淬火油添加劑對(duì)一些常用淬火油冷卻特性的影響

王于林

(南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210016)

摘 要：用純銀探頭對(duì)一些常用淬火油冷卻特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：快速淬火油添加劑對(duì)新淬火油和老淬火油的冷卻特性均有明顯改善，大大地提高了淬火油的冷卻速度。

關(guān)鍵詞：淬火油；冷卻特性；快速淬火油添加劑

中圖分類號(hào)：TG154．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-3814(2001)01-0019-03

1 　引言

　　在熱處理生產(chǎn)中，采用不同類型的油品作為冷卻介質(zhì)的現(xiàn)象較為普遍，如較多廠家選用N32機(jī)械油，有些廠家選用NI5機(jī)械油，少數(shù)廠家選用柴油，亦有一些廠家選用快速或快速光亮淬火油。但這些不同的油品作為冷卻介質(zhì)時(shí)，在冷卻特性上有何差異，選擇得是否恰當(dāng)，怎樣提高所選油品的冷卻特性?尤其是選用油品經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，冷卻特性發(fā)生哪些不良變化導(dǎo)致油發(fā)生老化?老化油的冷卻特性如何恢復(fù)和提高?最簡(jiǎn)便可行的辦法是在油中加入快速淬火油添加劑，問(wèn)題是加入什么樣的添加劑，加量是多少，可使老化油或新油的冷卻特性加以改善、恢復(fù)和提高?對(duì)這些問(wèn)題全面深入的了解，有助于正確地選擇油品介質(zhì)，合理地使用油品介質(zhì)。

本文就幾種常用新、老淬火油，在含與不含添加劑的情況下對(duì)冷卻特性進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，提出提高和改進(jìn)措施。

2 　測(cè)試方法與條件

2．1 測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)中的敏感元件，采用對(duì)冷卻全過(guò)程反映靈敏的∮1O×3O(mm)帶柄純銀探頭，其縱向中心孔(∮2mm)末端在探頭本體的幾何中心。中心孔內(nèi)壓有鎳鉻鎳硅熱偶與中心孔的末端連接。探頭在加熱和冷卻過(guò)程中反映冷卻特性的熱偶電信號(hào)，經(jīng)放大后傳輸給電腦。 電腦按900／min點(diǎn)采集溫度和時(shí)聞數(shù)據(jù)，并按一定公式運(yùn)算，給出時(shí)間·溫度·冷卻速度對(duì)應(yīng)關(guān)系以及最大冷卻速度及其對(duì)應(yīng)的溫度。

加熱銀探頭的爐子為1kw 的立式管狀爐，控溫為800土2℃。

2．2 測(cè)試油介質(zhì)的品種及條件

新油有：N32、N15和0號(hào)柴油。

老化油有：N32陳油、機(jī)械油與柴油混合油的陳油和快速光亮淬火油陳油。

測(cè)試油用量為 1000ml，容器置于管狀爐管的下端。測(cè)試時(shí)的油溫為室溫、5O℃和7O℃。

探頭在油中冷卻時(shí)，探頭與油介質(zhì)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。采用的快速淬火油添加劑為油溶性烯烴類高分子聚合物，油中的加入量為7% ～8% ，按體積比加入，攪拌均勻。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3．1 測(cè)試結(jié)果

所述油品冷卻特性測(cè)試的參數(shù)有：①最大冷卻速度(Vm )，即探頭金屬在油中冷卻，油蒸氣膜破裂造成快速冷卻時(shí)探頭中心冷卻速度的最大值。②最大冷卻速度對(duì)應(yīng)溫度(Tcm)，即最大冷卻速度時(shí)探頭金屬中心所處的溫度。③特性溫度(Tc)，即探頭金屬表面油蒸氣膜開(kāi)始沸騰、開(kāi)始快速冷卻的溫度。④300℃時(shí)的冷卻速度(V300 )，即探頭金屬中心冷到300℃時(shí)的中心冷卻速度。⑤300℃時(shí)的冷卻時(shí)間，即探頭由加熱溫度冷至300℃時(shí)所需的時(shí)間(t300)。從冷卻特性方面評(píng)判淬火油的優(yōu)劣，則希望Vm、Tcm、Tc數(shù)值盡可能地大，而V300和t300數(shù)值要盡可能地小。一些油品介質(zhì)冷卻特性參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表 1所示。

