1淬火介质冷却曲线的判读和评价

1淬火介质冷却曲线的判读和评价
冷却技术淬火介质冷却曲线的判读和评价
天津市热处理研究所(天津300210) 曾广益
Identif ication and V aluation for Cooling Curves of Q uenchants
Zeng Guangyi
1 前言
1995年5月1日,国际标准组织(ISO)颁布了淬火油冷却特性测定方法《Industrial quenching oils2determination of cooling characteristics2Nickel2alloy probe test method》(ISO9950)。

在1988年,我国颁布了2个标准,即G B9449《淬火介质冷却性能试验方法》(1995年调整为行业标准JB/ T7951)和SH/T0220《热处理油冷却性能测定法》。

目前这3个标准在国内都被采用。

JB/T7951来自法国淬火液体小组A?T?T?T?S?F?M联合委员会在1982年提出的《淬火油烈度2银探头试验方法》。

SH/T0220来自日本工业标准《热处理油》(J IS K2242—80)。

70年代初开始淬火油的研制工作时采用的是仿日的探头,一直沿用至今。

国内大多数淬火介质生产厂和使用厂都采用此标准。

上述3个标准探头的相同点是①都是热电偶测试探头,而且都在探头几何中心。

②都是K型热电偶。

③探头形状都是圆柱形。

这3种探头的不同点是①ISO为<1215mm×60mm In2 cone1600镍基合金,JB和SH为银。

②JB为<16mm×48mm, SH为<10mm×30mm。

③ISO是铠装热电偶,外径<115mm 而JB、SH为<015mm的偶丝。

2 判读方法的概述
冷却曲线判读的目的在于评价淬火介质的冷却能力。

要评价就要有一个做为基准的参照系统。

一般情况下,都是采用水和油。

这是因为水和油是最早采用的淬火介质。

而且一直到现在仍是最常用的淬火介质。

Grossmann的H值也是如此,即以水的H值为1,油的H值为0125。

既使不是定量地评价,也仍然要以水和油的冷却能力为基础做出定性的评价。

第二条原则是冷却曲线与钢材连续冷却转变曲线的关系,即淬火介质冷却性能与所淬钢材的对应原则。

这条原则是说明冷却曲线对应连续冷却转变曲线的不同阶段所应具备的冷却性能。

原则上说,在JB、SH 探头心部的热电偶测得的冷却曲线可认为是工件(小中尺寸)表面或次表面的冷却曲线,而ISO测得的曲线则被认为是工件(小中尺寸)心部或接近心部的冷却曲线。

3 ISO9950的判读和评价
按照ISO9950的规定,给出某个淬火介质的冷却性能的测试结果应分3个部分:冷却曲线(包括温度/时间曲线和温度/冷却速度曲线)、冷却时间和冷却速度。

冷却时间和冷却速度的要求如表1。

311 参照油的要求
ISO9950规定了参照油的主要理化指标如表2,我国成品油中和该油相近油的指标也列在表2。

表1 ISO冷却时间和冷却速度的要求
冷却时间/s冷却速度/℃?s-1
850→600℃(精确到015s)
850→400℃(精确到015s)
850→200℃(精确到015s)
最大冷却速度(精确到015℃?s-1)
最大冷速所在温度(精确到015℃?s-1)
300℃的冷速(精确到015℃?s-1)
表2 ISO参照油及相近油的指标
名称
ISO
参照油
100SN N22N32150SN 40℃的运动
粘度/mm2?s-1
21±219±122±2122818±31230±2粘度指数100±5>98>98
℃
200±10
(闭口)
>185
(开口)
>170
(开口)
>170
(开口)
>200
(开口)注:开口闪点比闭口闪点约高20～30℃。

国内与ISO参照油接近的油有100SN,N22,N32和150SN。

可以认为100SN最接近ISO参照油,其次是N22机械油,不过N22不易获得,而N32机械油和150SN相近。

N32机械油,是国内应用最普遍的机械油,一直做为淬火油而广泛应用,所以我们选用N32油做为参照油,更符合国情。

ISO参照油和N32油的冷却性能列于表3。

表3 参照油冷却性能
名称ISO参照油N32机械油最大冷速/℃?s-1
最大冷速所在温度/℃
300℃时的冷速/℃?s-1
50±3
510±20
7±1
60±3
530±20
7±1
从850℃冷却到下列温度的时间/s
600℃
400℃
13±1
20±1
5215±215
12±1
16±1
45±3
312 自来水的冷却性能
在ISO9950中没有自来水的冷却性能的指标,因为该标准原用于淬火油。

在研究水基淬火介质时,也使用该标准,因此知道自来水的冷却性能也十分必要。

30℃自来水的冷却性能见表4。

最大冷速所在温度在不同的文献中相差较大,大约在530～630℃之间,作者认为,应在550℃±20℃。

313 冷却性能的评价
31311 冷却速度评价法目前国外大多数人用冷却速度来评价淬火介质,它的要点是①当某一介质的冷却速度(最大冷速,最大冷速的温度,300℃的冷却速度)低于水或高于油则该介质的冷却能力就低于水或高于油。

