齒輪淬火冷卻中（zhōng）的問題及解決辦法

       不管是滲碳淬火、碳氮共滲淬火、感應加（jiā）熱淬火還是整體加熱淬火，齒輪淬（cuì）火冷（lěng）卻過程可能出現的熱處（chù）理（lǐ）質量問題主要有：
       1．淬火後硬度不足、淬火態硬度不均、淬火硬化深度不夠（gòu）；
       2．淬火後心部硬（yìng）度過高；
       3．淬火變形超（chāo）差；
       4．淬火開（kāi）裂；
       5．油淬後表（biǎo）麵光（guāng）亮度（dù）不夠。

       工廠出現的這類質量問題往往與齒輪的材質、前處理（lǐ）、淬火加（jiā）熱和淬火冷卻有關。在排除材質、前處理和加熱中的問題後，淬火介質及相關技術的作用（yòng）就特別突出了。事實上，近年來國外對淬火冷卻（què）的研（yán）究也（yě）證明，在改進和提高熱處理質量（liàng）的工作中，值得注意的正是淬（cuì）火冷卻。

       淬火冷卻大多是（shì）在液體介質中（zhōng）進行的。齒輪淬火用的通常是淬火油、水溶性（xìng）淬火介質和自來水。因此，下麵將首先分析（xī）齒輪淬火冷卻可能出現的以上質量問題與（yǔ）所用淬火介質的特性和用法（fǎ）的關係，並指出解（jiě）決不同問題所需淬火液的冷卻速度分布特（tè）點。隨後簡單介紹（shào）常用淬火介質的冷（lěng）卻速度分布特點和選用時的注意事項。

       一、淬火冷卻中的（de）質量問題
       1．硬度不足與硬化深（shēn）度（dù）不夠

       淬火冷（lěng）卻速度偏（piān）低是造成齒輪淬火硬度不足、硬度（dù）不均和硬化深度不夠的原因，但是，根據（jù）實際淬火齒輪的材質、形狀大小和熱處理要求不同，又可以分為高溫階段冷速不足、中低溫階段冷速不（bú）足以及低溫階段冷速不足等不同情（qíng）況。比如。對於中小齒輪，淬火硬（yìng）度不足往往（wǎng）是中高溫階段（duàn）冷速不足所致，而（ér）模（mó）數大的齒輪（lún）要（yào）求較深淬硬層時，提（tí）高低溫冷卻速度就非常必要（yào）了（le）。

       對於淬火用油，一般說，油的蒸氣（qì）膜階段短、中溫冷速快、且低（dī）溫冷卻速度快，往往能獲得（dé）高而且（qiě）均勻的淬火硬度和足夠的淬硬深度。

       工件裝掛（guà）方式對淬火冷卻效（xiào）果也有明顯影響。要使淬火油流動通暢，並配備和使用好攪拌（bàn）裝置，才能得到（dào）更（gèng）好的效果（guǒ）。

       提高所用淬火介質的低溫冷卻速度，往往（wǎng）可以增大淬硬層深度。在滲層碳濃度（dù）分布相同的情（qíng）況下，采用低溫冷卻速度更高的淬火油，往往獲（huò）得更（gèng）深的淬火硬（yìng）化層，因此，采用冷卻速度快的淬火（huǒ）油後，可以相應縮（suō）短工（gōng）件的滲碳時間，也（yě）能獲得要求（qiú）的淬火硬化層深度。要求的滲碳淬（cuì）硬層深度越大，這種方法縮短滲碳（tàn）時間的效果（guǒ）越明顯。

       2．淬（cuì）火後心部（bù）硬度過高

       這類問題可能與所選（xuǎn）介質冷速過快或介質的低溫冷卻速度（dù）過高有關。解決辦法之一是改換淬火（huǒ）油來滿足要求。辦法之二是（shì）與淬火（huǒ）介（jiè）質生產廠家聯係（xì），有針對地加入適當的添加劑來降低淬火油的（de）中低溫冷卻速度。辦法之三是改用（yòng）淬透性更（gèng）低的鋼種。

