不够的原因。但是，根据实际淬火齿轮的材质、形状大小和热处理要求不同，又可以分为高温阶段冷速不足、中低温阶段冷速不足以及低温阶段冷速不足等不同情况。比如对于中小齿轮，淬火硬度不足往往是中高温阶段冷速不足所至，而模数大的齿轮要求较深淬硬层时，提高低温冷速就非常必要。
　　对于淬火用油，一般来说，油的蒸汽膜阶段短、中温冷速快且低温冷却速度大，往往能获得高而且均匀的淬火硬度和大的淬硬深度。
　　工件装挂方式对淬火冷却效果也有明显影响。淬火油流动通畅，并配备和使用好搅拌装置，才能得到更好的效果。
　　提高所用淬火介质的低温冷却速度，往往可以增大淬硬层深度。在渗层碳浓度分布相同的情况下，采用低温冷却速度更高的淬火油，往往能获得更深的淬火硬化层。因此，采用冷却速度快的淬火油后，相应缩短工件的渗碳时间，仍然能获得要求的淬火淬硬层深度。所要求的渗碳淬硬层深度越大，这种方法缩短渗碳时间的效果越明显。
1.2 淬火后心部硬度过高
　　这类问题可能与所选介质冷速过快或介质的低温冷却速度过高有关。解决办法之一是改换淬火油来满足要求。办法之二是与淬火介质生产厂家联系，有针对地加入适当的添加剂来降低现有淬火油的中低温冷却速度。办法之三是改用淬透性更低的钢种。
1.3 淬火变形问题
　　最近，发表的关于淬火变形的文章，把引起变形的原因归结为淬火冷却速度不足和速度不均，并在此基础上提出了提高冷却速度并设法实现均匀冷却的解决方法，可供参考［1］。比如，齿轮的内花键孔变形，往往是所选的淬火油高温冷速不足，或者说油的蒸汽膜阶段过长的缘故。提高油的高温冷速并同时提高油在整个冷却过程的冷速，一般就能解决内花键孔的变形问题。对于中小齿轮，尤其是比较精密的齿轮，选好用好等温分级淬火油是控制变形必不可少的措施。
1.4 齿轮的淬火开裂问题
　　这个问题主要出现在感应加热淬火中。选择好的水溶性淬火介质，比如国内外普遍采用的PAG类介质代换原来使用的自来水，问题便解决了。感应加热淬火采用PAG介质，可以获得高而且均匀的淬火硬度和深而且稳定的淬硬层，淬裂危险极小。
1.5 光亮性问题
　　通常，光亮淬火油的光亮性好则冷却速度就不够高，而冷却速度很高的淬火油的光亮性则不够好。此外，热油的光亮性一般也较差。使用较久的油光亮性稍差，可以换新油或补加提高光亮性的添加剂。

2  齿轮用淬火介质的选择
当前用于齿轮淬火的介质主要是各种淬火油、水溶性淬火介质和普通自来水。以下分别讨论这些介质在齿轮淬火中的选用方法和注意事项。
2.1 自来水
　　一些含碳量低、淬透性差且形状简单齿轮的调质淬火和感应加热淬火，往往可以用自来水。作为淬火介质，自来水的冷却特性是，工件处于高温阶段时冷得很快，而到了工件处于低温阶段时冷却得也很快。冷却速度快可以使淬透性差和比较厚大的工件淬硬，并获得较深的淬硬层。这是自来水的优点。但是，用自来水淬火有3个大缺点，第一是低温冷却太快，使多数钢种和工件容易发生淬裂。第二是工件高温阶段冷却太快，比较细长与较薄的工件容易因为入水方式不当而发生淬火变形。第三，也是不少人容易忽视的缺点，是随着水温升高，淬火冷却的蒸汽膜阶段会逐渐增长，且工件处于中低温阶段时的冷却速度也逐渐降低。由于这种原因，当要淬火的工件比较小，又采取装在筐中等较密集的堆放方式入水淬火时，堆在外面的工件接触的水温低，而堆放在内部的工件接触的水温高，从而外部的工件经受的冷却快，淬火后硬度高，并容易淬裂，堆放在内部的工件经受的冷却慢，淬火后硬度低。工件堆放得越密集，淬火时水的流动越不通畅，这种差别就越大。使用油淬火时，油温提高，冷却的蒸汽膜阶段稍有缩短，而油温升高使油的粘度降低，流动性变好，有利于提高油的冷却速度，能使堆放得较密集的工件内外冷却效果基本一致。应当说，这是用油淬火的一个优点。
　　选用自来水作为淬火液时，应当扬长避短，设法控制好水的温度。采取堆放方式淬火时，要设法使工件堆放得疏松一些，并通过搅动促使淬火液通畅地从工件之间流过，以减小内外部水的温差。
2.2 水溶性淬火介质
