左永平　權(quán)純逸

摘　要：本文介紹了航空工業(yè)常用淬火介質(zhì)的種類，機(jī)械油和自來(lái)水正逐漸被專業(yè)淬火介質(zhì)所替代。同時(shí)對(duì)航空工業(yè)使用的淬火介質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀和分析。

關(guān)鍵詞：航空工業(yè)；淬火介質(zhì)，淬火油；標(biāo)準(zhǔn)；HB5415

淬火介質(zhì)作為一種工藝材料，是冷卻路徑控制的重要媒介，使材料獲得期望的組織和性能，賦予材料極限服役性能。近年來(lái)我國(guó)航空工業(yè)取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，但在熱處理領(lǐng)域同樣存在的”重?zé)彷p冷“的現(xiàn)象，即重視加熱裝備和工藝而輕視淬火冷卻的重要性。

淬火介質(zhì)的種類有很多，根據(jù)其特性可分為兩大類，類是發(fā)生物態(tài)變化的，第二類是不發(fā)生物態(tài)變化的。類常見(jiàn)的有水、鹽或堿水溶液、高分子聚合物水溶液、乳化液(漿狀液）、淬火油等；第二類常見(jiàn)的有鹽浴、堿浴、金屬浴、氣體、金屬板等。隨著材料熱處理以及化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研究和發(fā)展了各種類型的一系列新型的淬火介質(zhì)，以適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展的需要，并且對(duì)各種淬火的冷卻特性及其物理、化學(xué)性能以及評(píng)價(jià)性能的裝置和方法等方面逐步進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，有的已形成體系和規(guī)范。

01　淬火油的應(yīng)用

淬火油存在植物油基和礦物油基兩種，因植物油穩(wěn)定性差，在航空工業(yè)中也早已被礦物油基所代替。我國(guó)從上世紀(jì)70年代以后，逐步開(kāi)始對(duì)礦物基淬火油進(jìn)行研究，參考先進(jìn)工業(yè)國(guó)家在淬火冷卻方面所做的工作，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索，基本填補(bǔ)了專用淬火油的空白。我國(guó)現(xiàn)有的熱處理專用油主要有快速淬火油、光亮淬火油、快速光亮淬火油、真空淬火油、等溫分級(jí)淬火油等多系列專用淬火油[1]。

●機(jī)械油的應(yīng)用

我國(guó)航空工業(yè)的部分熱處理車間，仍在采用N15和N32全損耗系統(tǒng)用油（機(jī)械油）做為淬火油。機(jī)械油主要用于機(jī)器潤(rùn)滑，不是熱處理專用淬火油，在其它行業(yè)已基本淘汰。按照J(rèn)B/T6955-2008《熱處理常用淬火介質(zhì) 技術(shù)要求》，表一摘取了N32、快速淬火油不同油溫下的冷卻特性：

從表一中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，N32的冷卻性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于快速淬火油的冷卻性能，在熱處理實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻能力差會(huì)對(duì)產(chǎn)品的帶來(lái)較為嚴(yán)重的影響，特別是對(duì)于有一定尺寸效應(yīng)的產(chǎn)品，影響更為明顯。

機(jī)械油的使用在一定程度上限制了熱處理產(chǎn)品水平的提升，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明使用專業(yè)淬火油在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有較為明顯的效果，采用專業(yè)淬火油取代機(jī)械油是必然趨勢(shì)。

近年來(lái)，越來(lái)越多的航空企業(yè)進(jìn)行技改和工廠搬遷，逐漸將專業(yè)油品引人到生產(chǎn)實(shí)際中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械油。金城南京機(jī)電液壓工程研究中心至03年起將快速淬火油引入多用爐生產(chǎn)線中，至今已穩(wěn)定生產(chǎn)十多年，相對(duì)與原來(lái)所使用的機(jī)械油，工件表面硬度更為均勻，硬度值同比更高，同時(shí)處理產(chǎn)品的有效淬硬層深也有所提高；同時(shí)，油品的穩(wěn)定作用、長(zhǎng)時(shí)間使用仍維持了工藝的穩(wěn)定性，得到了廣泛認(rèn)同。洪都航空工業(yè)集團(tuán)、中航西安航空制動(dòng)科技有限公司、鷹普航空鑄件（無(wú)錫）有限公司、中國(guó)航發(fā)中傳機(jī)械有限公司等企業(yè)，在設(shè)備革新及工藝改進(jìn)過(guò)程中，逐步采用專業(yè)淬火油取代傳統(tǒng)的淬火油，為整個(gè)航空工業(yè)的質(zhì)量提升提供了基本的參考依據(jù)。[1]