       3．淬火變形問題

       淬火變形使不少工廠傷（shāng）透了腦筋（jīn）。按（àn）習慣，變形（xíng）問題的解決通常要牽涉多個部門，解決的辦法往往是綜合措施。

       近（jìn）期發表了關於淬火變形的文章（zhāng），把引起變形的原因主要歸結為冷卻速度（dù）不足和冷卻不均，並在此基礎上提（tí）出了提高冷卻速度並設法實現均勻冷卻的解決原則方法，可供參考（kǎo）。提高淬火冷卻速（sù）度的措施也在該參考文獻中列出，應用時隻要合理選用相同作用方向的措施加上（shàng）去。就可解決大部分（fèn）齒輪（lún）的淬火變形問題。比如，齒輪（lún）的內花鍵孔（kǒng）變形，往（wǎng）往是所選的淬火（huǒ）油高溫冷（lěng）速不足，或者說油的（de）蒸氣膜階段過長的緣故。提高油的（de）高溫冷速並提（tí）高油在整個冷卻過程的冷速，一般就能（néng）解決內花鍵孔的變形問題。對於中小齒輪，尤其是比較精密的齒輪，選好用好等溫分級淬火油是控製變形必不可少的措施。

       4．齒輪的淬火開裂（liè）問（wèn）題

       這個問（wèn）題主要出現在感應加熱淬火中。選擇好水（shuǐ）性淬火介質，比如國內外普遍采用的PAG類淬火介質代替原來使用的自來水，問題便解決了（le）。感應加熱淬火采（cǎi）用PAG介質。可（kě）以獲得高（gāo）而均勻的淬（cuì）火硬（yìng）度和深而且穩（wěn）定的淬硬層，淬裂危險極小。

       5．光亮問題

       有這方麵要求的場合，應當選用光亮淬火油或快速光亮（liàng）淬火油。通常，光亮淬火油的光（guāng）亮性好（hǎo）則冷卻速（sù）度不（bú）夠高（gāo），而冷卻速度很高（gāo）的淬火油的光亮性則不夠（gòu）好。此外，熱油的光（guāng）亮性一（yī）般也較差，可（kě）以換新油或補加提高光亮性的添加劑。

       二、齒輪用淬火介質的選擇
       當前用於齒輪淬火的介質主要是各種淬火油，水溶性（xìng）淬火介質和普通自來水。以下分別討論這些介質（zhì）在齒輪淬（cuì）火中的選用（yòng）方（fāng）法和注意事項。
       1．自來水
       自來水（shuǐ）是經濟（jì）而（ér）又清潔的淬火介質。一些含碳量低、淬透性差且形狀（zhuàng）簡單齒輪的調質淬火（huǒ）和感應加熱淬火，往往（wǎng）可以用（yòng）自來水。作（zuò）為淬（cuì）火介質，自來水（shuǐ）的冷卻特性是：工件處於（yú）高溫階（jiē）段時冷得很快，而到了（le）工（gōng）件處於低溫（wēn）階段時（shí）冷卻得也（yě）很快。冷卻（què）速度快可以使淬透性差和比較厚大的工件淬硬。這是自（zì）來水的優點。但（dàn）是，用自來水淬火有（yǒu）三大缺（quē）點（diǎn），首先是低溫（wēn）冷卻太快使多數鋼種和工件容易發生淬裂。第二是工件高（gāo）溫階段冷卻太快，比較細長與較薄（báo）的工件容易因為入水方式不當而發生淬火變（biàn）形。第三，也是（shì）不少人容易忽視的缺點，是隨著水（shuǐ）溫升高，淬火冷卻的蒸氣膜階段會逐漸（jiàn）增長，且工件處於中低溫階段時的冷卻速（sù）度也逐漸降（jiàng）低。由於這種原因，當工件采取較密集的（de）堆放方式入水淬火時，水隻有（yǒu）穿過（guò）堆在（zài）外麵（miàn）工件之間的縫隙才能接觸內麵的工件。穿過外麵的工件時水溫會（huì）逐漸升高。這樣，堆在外麵的工件接觸的水溫低，而堆在內部的（de）工件接觸的水溫高。致使堆放在內、外部的工件的淬火冷卻效果不同。外部的工（gōng）件冷卻快，淬火後硬度高，並容易淬（cuì）裂。堆放在（zài）內部的工件經受的冷卻慢，淬火後硬度低。工件堆放得越密集，淬火時水的流動越不通暢，這種差（chà）別就越大。這一缺點使自來水不適用（yòng）於淬密集堆放的小工件。使用油（yóu）淬火（huǒ）時，油溫提高，冷卻（què）的蒸氣膜階段稍有縮短，而油溫升（shēng）高使油的粘度降低流動性變好，有利於提高油的冷卻（què）速度，能（néng）使堆放得較密集的工件內外冷卻（què）效果基本一致。應當說，這是用油淬火的一個優點。