②最大冷速的温度越高,工件冷却易于躲开TTT曲线的鼻子而进入马氏体转变。

③最大冷速越大,表明在沸腾阶段介质从探头表面脱去热量
83《金属热处理》1999年第3期
表4 30℃自来水冷却性能
最大冷却速度/℃?s-1220±20最大冷速所在温度/℃550±20 300℃时的冷却速度/℃?s-1100±3从850℃冷却到下列温度的时间/s 600℃400℃200℃6±1 7±2 10±3
就越多。

④到达300℃时冷却速度是评价介质低温区冷却性能的主要依据。

在300℃的冷速超过50℃/s时,原则上认为该水基淬火液不宜用来代替油淬,因为这样易于引起过大的畸变甚至开裂。

淬火油在300℃的冷速大致在(6～30)℃/s。

31312 数值评价方法
(1)Segerberg方法[1]
Segerberg的计算公式如下:
HP=9115+11347T vp+10188CR-3185T cp(1)式中HP———淬火油的淬硬能力;
T vp———特性温度,℃;
CR———在500～600℃之间的平均冷却速度,℃/s;
T cp———对流阶段开始温度,℃。

(2)二次方度每秒法(参阅512)
该方法是作者基于下列一个假定提出的,即最大冷速和其所在温度的乘积与该介质的冷却能力(CP)成正比,计算公式如下:
CP=01011×最大冷速×最大冷速所在温度(2)公式(2)适用有机淬火液和淬火油,按此公式计算的几个实例见表5,参阅表7、8、10。

表5 几种介质的CP值
淬火介质最大冷速/
℃?s-1
最大冷速所
在温度/℃
CP值
ISO参照油(40℃)5051028015
N32油(40℃)6053034918
快速油(30℃)9562064719[2]
普通淬火油(30℃)7055042315[2] 15%PA G(30℃)12067088414[3] 20%PA G(40℃)9462064111[4] 15%聚丙烯酸钠(30℃)5855035019[3]
4 SH/T0220的判读和评价
按照SH/T0220的规定,对淬火油的评价有两个指标,特性温度(℃)和800℃冷却到400℃的时间。

事实上,对快速油和超速油来说,800℃冷却到300℃的时间非常重要。

而对评价水基淬火液来说,还应以400℃冷却到150℃的冷却时间或平均速度来评价[5]。

411 N32油和水的冷却数据
按照SH/T0220测定的N32油和水的冷却性能数据,见表6。

412 按照SH/T0220评价的要点
41211 淬火油的评价参见SH0564—93《热处理油》的技
表6 N32油和自来水冷却性能
淬火
介质
特性
温度/℃
特温
s
800→400℃
冷却时间/s
800→300℃
冷却时间/s
400→150℃
冷却时间/s
N32油
(80℃)
510±10512±012515±01312±1
自来水
(30℃)
540±10019±011110±011110±015014±011
术指标。

41212 有机淬火剂在水基淬火剂中,有机淬火剂是以水代油的主体。

关于有机淬火剂的评价国内没有统一的方法。

在选择有机淬火剂代替油淬时,为了防止过大的畸变和开裂,对有机淬火剂的冷却性能应有一个要求。

如31311所述, ISO9950是以300℃冷却速度来判定,但按SH/T0220以300℃冷速来判定恐怕不能反映真实情况,作者同意日本村上义春的意见[5],用400→150℃的平均冷速评价比较合理。

作者在文献[6]提出一个评价标准:SH/T0220测定的400→150℃平均冷速120℃/s相当于ISO9950在300℃时的冷却速度50℃/s,而平均速度
35℃/s则相当于300℃时冷速20℃/s。

作者提出的这个标准可能比较保守,仅供参考。

41213 冷却能力的数值表示方法作者在文献[7]中,按照SH/T0220方法提出了评价淬火油和有机淬火剂冷却能力的数值方法。

该方法包括两个公式,分别计算淬火油和有机淬火剂的冷却能力CP值,此方法与31312(2)和512方法有一定的一致性,可互相参照。

淬火油CP值计算公式如下:
CP=300+019T vp+9CR-3T cp(3)式中CP———淬火油冷却能力
T vp———特性温度,℃
CR———800→400℃的平均冷速,℃/s
T cp———冷却速度为20℃/s时的温度(即用一条冷速
为20℃/s的直线与曲线下部相切处的温度),℃对有机淬火剂计算公式如下:
CP=300+019T vp+9CR-40t(4)式中CP———有机淬火剂的冷却能力
T vp———特性温度,℃
CR———800→400℃的平均冷速,℃/s
t———400→150℃的冷却时间,s
按此求出的CP值可对照表7来确定代油的可行性(参阅表5、8、10)。

