等温分级淬火油用于齿轮碳氮共渗的淬火冷却 -麻将胡了免费旋转

作者简介：陈希原(1957.5—)，男， 浙江温岭人，高级工程师，主要从事热处理麻将胡了免费旋转、化学热处理、锻造余热淬火和激光表面强化等方面的热处理工艺技术咨询与服务，已发表论文35篇。联系电话：13618353405 ； e-mail：

1  hsdf等温分级淬火油与n32机械油的性能对比

1.1 理化性能

选择淬火油，首先应对淬火油的运动粘度、闪点(开口)、酸值和抗氧化稳定性等物理性能予以关注。淬火油运动粘度低，则流动性好；淬火油开口闪点的要求应高出该油准许使用温度上限70℃以上，以确保使用淬火油的安全性和抗老化性能。由表1可见，与n32油相比,hsdf型等温分级油在使用中具有较低的粘度和高的闪点，不但可减少工件淬火时的带出量，而且可提高该油的使用温度范围，降低引起火灾和减少油烟的可能性^[1]。

1.2 冷却性能

评价淬火油的冷却性能，人们通常采用冷却特性曲线。冷却特性曲线中的特性温度（t_vp）、最大冷速（v_max）、最大冷速所在的温度（t_max）、对流开始温度（t_cp）、300℃冷速（v₃₀₀）等是决定淬火油冷却性能的几个重要因素，对淬火冷却效果影响较大^[2]。

两种油冷却性能对比见表2和图2。淬火油的淬火冷却过程通常有三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段和对流冷却阶段。hsdf分级淬火油的冷却性能特点是：特性温度（tvp）、最大冷速（v_max）、最大冷速所在的温度（t_v）、对流开始温度（t_cp）等相对于n32机械油提高了很多,表明该油的高温冷却能力较大。一方面有利于齿轮淬火时能够容易地躲过该钢的过冷奥氏体连续转变曲线的“鼻子尖”，另一方面蒸汽膜阶段缩短，高温阶段冷速快，工件各处冷却均匀且温差减少，有利于减少变形。另外，hsdf等温分级淬火油的对流开始温度较高（相对于n32机械油，提高了100℃以上）。对流开始温度的高低对工件的淬硬深度、心部硬度和变形有一定的影响^[3]。

一般说来，特性温度越高，则淬火油高温区（800℃～400℃）的冷却能力就越大。但对于齿轮这样复杂形状的零件，若高温区冷却太快，则在齿轮不同部位产生较大的温差，不利于热应力的释放。所以高温区的冷速要适中，一般在70-90℃/s。

hsdf型等温分级淬火油的油温由80℃提高到120℃，决定淬火油冷却特性的几个要素变化较小，但特性温度（tvp）、对流开始温度（tcp）等呈上升趋势，有利于减少变形。

以上提供了按标准规定测定的淬火油的冷却性能，但是最终判定淬火油的淬火冷却效果是工件淬火后的质量，如硬度、金相组织、渗碳层深、变形量大小等主要检测项目指标。

2  试验方法

2.1 试验产品的材料和生产工艺流程

i-r档齿轮材料为20crmnti钢，其试验产品材料的化学成分如表3。

生产工艺流程如下：

下料-锻造-正火-粗车-精车-滚齿-剃齿-碳氮共渗、淬火、回火-抛丸-磨内孔/花键-绗齿-包装。

2.2 i-r档齿轮碳氮共渗的技术要求

齿轮经碳氮共渗热处理后要求达到：渗层为0.48-0.80mm、齿面淬火硬度58-63hrc、心部硬度35-48hrc。金相组织：碳氮化合物、马氏体及残余奥氏体、游离铁素体等均为1～4级。

2.3 i-r档齿轮碳氮共渗热处理工艺

    采用rjj-75-9t氧碳势自动控制渗碳炉进行气体碳氮共渗,热处理工艺曲线如图3。

2.4 淬火油种类和油温的确定

提前配备n32机械油、hsdf分级淬火油等两种油类麻将胡了免费旋转，试验可保证麻将胡了免费旋转的容量足够大。

为了保证所有试验产品均处在同一熔炼炉号的材料和相同的热处理工艺规范条件下，所有试验产品经编号后放在同一炉中进行碳氮共渗处理，然后分批取出，在n32机械油（室温、80℃等两种）和hsdf-2等温分级淬火油（室温、60℃、80℃、100℃、120℃等五种）中淬火冷却，进行了对比热处理试验，其两种油品及经不同油温淬火冷却条件下的样品抽取数量均为10件。