       選用自來水作為淬火液時（shí），應當知道它的優點和缺點（diǎn）。用（yòng）好它（tā）的優點，而（ér）避免它的缺點（diǎn）。設法控製好水的溫（wēn）度。采取堆（duī）放方式淬火時，要設法使工件堆放得疏鬆一些（xiē），並通過攪動促使淬（cuì）火液通暢地從工件之（zhī）間流（liú）過，以減（jiǎn）小內部的水溫差。

       2．水溶性淬火介質

       自來水作為淬火介質的缺點是其低溫冷（lěng）卻速度太快，使多種鋼製的工件容易淬裂。引起鋼件淬裂的主（zhǔ）要原因是（shì）水在馬氏體轉變的溫度（Ms點）及（jí）其以下（xià）的溫度範圍冷卻得（dé）過快（kuài）。由於這樣的原因，研究開發水（shuǐ）溶性淬火介質（zhì）的目標就（jiù）是降（jiàng）低水的低溫冷卻速度（dù）。考慮到（dào）多（duō）數（shù）結構鋼的Ms點在300℃附近（jìn），通常就以工件冷卻到（dào）300℃時水溶（róng）性淬火液的冷卻速度，即所謂300℃冷卻速度來表示該淬火（huǒ）液（yè）的冷卻性能。通常可以用水性（xìng）淬火介（jiè）質的300℃冷卻速度來對該（gāi）介質定級，以便熱（rè）處理（lǐ）工（gōng）作（zuò）者選用。簡單說，水性淬火液的300℃冷卻速度低，其防止工（gōng）件淬裂的能力就強；300℃的冷卻速度（dù）高（gāo），其淬硬能力也高（gāo），當（dāng）然工件的淬裂傾向也大。因此，選擇水溶性淬火介質首先應當了解它的300℃冷卻速度。同類淬火介質（zhì）品種中（zhōng），得到（dào）相同的（de）300℃冷卻速度時的濃度越低，其使（shǐ）用成本（běn）也就越低。

       水性淬火介質有很多品種（zhǒng），不同（tóng）品種有（yǒu）不同的（de）特性。PAG類介質冷卻特性可調，濃度測控（kòng）容易。它既適用於整（zhěng）體淬火，也適用於各類感應加熱淬火，且能長期穩（wěn）定（dìng）地（dì）使用，因而受到（dào）普遍歡迎，成為當前國內外（wài）熱處（chù）理界使用得廣泛的水性淬火介（jiè）質。

       由於液溫對冷卻特性影響較大，使用水溶性淬火介質時應當配備好循環冷卻係（xì）統，以便（biàn）在使用中調節液溫，一般說，在（zài）水溶性淬火液中淬火時，工件也不宜在密集堆放條件下入水，以免造成內外工件明顯不同的淬火效果。

       3．普通機械油

       工廠熱處（chù）理生產中使用（yòng）得多的普通機械油是N32機油（原20號機油）和N15機械油（原10號（hào）機油）。作為淬火介質（zhì），這類機油的特性（xìng）是，在工件高溫階段蒸氣膜時間（jiān）較長，淬火冷卻（què）速度不（bú）高，且低溫冷卻較慢。

