热处理淬火油的监测

热处理淬火油的监测
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在当前紧固件企业的热处理生产，作为淬火介质中，据统计淬火油约占40%，可见淬火油用量仍占相当大比重。

定期检查淬火油的特性能对控制热处理工艺保证高强度紧固件品质是关键一环。

然而，整个紧固件行业大多数企业普遍忽视淬火介质的性能，即使投入大量资金改进设备和质量控制手段，却很少关心淬火介质的状态。

往往一种淬火油使用很多年，仅用添加新油方法保持其状态。

高强度紧固件热处理生产的许多质量问题几乎都与淬火介质状态有关，并且经常性的重复发生。

对于10.9级以上高强度紧固件或有特殊要求的热处理来说，淬火介质的性能对热处理操作的成败起重要作用。

面对众多的淬火油品种，如何正确选择适合自己生产品的淬火油和使用，管理好淬火油以获得稳定的热处理质量，是紧固件工作者面临的新课题。

引言
高强度紧固件多数都要通过热处理来实现产品性能等级要求。

在热处理淬火工艺中，希望通过控制工件的冷却速率以得到较高的且均匀的硬度和足够的淬硬层深度，同时减少变形和防止开裂。

为此目的，人们相继研究和发展了一系列的淬火介质以适应工业发展的需要，其中目前应用较多的仍是淬火油。

虽然有不少关于聚合物介质能完全取代油的说法，但实际上由于油独具某些特性和在特定条件下不可替代性，在相当长的一段时间内绝对不可能完全被替代。

淬火油的特性
淬火油的功能是将赤热的金属零件的热量迅速带走，使之降至马氏体转变温度下获得高硬度的马氏体组织和硬化层深度，同时亦要兼顾减少零件的变形和防止开裂。

因此淬火油的基本特性就是『冷却特性』，其特点就是高温阶段的冷速较快，而低温阶段冷速较慢，这一特性很适合合金钢≥10.9级以上高强度紧固件的淬火要求。

淬火油的选择
淬火油一般分为普通淬火油、快速淬火油、等温淬火油、真空淬火油以及光亮淬火油。

紧固件企业大多采用普通淬火油、快速淬火油和光亮淬火油。

它的热稳定性都较好，能更好地保证紧固件的淬
火质量。

当然，还必须综合考虑如下四个方面的因素。

1．钢的临界冷却速度
钢从奥氏体化温度连续冷却下来发生珠光体和贝氏体组织转变，面只有马氏体转变的最低冷却速度称之为临界冷却速度。

这个冷却速度能躲过T.T.T.图和C.C.T图上“鼻子尖”。

所选择的淬火油的冷却速度必须达到或高于临界冷却速度。

2．钢的淬透性
淬透性好的钢种可选择冷却速度较低的淬火油；反之，钢的淬透性较差则必须选择冷却速度高的淬火油才能保证淬硬层深及心部硬度。

对于紧固件品种来说，对钢种的要求是限制碳含量0.15%~0.55%之间，对Mn元素，由于国产钢种的淬透性带较宽，应以淬透性最低的条件为准选择淬火油的冷却速度。

快速淬火油主要用于合金结构钢以及较小规格紧固件和淬透性稍低的钢种。

紧固件企业都希望每台热处理炉可以处理比较多的钢种和比较多规格的紧固件，因此，多倾向于选用适应范围更广的淬火油。

3．淬火零件的有效截面积大小
截面积越大的紧固件需选择冷却速度较大且对流阶段开始温度较低的淬火油，以保证零件的淬硬
层深度和心部硬度。

反之，规格较小的紧固件为减少变形和防止开裂宜选择对流开始温度稍高，冷却速度较慢的淬火油。

快速淬火油（如K118，KR128）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45#钢≤M20mm螺栓、M42mm螺母获得较深的淬硬层，而对于SWRCH35K、35#钢则减薄
≤M12mm螺栓、M30mm螺母才能保证心部硬度与表面硬度有较小的差异。

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淬硬层深浅作用更大，低温冷却速度越高，淬硬层往往越深。

这对于高强度紧固件整个截面均匀承受载荷，至少要求心部有90%以上马氏体时，十分有利。

4．淬火油的冷却特性曲线
每一种淬火油都具有较稳定的冷却特性，所测定的冷却特性曲线就是选择淬火油的重要依据。

在具体针对高强度紧固件某种钢（或几种钢）选择淬火油时，应选择TVP温度高于700℃，最大冷却速度对应的温度在600℃。

如KR118、KR128快速淬火油的TVP温度则高于720℃，最大冷却速度在615℃左右，据介绍是当前冷却速度最高的矿物油基淬火介质之一，可以满足较大规格合金钢及低淬透性钢紧固件淬火需要，获得高而均匀的表面硬度和足够的淬硬层深度，且保持长期稳定的冷却特性，使用寿命较长的品种之一。

淬火油在使用中的变化
快速淬火油在使用中因产生热分解、氧化和聚合反应，从而导致冷却特性的变化。

其主要应注意
以下几个方面。

1．淬火油使用寿命的监测
最初配置淬火试验的目的是对购进的淬火油性能进行定期监测，根据三个月周期试验所积累的结果，确定淬火油的合适使用寿命，预测与淬火性能变化有关的问题，从而减少因淬火油性能变化造成的返工或废品损失。

