淬火油添加劑對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：用純銀探頭對一些常用淬火油冷卻特性進行了測試。測試結(jié)果表明：快速淬火油添加劑對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：TG154．4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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機械油，有些廠家選用NI5機械油，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，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)過一段時間使用后，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?最簡便可行的辦法是在油中加入快速淬火油添加劑，問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?對這些問題全面深入的了解，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冷卻特性進行對比測試，對測試結(jié)果進行分析，提出提高和改進措施。

2 　測試方法與條件

2．1 測試系統(tǒng)

系統(tǒng)中的敏感元件，采用對冷卻全過程反映靈敏的∮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程中反映冷卻特性的熱偶電信號，經(jīng)放大后傳輸給電腦。 電腦按900／min點采集溫度和時聞數(shù)據(jù)，并按一定公式運算，給出時間·溫度·冷卻速度對應(yīng)關(guān)系以及最大冷卻速度及其對應(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 測試油介質(zhì)的品種及條件

新油有：N32、N15和0號柴油。

老化油有：N32陳油、機械油與柴油混合油的陳油和快速光亮淬火油陳油。

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

探頭在油中冷卻時，探頭與油介質(zhì)無相對運動。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 測試結(jié)果及分析

3．1 測試結(jié)果

所述油品冷卻特性測試的參數(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探頭中心冷卻速度的最大值。②最大冷卻速度對應(yīng)溫度(Tcm)，即最大冷卻速度時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始沸騰、開始快速冷卻的溫度。④300℃時的冷卻速度(V300 )，即探頭金屬中心冷到300℃時的中心冷卻速度。⑤300℃時的冷卻時間，即探頭由加熱溫度冷至300℃時所需的時間(t300)。從冷卻特性方面評判淬火油的優(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)的測試結(jié)果如表 1所示。

3．2 結(jié)果分析

3．2．1 N32機械油

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)點是閃點較高(150℃)，流動性適中，不易老化，低溫冷卻速度V300小。但最大冷卻速度Vm不大，對應(yīng)溫度也不高，是很大的缺點，對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，保持淬火變形小及不易淬火開裂的優(yōu)點。

N32油經(jīng)長期使用，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，對實現(xiàn)淬火目的不利。老化嚴(yán)重時，會使鋼達不到應(yīng)有的淬火要求。此時不應(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，使最大冷速由152℃／S提高到 193℃／S，對應(yīng)溫度由428℃提高到506℃/S；油溫 7O℃時，由213℃／S提高到280℃／S，對應(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，說明陳油又恢復(fù)到新油甚至超過新油的淬火效果。

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冷速影響不大的光亮劑)。前國內(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，在250～380℃／s、Tcm在480～ 530℃、Tc在550～ 620℃之間變化。快速淬火油中的快速淬火油添加劑，隨油品的消耗而消耗，隨淬火過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，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，Vm 由 196℃／s提高到256℃／s；油溫為70℃時，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機械油

15號機油的粘度數(shù)值還不到N32油的1／2，因此流動性好，熱傳導(dǎo)性也優(yōu)于N32，所以冷卻能力比N32油強得多, Vm 可達187℃／s(20℃)，但最大冷速對應(yīng)溫度Tcm 較低，只有434℃，是明顯的缺點。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，使對應(yīng)溫度、特性溫度明顯提高的同時，又使最大冷速由157℃／s提高到257℃／s，進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不到要求時，往往習(xí)慣地使用柴油。零號柴油的冷卻速度確實比N32、N15機械油大，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低(僅為324℃)、特性溫度也很低(僅為415℃)、300℃時的冷卻速度又過大(157℃／s)方面來分析，可以說是很大的缺點。另外，柴油的閃點很低，不超過 7O℃，因而易于著火導(dǎo)致災(zāi)害，易于冒煙產(chǎn)生污染。可以斷言，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應(yīng)溫度的同時，使Vm由225℃／s提高到299℃／s，進入快速淬火油水平。生產(chǎn)中有時采用機械油與柴油的混合油作為冷卻介質(zhì)，隨生產(chǎn)過程的進行，在機械油組份逐漸老化的同時，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現(xiàn)，而且破壞了機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淬火油添加劑對油溫不敏感，雖然油溫在70℃時有較大的增速效果，但室溫下的增速效果亦十分明顯 。這對油槽溫度控制帶來方便。

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)為必須解決三個問題：①赤熱金屬與油介質(zhì)接觸時，瞬時形成大量氣泡核心，并抑制 氣泡核心的長大；②小尺度的油蒸氣泡構(gòu)成的氣泡膜迅速破裂進入沸騰并維持較長時間；③不增強對流階段的熱傳導(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，使氣泡尺寸很小時就不能存在而破裂，以致提高了泡狀沸騰開始的溫度，縮短了泡狀沸騰開始的時間，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)生并維持較長時同，這不僅提高了最大冷卻速度的對應(yīng)溫度，而且擴大了快速冷卻高溫區(qū)的范圍，增強了冷卻的力度。由于這種大分子本身的熱傳導(dǎo)性不如油介質(zhì)，因而不會增加低溫下的對流階段的冷卻速度。

4 結(jié)論

(1)所述淬火油添加劑對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32號老化油或新油和對l5號油，在一定添加量時，可使冷卻速度達到快速淬火油水平；對柴油不僅提高冷卻速度，還明顯提高最大冷卻速度對應(yīng)溫度；對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。