       油的蒸（zhēng）氣膜階段長，工件高溫階段的冷卻慢，可能出現的問題是低碳鋼製的工件容（róng）易發生先共析鐵素體轉變；而形狀複雜的工件，比如帶花鍵孔的齒輪等又特別容易變形。在中（zhōng）、低溫階段冷卻慢，使比較大的工件不易（yì）淬硬或（huò）淬（cuì）硬層深度不足並因此（cǐ）發生淬火變形。

       普通機油的抗氧化（huà）能（néng）力差，使用中容易老化變（biàn）質，老化（huà）變質的主要反映是（shì）油的粘度提高低溫（wēn）冷卻速度降低。變質（zhì）的影響是工件淬火後的硬度和硬化深度見效，且淬火變形增大。粘度提高和產生油泥（ní）渣往往給淬火後的清洗造成困難，也使油的消耗量增大。

       4．淬火（huǒ）油
       淬火油一般分為普通淬火油（yóu）、快速淬火油、等溫分級淬火油（yóu）（也簡稱熱油）、真空淬火油以及（jí）光亮淬火油等類。和普通（tōng）機油相比，淬火油的熱穩定性（xìng）能較好，能更好地保證工件的淬火（huǒ）質量。當然，淬火油優於普通機（jī）油的重要的方麵還是它們的（de）冷卻特性。和普通機油（yóu）相比，不同的淬火油在冷卻速度分布上都有蒸氣膜階段（duàn）短的（de）特（tè）點，因而使工件在高溫階段能冷卻得更快。其中快速淬火油的高冷卻速度都比較高，中低溫階段（duàn）的冷卻速度快（kuài）慢則因淬火（huǒ）油的不同（tóng）品種而有較大差別。熱油在冷卻特（tè）性上的特點是蒸氣膜階段更（gèng）短，而在工件淬火冷卻（què）的低溫階段冷卻（què）較慢。

       快速淬火油主要用於稍厚大的工件和（hé）淬透性稍低的（de）鋼種。熱油主要用於較（jiào）小型的工件和淬透性較好的鋼種。

       應該說，任何淬火油都有適合它的工件。但（dàn）是，除少數情況外（wài），每台熱（rè）處理爐都希望能處理比較多的（de）鋼種（zhǒng）和比較多樣的工件，因此，多（duō）傾向（xiàng）於選用適應範（fàn）圍更廣的淬火油。一（yī）般說，淬火油的蒸氣（qì）膜階段短，中溫階段冷卻得（dé）快、低（dī）溫階段冷卻速度大，這種油的冷卻能力就很強，它（tā）的適用範圍就廣。不（bú）少油淬工件的變形是與它的（de）淬火硬度不足和淬硬深度不夠同時（shí）出現的。而（ér）改用這種適應範圍廣的淬火油，往（wǎng）往能同時解決（jué）工件的變形、硬（yìng）度不足和淬硬深度不夠（gòu）等問題。淬火油的蒸氣膜階段（duàn）短，也就是油的高溫階段冷卻得快。這一特點有（yǒu）利於（yú）防止先共析鐵素體的析出，也有利於防止（zhǐ）帶內花鍵齒輪的變形。簡單說，淬火油總的冷卻速度高有利於獲得較深的（de）淬火（huǒ）硬化層。但從冷卻速度分布上分析，除中、高溫階段要求冷卻得快以外，油的低溫冷卻速度高（gāo）低對獲得的淬硬層深淺（qiǎn）作用更（gèng）大。低溫冷卻速（sù）度越高，淬火硬化層往往越深。

       攪（jiǎo）動淬（cuì）火油可以提高油的冷卻速（sù）度。冷卻速度比（bǐ）較低（dī）的油，攪動提高其冷卻能力的作用較大；而對於冷卻（què）速度高（gāo）的淬火油，攪動的作用則相對較（jiào）小。

       齒（chǐ）輪（lún）的淬火質量（liàng）問題中還（hái）有一類（lèi）是淬火硬化層過深。硬化層過深，常常在使用（yòng）中斷齒。解（jiě）決這類（lèi）問題的有效辦（bàn）法之一是降低淬火（huǒ）油的低溫冷卻速度（dù）。