　　引起钢件淬裂的主要原因是在钢开始发生马氏体转变(Ms点)及在以下的温度范围冷却得过快。由于这样的原因，研究开发水溶性淬火介质的第一目标就是降低水的低温冷却速度。考虑到多数结构钢的Ms点在300℃附近，通常就以工件冷却到300℃时水溶性淬火液的冷却速度来表示该淬火液的冷却特性。可以用水溶性淬火介质的300℃冷却速度来对该介质定级［2］，以便热处理工作者选用。简单说，水溶性淬火液在300℃冷却速度低，其防止工件淬裂的能力就强；在300℃的冷却速度高，其淬硬能力也高，当然工件的淬裂倾向亦大。因此，选择水溶性淬火介质首先应当了解它在300℃时的冷却速度。同类淬火介质品种中，得到相同的300℃冷却速度时的浓度越低，其使用成本也就越低。
　　水溶性淬火介质有很多品种，其中PAG类介质冷却特性可调，浓度测控容易。它既适用于整体淬火，也适用于各类感应加热淬火，且能长期稳定地使用，因而受到普遍欢迎，成为当前国内外热处理界使用得最广泛的水溶性淬火介质。
由于液温对冷却特性影响较大，使用水溶性淬火介质时应当配备好循环冷却系统，以便在使用中调节液温。一般在水溶性淬火液中淬火时，工件也不宜在密集堆放条件下入水，以免造成内外工件明显不同的淬火效果。
(续)

齿轮淬火冷却中的质量问题分析(2)

　
2.3 普通机械油
　　工厂热处理生产中使用得最多的普通机械油是N32机油(原20号机油)和N15机油(原10号机油)。作为淬火介质，这类机油的特性是，在工件高温阶段蒸汽膜时间较长，淬火冷却速度不高，且低温冷却较慢。
　　油的蒸汽膜阶段长，工件高温阶段的冷却慢，可能出现的问题是低碳钢制的工件容易发生先共析铁素体转变，而形状复杂的工件，比如带花键孔的齿轮等又特别容易变形。在中、低温阶段冷却慢，使比较大的工件不易淬硬或淬硬层深度不足并因此发生淬火变形。
　　普通机油的抗氧化能力差，使用中容易老化变质。老化变质的主要反映是油的粘度提高，低温冷却速度降低。变质的影响是工件淬火后的硬度和硬化深度都减小，且淬火变形增大。
2.4 专用淬火油
　　专用淬火油一般分为普通淬火油、快速淬火油、等温分级淬火油(也简称热油)、真空淬火油以及光亮淬火油等。和普通机油相比，专用淬火油的热稳定性都较好，能更好地保证工件的淬火质量。当然，专用淬火油优于普通机油的最重要方面还是它们的冷却特性。和普通机油相比，不同的专用淬火油在冷却速度分布上都有蒸汽膜阶段短的特点，因而使工件在高温阶段能冷却得更快。其中，快速淬火油的最高冷却速度都比较高，中低温阶段的冷却速度快慢则因淬火油的不同而有较大差别。热油在冷却特性上的特点是蒸汽膜阶段更短，而在工件淬火冷却的低温阶段冷却较慢。
　　快速淬火油主要用于稍厚大的工件和淬透性稍低的钢种。热油主要用于较小型的工件和淬透性较好的钢种。
　　应该说，任何淬火油都有适合它的工件。但是除少数情况外，每台热处理炉都希望能处理比较多的钢种和比较多样的工件，因此，多倾向于选用适应范围更广的淬火油。一般，淬火油的蒸汽膜阶段短，中温阶段冷却得快，低温冷却速度大，这种油的冷却能力就很强，它的适用范围就很广。不少油淬工件的变形是与它的淬火硬度不足和硬化深度不够同时出现的。而改用这种适应范围广的淬火油，往往能同时解决工件的变形、硬度不足和硬化深度不够等问题。淬火油的蒸汽膜阶段短，也就是油的高温阶段冷却得快。这一特点有利于防止先共析铁素体的析出，也有利于防止带内花键齿轮的变形。简单地说，淬火油总的冷却速度高，有利于获得较深的淬火硬化层。但从冷却速度分布上分析，除中、高温阶段要求冷却得快以外，油的低温冷却速度高低对获得的淬硬层深浅作用更大。低温冷却速度越高，淬火硬化层往往越深。
　　搅拌淬火油可以提高油的冷却速度。冷却速度比较低的油，搅拌提高其冷却能力的作用较大，而对于冷却速度高的专用淬火油，搅拌的作用则相对较小［3］。
　　齿轮的淬火质量问题中还有一类是淬火硬化层过深。硬化层过深，常常在使用中断齿。解决这类问题的有效办法之一是降低淬火油的低温冷却速度。
总之，为保证齿轮的淬火质量去选择淬火油时，应当根据所处理齿轮的钢种、形状特点和热处理要求从油的冷却速度分布特性去进行选择，最好能与淬火油生产厂的有关技术人员一道，通过讨论分析来确定合适的淬火油和合理的使用方法。
3  淬火介质在使用中的变化