对于连续式网带炉使用的快速淬火油，根据三个月间隔试验所积累的淬火特性资料，有可能建立油的稳定性及淬火特性图，使其成为生产的一种常规控制方法。

2．零件表面状况的影响
当紧固件表面有氧化皮存在时，因其导热性差，淬火时虽然其表面一瞬间就降至特性温度而且直接进入沸腾阶段，但在冷却过程中冷速均比无氧化皮者要慢些，尤其在650℃左右下冷却能力是很差的。

3．搅拌与回圈的影响
淬火油的回圈对保持油温均匀，破除淬火过程中的蒸汽膜很重要，搅拌速度增大，蒸汽膜冷却阶段缩短，最大冷速增大，而且更重要的是对流冷却阶段的冷却也增大。

对流阶段的冷速增大，可增加畸变的危险性，因此不应使用过强的搅拌。

连续式网带炉淬火油的回圈是通过浸入式螺旋桨搅拌器完成。

搅拌器通过变频器进行转速调节。

静止缓慢搅拌中等搅拌激烈搅拌
水0.9~1.1 1.2~1.3 1.4~1.5 4
油0.25~0.3 0.35~0.4 0.4~0.5 0.8~1.0
表1是搅拌对淬火油冷却速度H的影响。

生产实践证明，搅拌时，随搅拌速度增大，变形也会
增大，具体的作用机理尚不清楚。

一般应采用中等搅拌，以减少变形。

另外，为了增加温均匀性和冷却速度，可采用油槽的整体大循环，并加大循环速度，回圈的方式以抽出油槽上部的热油泵入油槽底部为宜。

淬火油的管理
快速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淬火工艺，变形情况会有较大的差别，因此加强对淬火油的严格管理对保证淬火紧固件的品质极为重要。

日常淬火油质量监测的专案为：粘度、闪点、水份、不溶灰分（又称沈淀物）和冷却速度。

1．闪点
一般情况下，不管是开式还是闭式淬火油糟，随使用时间的延长，油的闪点都是呈下降倾向。

连续式网带炉的油糟闪点下降10~20℃后即可稳定。

当闪点下降较多时易出现淬火软点，而且不安全，应进行及时处理。

2．粘度
这一指标与油的冷却性能有密切关系，粘度的变化对开式油槽和闭式油槽有所差异。

开式油槽因烧损快，氧化聚合反应几率大，故粘度呈增大倾向。

闭式油槽的淬火油则以热分解为主，因而粘度表现为下降趋势，热分解使粘度下降，导致软点产生和变形增大。

添加剂分解粘度增大，致使油的冷却能力下降。

油的使用温度越高，油变质得越快。

连续式网带炉配备完备的回圈冷却系统，使油温稳定
在60~70℃范围，并通过槽内的回圈搅拌防止局部过热等措施，可减慢油变质，延长油的使用寿命。

3．不溶灰分（沉淀物）
油中存在的不溶灰分（沉淀物）有焦泥、槽中的细微粒铁粉沙粒和尘埃等杂物。

当这些杂物超过一定数量时会引起油的粘度上升，冷却能力下降，故应定期采取过滤油，清扫油槽等措施加以去除。

4．水份
油中含有微量水份将严重影响油的冷却性能，造成淬火后紧固件光亮度下降，硬度不均，产生软点甚至开裂倾向。

研究发现，油淬产生的变形问题部分是因油中含水造成的。

此外，油中含水还加速了油的乳化变质和促进油中添加剂的失败。

当油中含水量≥0.1%时，油受到加热时有可能使聚集在油
槽底部的水达到沸点后，体积突然膨胀，易造成油溢出淬火油槽而引发火灾。

淬火油含有水份，主要恶化冷却性能，加速油的老化。

对快速淬火油中含水对冷却特性的影响之研究结果发现，由于微量水促使添加剂失败，导致淬火油的最高冷速明显下降，随著油中含水量的增加，使对流冷却阶段的冷却速率增加（300℃的冷却速率从不含水时的8℃/s增加到含水0.20%的40℃/s），紧固件变形和开裂倾向也会增大。

淬火油中若混入200 ppm以上的水份就需要查出产生水份的原因，若油中含水量达到0.5%，就必须对油中水份要设法去除。

通常用加热脱水、沉淀脱水、离心脱水、过滤脱水，这对于保证淬硬、减少变形和开裂将不无好处。

5．冷却曲线
快速淬火油的冷却曲线能比较直观地表明该种淬火油的冷却特性，是选择淬火油品种和监测火油冷却性能变形的重要手段。

因此，紧固件企业都应定期检测淬火油的冷却特性曲线。

结语
淬火油冷却特性对高强度紧固件热处理的成败是至关重要的。

紧固件企业热处理分厂（或热处理车间）要建立一套完整的淬火油管理制度和记录，完善和保持淬火油槽有良好的搅拌，加热和冷却系统，以保证淬火油槽处于工艺控制状态。

此外，根据热处理产量多少，每半年或一年清理油槽一次，过滤油污，清除槽底的残渣杂物，及
时补充新油。

每月或每三个月对每个油槽都应取油样检测一次以监测油质变化情况，当检测的指标超过规定标准而无法调整改善时，必须整槽更换新油。