3．2 結(jié)果分析

3．2．1 N32機(jī)械油

這種油是熱處理生產(chǎn)中油淬工藝采用最普遍的淬火油。新油優(yōu)點(diǎn)是閃點(diǎn)較高(150℃)，流動(dòng)性適中，不易老化，低溫冷卻速度V300小。但最大冷卻速度Vm不大，對(duì)應(yīng)溫度也不高，是很大的缺點(diǎn)，對(duì)尺寸較大或淬透性差的鋼的淬火硬度和淬硬深度都不利。在新32號(hào)油中加入8% 快速淬火油添加劑，可非常明顯地提高Vm、Tcm 和Tc值，同時(shí)保持很小的V300和t300值，因而在明顯提高冷卻能力、提高淬火硬度和淬透深度的同時(shí)，保持淬火變形小及不易淬火開(kāi)裂的優(yōu)點(diǎn)。

N32油經(jīng)長(zhǎng)期使用，由于油在高溫下發(fā)生氧化與聚合作用，使油的粘度增大，流動(dòng)性變差，熱傳導(dǎo)作用減弱。反映在Vm、Tc 和Tcm 數(shù)值上都有明顯減小，對(duì)實(shí)現(xiàn)淬火目的不利。老化嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使鋼達(dá)不到應(yīng)有的淬火要求。此時(shí)不應(yīng)將陳油廢棄更換，而應(yīng)在老化的陳油中加人8% 左右的OT-l快速淬火油添加劑，使最大冷速及其對(duì)應(yīng)溫度以及特性溫度均有明顯地恢復(fù)和提高。例如油溫20℃時(shí)，使最大冷速由152℃／S提高到 193℃／S，對(duì)應(yīng)溫度由428℃提高到506℃/S；油溫 7O℃時(shí)，由213℃／S提高到280℃／S，對(duì)應(yīng)溫度由489℃提高到515℃，特性溫度由437℃提高到610℃。這些參數(shù)的變化，說(shuō)明陳油又恢復(fù)到新油甚至超過(guò)新油的淬火效果。

3．2．2 快速光亮淬火油

這類淬火油，是在粘度小并能獲得較大的Vm的基礎(chǔ)油中，再加人適量的 快速淬火油添加劑(如要零件淬火態(tài)表面光亮，再在油中加人適量的對(duì)冷速影響不大的光亮劑)。前國(guó)內(nèi)快速淬火油冷卻特性隨供應(yīng)廠家和要求的不同，差別較大。當(dāng)油溫為室溫時(shí)，在250～380℃／s、Tcm在480～ 530℃、Tc在550～ 620℃之間變化?？焖俅慊鹩椭械目焖俅慊鹩吞砑觿?，隨油品的消耗而消耗，隨淬火過(guò)程而逐漸衰退其增速作用。當(dāng)冷速降低不能使零件獲得應(yīng)有力學(xué)性能時(shí)，可在使用的陳油中再加人一定量的 快速淬火油添加劑。表 1顯示，在陳的快速光亮淬火油中加人7% OT-1，油溫為 25℃時(shí)，Vm 由 196℃／s提高到256℃／s；油溫為70℃時(shí)，Vm由248℃／s提高到324℃／s，基本恢復(fù)了這種新油的冷卻速度。若想進(jìn)一步提高Vm，可將 快速淬火油添加劑增加到10% 。增速壽命隨生產(chǎn)條件的不同，基本處在 1.5～3年之內(nèi)。

3．2．3 N15機(jī)械油

15號(hào)機(jī)油的粘度數(shù)值還不到N32油的1／2，因此流動(dòng)性好，熱傳導(dǎo)性也優(yōu)于N32，所以冷卻能力比N32油強(qiáng)得多, Vm 可達(dá)187℃／s(20℃)，但最大冷速對(duì)應(yīng)溫度Tcm 較低，只有434℃，是明顯的缺點(diǎn)。為提高N15油的冷卻特性．在其中加人8％0T-1快速淬火油添加劑，使對(duì)應(yīng)溫度、特性溫度明顯提高的同時(shí)，又使最大冷速由157℃／s提高到257℃／s，進(jìn)入快速淬火油冷卻水平。

3．2．4 柴油和混合油

熱處理生產(chǎn)中當(dāng)淬火工件尺寸較大或淬火硬度達(dá)不到要求時(shí)，往往習(xí)慣地使用柴油。零號(hào)柴油的冷卻速度確實(shí)比N32、N15機(jī)械油大，這是使用柴油正確的一面。但從柴油產(chǎn)生最大冷卻速度的溫度過(guò)低(僅為324℃)、特性溫度也很低(僅為415℃)、300℃時(shí)的冷卻速度又過(guò)大(157℃／s)方面來(lái)分析，可以說(shuō)是很大的缺點(diǎn)。另外，柴油的閃點(diǎn)很低，不超過(guò) 7O℃，因而易于著火導(dǎo)致災(zāi)害，易于冒煙產(chǎn)生污染?？梢詳嘌?，柴油是很不好的淬火油介質(zhì)。生產(chǎn)中為提高N32油冷速，有時(shí)向N32油中加一定比例的柴油，這將使N32油的總體冷卻特性變壞。