2.5 检测项目

2.5.1热前检测

在碳氮共渗热处理前检测花键孔两端几何尺寸及公法线变动量。抽6件检测齿形齿向，其中3件用hsdf油淬火，另3件用n32机械油淬火。

2.5.2热后检测

碳氮共渗热处理后检测齿轮的几何尺寸、硬度和金相组织。抽6件检测齿形齿向；每种油品的不同温度各取一件淬火齿轮进行金相检查。齿轮经不同种油品的各种温度下的淬火冷却后，经剖齿分别测定齿表面和心部硬度，并且在齿顶中点处由齿表面每相隔0.1mm往心部打硬度来检测硬化层深度，以便比较不同淬火油的冷却能力和淬火效果。

3  试验结果及分析

经检验，i-r档齿轮经hsdf-2等温分级油淬火后，其表面硬度、心部硬度、金相组织、碳氮共渗层深度及变形量均满足该零件的技术要求。

3.1 淬火油温的影响

对于hsdf分级淬火油，其粘度随温度的变化很大，油温升高，流动性得以改善，热油的良好流动性使得工件的冷却更加均匀。由表2可知：随着淬火油温的升高，其最大淬火冷速（v_max）、300℃低温冷速（v₃₀₀）等值略有减小，油温从80℃升为120℃时，最大淬火冷速（v_max）由88℃/s减小为86℃/s ，300℃低温冷速（v₃₀₀）由8℃/s减小为6℃/s。

另外，当油温在≤60℃时，经hsdf-2等温分级淬火油淬火冷却后工件表面残留的油泥太多，生产中应在80℃以上使用为好。

3.2 金相显微组织

试验观察试样经不同油品在不同温度下的淬火显微组织如表4。齿轮齿部的碳化物、马氏体和残余奥氏体、铁素体等级别没有显著的差别，均满足技术要求。

3.3 淬火硬度与硬化层深度

齿轮在两种油及不同的油温下淬火冷却后的表面硬度、心部硬度和硬化层分布梯度结果见表5。与n32机械油相比，除表面硬度相同外，齿轮经hsdf油不同油温淬火后的心部硬度较低、硬化层梯度较陡。

试验所用的n32机械油为工厂生产中已使用多年的油，油已出现老化。一般随着淬火油的老化，油的特性温度下降，在一段时间内，淬火油的总体冷却能力会提高，可能引起较大的畸变甚至开裂，这是因为在长期使用油的氧化、脱水、分解及聚合的过程中，生成一些“活性物质”，它们的作用相当于低温区的催冷剂，由此造成n32机械油低温冷速提高。同时，等温分级淬火油的对流开始温度较高，在对流阶段齿轮心部温度的降低主要是依靠心部向表面的热传导和表面与油进行对流换热进行的，试样冷却明显减慢，齿轮冷却提前进入对流阶段，因低温冷却速度的降低, 表面与油进行对流换热的能力减小,这样势必会造成齿轮内部温度降低缓慢。

所以，等温分级淬火油低温冷速比试验所用的n32机械油低，造成齿轮齿部硬度梯度下降较快，且心部硬度稍低。提高所用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，低温冷却速度较高的淬火油，往往能获得较深的淬火硬化层。

3.4 齿轮变形控制

麻将胡了免费旋转的冷却特性对工件的淬火变形影响很大。机械油的蒸汽膜阶段长，其高温阶段的冷却慢，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，而带花键孔的齿轮又特别容易变形。与普通机械油相比，分级淬火油在冷却特性分布上有蒸汽膜阶段很短的特点，因而使工件在高温阶段冷却的更快和更均匀。这有利于防止先共析铁素体的析出，也有利于防止带花键孔的齿轮的变形。由表6中可以看出,采用等温分级淬火油，其花键孔直径热前热后的差值有所减小，其公法线长度热前热后的差值也有所减小。

i-r档齿轮是带较深内孔且形状复杂的工件，对齿形、齿向精度求很高，宜选用蒸汽膜阶段短的油类麻将胡了免费旋转，该介质最好在钢件即将发生马氏体相变及马氏体相变的过程中的冷却速率低。以前人们选用硝盐作为麻将胡了免费旋转，但硝盐因易燃、易爆和有毒性等而限制了使用范围^[4]。使用等温分级淬火油，可以部分解决这种问题。由表7可以看出，等温分级淬火油经80-120℃分级淬火后，齿轮的齿形、齿向与热前相比几乎没变化，而n32机械油经80℃油温淬火后，其齿形、齿向较热前变化相差两级，变形较大。