       總之，為保證齒（chǐ）輪的淬火質量（liàng）去選擇淬火油時，應當根據所處理齒輪的鋼種、形狀特（tè）點和熱處理要求從油的冷卻（què）速度分布特性去進行選擇，盡量能（néng）與淬火油生產廠的有關技術人員一道，通過（guò）討論分析確定合適的淬火油和合理的使用方法。

       三、淬火介質在使（shǐ）用中的變（biàn）化

       不（bú）管是淬火油還是水溶（róng）性淬火介質，它們在（zài）使用中都要接觸高（gāo）溫工件，也都（dōu）會受到不同程度的汙（wū）染。進入（rù）空氣，介質會被氧化。高溫可能引（yǐn）起有機介質的熱分（fèn）解、氧化和聚合等反（fǎn）應。汙染（rǎn）可能使介質的氧化和其它變化（huà）更（gèng）複雜。所有這些變（biàn）化（huà）及其留在介質中的變（biàn）化產物都會引起介質變質。淬（cuì）火油的顏色變化、透明度（dù）變化、粘（zhān）度變化等都是變質的表現。應當說，沒有（yǒu）不變質的介質。我（wǒ）們所關心的（de）隻有三點：一（yī）是變化對介（jiè）質冷卻特性的影響（xiǎng），二是變質的快慢，三是用什麽辦法來了解和（hé）糾正變質的影響，以保證獲得長期穩定的淬火質量。

       前麵談到，水溶性（xìng）淬（cuì）火劑（jì）主要用來降低水的低溫冷卻速度。而水溶性（xìng）淬火液在使用中的變化趨勢則正好相反，變化使（shǐ）低溫冷卻速度逐漸（jiàn）提高，企圖恢複到不加淬火劑之前的程度。

       普通（tōng）機油在使用中的變化（huà）趨勢，簡單說就是開始時低（dī）溫冷卻速度逐漸降低、蒸氣膜（mó）階段逐漸縮短而中高溫階段的冷卻速度稍有提高。使用時間（jiān）增長，由於油的粘度進（jìn）一步增高，油的中、高溫冷卻（què）速度也將減慢（màn），致使工件的冷卻效果明顯變差。

       淬火油在使（shǐ）用中（zhōng）的變化比較複（fù）雜，它包含所加添加劑的變化和基礎油的變化兩部分，是這兩方麵（miàn）變化的綜合結果。不同的淬火油以（yǐ）及不同的使用條件，變化情況會有比較大的差別。有一點需要指出的是，在不受水汙染的條（tiáo）件下，幾乎所有的淬火油經過長期使用後低溫冷卻速度都會逐漸變慢。當使用時間更（gèng）長（zhǎng）時，工件淬火效果也會明顯（xiǎn）變差。油的穩定性好，變質得慢；油（yóu）的穩定性差，變質就（jiù）快。

       油的使（shǐ）用溫（wēn）度越高，油變質的越快。配備（bèi）循（xún）環冷（lěng）卻係統，使油溫（wēn）穩定在（zài）適當範圍，並通過槽（cáo）內的循環攪拌防止局部過熱（rè）等措施都可減慢油變質速（sù）度，延長油的使用壽命。

       不（bú）同（tóng）介質的變質（zhì）快慢除受介質的品種不同和品（pǐn）質（zhì）差異（yì）的影響以外，還有一個共同的影響（xiǎng）因素，那（nà）就是相同時期內，淬火工件的量越多，淬火液變質就越（yuè）嚴重。在許多情況下，這裏（lǐ）所說淬（cuì）火工件的量應當是指已（yǐ）淬火工件的總的表麵積。工件越小，相同重量的總表麵積就越大，淬火介質變（biàn）質就越多。

       管理問（wèn）題也是影響齒輪（lún）淬火質量不（bú）可忽（hū）視的大問題（tí）。除了應當嚴格按工藝操作外，淬火介質的管理，尤其是防止（zhǐ）汙染關係重（chóng）大。淬火油混進（jìn）了水、水乳化在油中，往往造成淬火硬度不足或淬火開裂。相反，PAG淬火液中乳化進了油有時也會引起淬火開裂。