為改善柴油的冷卻特性，在柴油中加人8% 0T-1淬火油添加劑，在明顯提高特性溫度和對(duì)應(yīng)溫度的同時(shí)，使Vm由225℃／s提高到299℃／s，進(jìn)入快速淬火油水平。生產(chǎn)中有時(shí)采用機(jī)械油與柴油的混合油作為冷卻介質(zhì)，隨生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行，在機(jī)械油組份逐漸老化的同時(shí)，柴油組份消耗與老化速度更快，這不僅使加人柴油的目的不能實(shí)現(xiàn)，而且破壞了機(jī)械油總體冷卻特性效果。加人8％0T-1淬火油添加劑，將使混合陳油的冷卻特性得到全面提高，尤其可使Vm達(dá)到快速冷卻的水平。

3．2．5 淬火油添加劑效果分析

為間化測(cè)試數(shù)據(jù)，本文分析中各油品介質(zhì)添加劑的含量均為7% ～8% ，如果添加劑含量在一定范圍內(nèi)增加(如10% )，各特性參數(shù)改善和提高將更明顯。表2 給出不同油品在相同溫度下，含淬火油添加劑的與不含淬火油添加劑的油品在冷卻特性上的比較而得出的提高幅度 （%）。由表2分析可知：①所述添加劑對(duì)表列各油品冷卻特性參數(shù)影響效果不盡相同，但均有提高而無(wú)降低。尤其可貴的是在各參數(shù)全面提高的基礎(chǔ)上，最大冷速提高了30% ～60% ，這為提高淬火硬度和淬透深度提供了有利條件。②淬火油添加劑對(duì)油溫不敏感，雖然油溫在70℃時(shí)有較大的增速效果，但室溫下的增速效果亦十分明顯 。這對(duì)油槽溫度控制帶來(lái)方便。

要使淬火油添加劑全面高效地提高油介質(zhì)的冷卻特性，作者認(rèn)為必須解決三個(gè)問(wèn)題：①赤熱金屬與油介質(zhì)接觸時(shí)，瞬時(shí)形成大量氣泡核心，并抑制 氣泡核心的長(zhǎng)大；②小尺度的油蒸氣泡構(gòu)成的氣泡膜迅速破裂進(jìn)入沸騰并維持較長(zhǎng)時(shí)間；③不增強(qiáng)對(duì)流階段的熱傳導(dǎo)能力。 OT-l油溶性高分子在赤熱金屬表面起著氣泡核心的作用，使氣泡核心數(shù)增加。但由于這種高分子降低了油氣泡的表面能，使氣泡尺寸很小時(shí)就不能存在而破裂，以致提高了泡狀沸騰開(kāi)始的溫度，縮短了泡狀沸騰開(kāi)始的時(shí)間，即提高了特性溫度。由于這種大分子的存在，使泡狀沸騰在更高的溫度下發(fā)生并維持較長(zhǎng)時(shí)同，這不僅提高了最大冷卻速度的對(duì)應(yīng)溫度，而且擴(kuò)大了快速冷卻高溫區(qū)的范圍，增強(qiáng)了冷卻的力度。由于這種大分子本身的熱傳導(dǎo)性不如油介質(zhì)，因而不會(huì)增加低溫下的對(duì)流階段的冷卻速度。

4 結(jié)論

(1)所述淬火油添加劑對(duì)多種油品全面改善冷卻特性，尤其在增加冷卻速度方面效果明顯。對(duì)32號(hào)老化油或新油和對(duì)l5號(hào)油，在一定添加量時(shí)，可使冷卻速度達(dá)到快速淬火油水平；對(duì)柴油不僅提高冷卻速度，還明顯提高最大冷卻速度對(duì)應(yīng)溫度；對(duì)老化的快速光亮淬火油，不僅可使冷速恢復(fù)到新油水平，甚至超過(guò)原油的冷卻速度。

(2)適應(yīng)油溫范圍廣。含添加劑的油既可在室溫下淬火，也可在加溫條件下使用。

(3)使用簡(jiǎn)便。OT-1液態(tài)添加劑與油的互溶性良好，按一定比例加人后攪拌均勻即可使用。