　　不管是淬火油还是水溶性淬火介质，它们在使用中都要接触高温工件，都会受到不同程度的污染。空气进入介质，介质会被氧化。高温可能引起有机介质的热分解、氧化和聚合等反应。污染可能使介质的氧化和其他变化更复杂。所有这些变化及其留在介质中的变化产物都会引起介质变质。淬火油的颜色变化、透明度变差和粘度变化等都是变质的表现。我们所关心的只有3点：一是变化对介质冷却特性的影响；二是变质的快慢；三是用什么办法来了解和纠正变质的影响，以保证获得长期稳定的淬火质量。
　　前面谈到，水溶性淬火剂主要用来降低水的低温冷却速度。而水溶性淬火液在使用中的变化趋势则与此相反，会使低温冷却速度逐渐增高。
　　普通机油在使用中的变化趋势，简单说就是开始时低温冷却速度逐渐降低，蒸汽膜阶段逐渐缩短而中高温阶段的冷却速度稍有提高。随着使用时间增长，由于油的粘度进一步增高，油的中、高温冷却速度也将减慢，致使工件的冷却效果明显变差。
　　专用淬火油在使用中的变化比较复杂，它包含所加添加剂的变化和基础油的变化两部分，是这两方面变化的综合结果。不同的淬火油以及不同的使用条件，变化情况会有比较大的差别。有一点需要指出的是，在不受水污染的条件下，几乎所有的专用淬火油经过长期使用后，低温冷却速度都会逐渐变慢［4］。当使用时间更长时，工件淬火效果也会明显变差。油的稳定性好，变质得慢；反之则变质得快。
　　油的使用温度越高，油变质得越快。配备循环冷却系统，使油温稳定在适当范围，并通过槽内的循环搅拌防止局部过热等措施都可减慢油变质，延长油的使用寿命。
　　各种介质的变质快慢，还有一个共同的影响因素，那就是相同时期内，淬火工件的量(指已淬火工件的总的表面积)越多，淬火液变质就越严重。工件越小，相同重量的总表面积就越大，淬火介质变质就越快。
　　管理问题也是影响齿轮淬火质量不可忽视的大问题。除了应当严格按工艺操作外，淬火介质的管理，尤其是防止污染关系重大。淬火油混进了水，水乳化在油中，往往造成淬火硬度不足或淬火开裂。相反，PAG淬火液中乳化进了油，有时也会引起淬火开裂。
　淬火介质的颜色、透明程度等方面的变化可以反应出它的变质情况。测量淬火油的粘度、闪点、残碳和酸值等的变化也能确定变质程度。在变质造成的影响中，与工件的热处理效果关系最大的是冷却特性的变化。为了保证齿轮的淬火冷却效果，建议对所用淬火油和其它淬火介质作定期的冷却特性检测，并对介质的冷却特性进行管理。一般工厂没有必要配备冷却特性测试仪，可以到配备了这种仪器的单位去测量。淬火介质生产单位应当为用户工厂进行这项检测。测定淬火介质的冷却特性，最好是使用符合国际标准(ISO9950)的冷却特性仪。分析介质的冷却特性应当看介质的冷却速度分布情况，而不是单看最高冷却速度值。最高冷却速度相同，或到300℃的时间相同的介质，因为它们冷却速度分布情况不同，它们的热处理效果可能有很大差别。
　　在长期生产中记录同类工件的淬火硬度、硬化深度以及淬火变形情况，分析它们的变化趋势，使我们能了解淬火介质冷却特性的变化规律。有了这些规律，不仅有利于控制介质的冷却特性，还可以帮助我们分析找出引起现场热处理质量事故的原因，从而及时解决该质量问题。
　　如上所述，介质变质是不可避免的。水溶性淬火介质变质后可能出现的问题主要是工件淬火硬度过高以致工件淬裂。因此，水溶性淬火液变质程度可以从同类工件的淬火硬度的变化趋势上作监视，最好能在出现淬裂之前采取措施。专用淬火油在使用中变质后，可能出现的问题是工件淬火硬度偏低、硬化深度不足和出现较大的变形。因此，可以根据工件的硬度和硬化深度的变化趋势对淬火油的变质程度进行监测。
　　淬火介质变质后，继续补加原来的新介质能不能使淬火液的冷却特性得到恢复呢？答案是：有的介质能，有的则不能。对于浓度可调节的水溶性淬火介质，如PAG类水溶性淬火液，在了解其变化规律的基础上，一般多能通过补加原来用的新介质，使冷却特性恢复到新配时的水平；而固定了配方比例的水溶性淬火液、普通机油和专用淬火油则不能。
　　淬火油变质后，只靠继续加入原来的新淬火油，一般不能使油的冷却特性恢复到新油水平。然而，在了解了油的变化规律后，却可以通过改性添加剂使油的冷却特性得以恢复。