       淬火（huǒ）介質的顏色、透明（míng）度等方（fāng）麵的變化可以反應出它的變質情（qíng）況。測量淬火油的粘度、閃點、殘炭、酸值等的變（biàn）化也能確定變質程度。在變質造成的影（yǐng）響中（zhōng），與工件（jiàn）的熱處理效果關係的是冷卻特性的變化（huà）。為了保證齒輪（lún）的淬（cuì）火冷卻效果，建議對所用淬（cuì）火油和（hé）淬火介質作定期的冷卻特性檢測，並對介質的冷卻特性進行管理，一般小工廠沒（méi）有必要配備冷卻特性測試儀，可以到（dào）配備了這種儀器的單位去測量。淬（cuì）火介質生產單位應當為（wéi）用戶（hù）工廠進（jìn）行這項檢測。測定淬火介質的冷卻（què）特性，是（shì）使用符合國際（jì）標準（ISO9950）的冷卻特性儀（yí）。分析介質的冷卻特性應當看介質的冷卻速度（dù）分布情況（kuàng），而不是單看冷（lěng）卻速（sù）度值。冷卻速度相同，或到300℃的冷卻時間相同的介質，因為它們冷卻速度分布情況不（bú）同，它們的熱處（chù）理效果可能有很大差（chà）別。前麵已經（jīng）簡單談到介質冷卻速度分布特點（diǎn）與其冷卻效果的關係，詳細內容可（kě）以參（cān）看（kàn）本文後麵的參考資料。

       在長期生產中記錄同類工件（jiàn）的淬火硬度，硬化深度以及淬火（huǒ）變形情況，分析它（tā）們的變化趨勢，使丫丫色导航能了解淬火介質冷卻特（tè）性的變化規律（lǜ）。有了這些（xiē）記（jì）錄，不僅能幫助丫丫色导航（men）控製介質的冷卻特性，還可以幫助分析引起現場熱處（chù）理（lǐ）事故的原因，從而及時（shí）解決該質（zhì）量問題。

       前麵（miàn）談（tán）到，介質變質是不可避免的。使用時間不長、或淬入工件的量還不多時，變質程度較小，從工件的淬火效（xiào）果（guǒ）上反應（yīng）不出介質的變質（zhì）問題。淬火量進一步增加（jiā），變質程度加大到工（gōng）件淬火達不到要求時，變質問（wèn）題就真正（zhèng）出現了。淬火量繼（jì）續增大，變質更多，工件淬火質量就更（gèng）差。水溶性淬火介（jiè）質變質（zhì）後可能出（chū）現的（de）問（wèn）題主要是工件淬火（huǒ）硬度過高以致工件淬裂。因（yīn）此，水溶性淬火液變質程（chéng）度（dù）可以從同（tóng）類工件（jiàn）的淬火硬度的變化趨勢上作監視，能在出現淬裂之前采取措施。淬火油使用中變質後，可能出現的問題主要是工件淬火硬度偏低（dī）、硬化深度不足和出現較大的變形。因此（cǐ），可（kě）以根據工件的硬度和硬化深（shēn）度的變化趨勢對（duì）淬火油的變質程（chéng）度進行監測。

       淬（cuì）火介質變質後，繼續補加原來的新介質能（néng）不能使淬火液的冷卻特性得到恢複呢？

       這個問題的（de）回答是：有的（de）介質能，有的介質不能。對於（yú）濃度可調節的水性淬火介質（zhì），如（rú）PAG類水溶性淬（cuì）火液，在了解（jiě）其變化規律的基礎（chǔ）上一般多能通過補加原（yuán）來用的新介質（zhì）使冷卻特性恢複到新配時的水平。固定了配方比例的水性淬火液，不能。普通淬火油和淬火油也不能。

       淬火油變質後，隻（zhī）繼續加入（rù）原來的新淬火油一般不能使油的冷卻特性恢複（fù）到新油的水平。然而，在了解了油的變化（huà）規 律後，卻可以通過改性添加劑使油（yóu）的冷（lěng）卻特性得到恢複。