有机淬火剂和淬火油CP值的例子见表8。

表7 按CP值划分的淬火油[7]
淬火介质N32普通淬火油快速淬火油超速淬火油CP值400以下400～600600～10001000～1500表8 有机淬火剂和淬火油的CP 值[7]
淬火
介质
N32油
普通
淬火油
淬火油
超速
淬火油
淬火剂A(%)淬火剂B(%)
20252540 CP值3421646819888111919108099718132418819
93
《金属热处理》1999年第3期
5 JB/T7951的判读和评价
按照JB/T7591的规定,淬火介质冷却性能的参数共有7个,它们是特性温度和特温秒,最高冷却速度及其位置和冷却时间(800→400℃,800→300℃,300→100℃)
511 N32油和水的冷却数据
N32油和水的冷却性能数据见表91
表9 N32油和水的冷却性能(JB/T7951)
淬火介质特性
温度/
℃
特温/
s
最高
冷速/
℃?s-1
最高
冷速
所在
温度/
℃
冷却时间/s
400℃
800→
300℃
300→
100℃
N32油(80℃)5367161594748171613
水(20℃)593115908259119210210
512 二次方度每秒法(参阅31312)
JB/T6955—93《热处理常用淬火介质技术要求》的附录A中,按原G B9449测定了常用淬火介质冷却性能,给出了它们最大冷速及其所在温度,作者采用31312的二次方度每秒法,提出计算淬火油和有机淬火剂CP值的公式如下:
CP=0100455×最大冷速×最大冷速所在温度(5) JB/T6955附录A 中的有机淬火剂和淬火油按式(5)计算的CP值见表10,并参阅表5、7、8。

关于有机淬火剂在低温区引起开裂倾向,在JB/T6955 的附录A中没有规定,作者对该附录中给出的300→200℃的平均冷速研究之后认为,300→200℃的平均冷却速度在250℃/s以下基本上可不产生开裂,其数据见表10。

6 结语
作者选择的题目大了些,很难再做更详尽的讨论,本文的目的在于抛砖引玉,希望看到更多更好的文章来讨论淬火介质冷却曲线的判读和评价,使之有助于我国淬火介质的研制、生产和推广应用。

作者提出的数值方法的原理和公式也不是准确无误的,仅供参考,不过在一定范围内,做为相对比较还是有一定意义的。

表10 有机淬火剂和淬火油CP值(JB/T7951)
淬火介质
浓度
(%)
最大冷速/ ℃?s-1
最大冷速所在温度/℃CP值
300→200℃平均冷速/ ℃?s-1
聚乙烯
醇水溶
液
011
013
015
018
332
323
281
267
742
399
360
298 112019 58614 46013 36210 632
266
273
CL21 聚醚水溶液10 20 40 351 346 360 517 474 344 82517 74612 56315 391 245 208 903聚醚水溶液
5
10 20 40 399 419 374 210
364 293 283 70612 67910 49816 27014 252 225 184 PAS21 聚丙烯酸钠水溶液3
6
9
12 314 314 324 259 437 437 296 180 76519 62413 43614
21211
423
342
108
N15机械油41617533112
N32机械油47415934219
2#普通淬火油50725558812
快速淬火油540300737
光亮淬火油48220344512
1号分级淬火油57621758817
真空淬火油55121954910
参考文献
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4 Mason K J.and Capewell I.The effect of agitation on the quenching characteristies of oil and polymer quenchants.Heat Treatment of Met2 als,1986(4)
5 村上义春1J IS方法适用于聚合物淬火液1热处理,1985(2)
6 曾广益1怎样选购淬火油和有机淬火剂1内燃机配件,1996(4)
7 曾广益1淬火介质冷却能力的数值表示方法1铸锻热一热处理实践,1996(2)(收稿日期:1998年8月29日)
零件气体氮碳共渗后用于冷却的NQ淬火介质丹东518内燃机配件总厂(丹东118009) 安云鹏
NQ Q uenchant for Colling Parts after G as nitrocarburizing An Yunpeng
在气体氮碳共渗工艺中,保温结束后工件出炉要求快速冷却,以防止扩散层析出针状氮化物,使扩散层的性能变坏,影响零件的整体疲劳强度。

柴油机曲轴要求有高的疲劳强度和轴颈表面耐磨损性能。

中小功率柴油机曲轴常采用气体氮碳共渗来达到上述性能要求。

但目前无论是用铸铁还是用合金钢制造的曲轴,气体氮碳共渗后,均采用油冷。

虽保持了工艺性能,但产生油烟,危害操作人员的健康,污染环境,又存在火灾的隐患。

用新型淬火介质进行气体氮碳共渗后的冷却至今少见报道。

04《金属热处理》1999年第3期。