●真空油的應(yīng)用

真空油淬是目前真空熱處理的主要工藝之一，目前國(guó)內(nèi)主要航空企業(yè)都在大量使用，如沈飛、西飛、成飛、洪都等航空企業(yè)。真空油淬技術(shù)發(fā)展過(guò)程中曾遇到的技術(shù)難點(diǎn)是真空油淬增碳問(wèn)題。上世紀(jì)七十年代我們的試驗(yàn)研究表明，真空油淬可能產(chǎn)生增碳，使疲勞性能下降，近三十年解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技術(shù)關(guān)鍵[2]。

淬火油受熱分解會(huì)形成的活性碳原子，主要發(fā)生在蒸汽膜階段，淬火溫度越高越容易滲入，使工件表面形成增碳層；同時(shí)鋼在真空高溫加熱時(shí)其表面被活化，加熱室真空度越高表面活化程度越高，越容易出現(xiàn)增碳現(xiàn)象。為防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生，應(yīng)選擇具有高飽和蒸汽壓的真空淬火油和改進(jìn)熱處理工藝。例如，高速鋼真空油淬可能在工件表面形成30~40μm的增碳白層，為防止增碳現(xiàn)象，可選擇合適的加熱真空度，采取先充氣后入油或氣—油兩段冷卻法等措施進(jìn)行改善[2]。

圖1  某模具材料真空油淬增碳現(xiàn)象

02　水溶性淬火介質(zhì)及其它淬火油介質(zhì)的應(yīng)用

水及水溶性淬火介質(zhì)的應(yīng)用在航空工業(yè)?也很廣泛，水溶性淬火介質(zhì)一般分為鹽堿類水溶性淬火介質(zhì)和聚合物類水溶性淬火介質(zhì)。鹽堿類水溶性淬火介質(zhì)以NaCl和CaCl2水溶液Z為常見(jiàn)，在航空企業(yè)中應(yīng)用也很多，例如一些厚大碳素鋼工件都在采用水淬油冷工藝。聚合物水溶性淬火介質(zhì)種類也很多，常見(jiàn)的有聚二醇 (PAG)、聚乙烯醇 (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮 (PVP)、聚丙烯酸鈉 (ACR)等，這些介質(zhì)通過(guò)改變濃度、溫度和攪拌方式能使其冷卻能力在很大范圍內(nèi)變化，具有介于水和油之間的冷卻能力。

聚合物水溶性淬火介質(zhì)以PAG 類應(yīng)用Z為廣泛，在汽車、工程機(jī)械等行業(yè)應(yīng)用非常普遍，PAG淬火液已經(jīng)成熟替代水淬油冷工藝，在保證不開(kāi)裂的情況下具有更深的淬硬層。但因航空工業(yè)小批量多品種的行業(yè)特點(diǎn)，傳統(tǒng)多采用鹽浴爐加熱，限制了PAG淬火液的推廣。但隨著鹽爐被底裝料等設(shè)備取代，PAG淬火液也逐漸應(yīng)用于黑色金屬。

PAG淬火液還有少部分企業(yè)應(yīng)用于鋁合金固溶，例如成飛、西飛和商飛。PAG淬火液可有效減小鋁合金變形50%以上，國(guó)外應(yīng)用比較普及，具有成熟應(yīng)用工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系[3,4]。雖然聚合物淬火劑價(jià)格比水貴，但由于能減少變形，減少校正工時(shí)，降低產(chǎn)品報(bào)廢率，使總成本大幅度降低。例如波音公司采用聚合物溶液淬火，幾乎消除了淬火畸變，一年總共節(jié)省的校正費(fèi)用超過(guò)60萬(wàn)美元[3]。

圖2  2A12板材采用PAG和自來(lái)水淬火變形對(duì)比

航空工業(yè)中熔鹽、熔堿、鉛浴也有一定應(yīng)用，其中熔鹽應(yīng)用Z為常見(jiàn)，主要用于馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火及“索氏體淬火”。這些淬火介質(zhì)屬于沒(méi)有物態(tài)變化的介質(zhì)，根據(jù)產(chǎn)品的某些特殊技術(shù)需求，還很難被其它淬火介質(zhì)所替代。

03　航空行業(yè)使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

目前淬火油的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 7631.14、GJB 509B、SH/T 0564、HB 5415、JB/T 6955、JB/T 13026、JB/T 13347、TB/T 2748等，航空工業(yè)中主要采用GJB 509B與HB5415兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其淬火油的分類存在明顯的差異甚至矛盾，淬火油粘度分類對(duì)比如表二所示。

基于航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的問(wèn)題，北京航空材料研究院佟小軍研究員從2015年起組織對(duì)HB 5354、HB 5415進(jìn)行修訂，筆者有幸參與淬火介質(zhì)相關(guān)內(nèi)容的修訂工作，推進(jìn)GJB 509B和HB5415標(biāo)準(zhǔn)中不科學(xué)和矛盾的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行完善。

全損耗系統(tǒng)用油行業(yè)通俗上稱為普通淬火油，也就是常用的N15和N32（機(jī)械油），但普通淬火油的稱呼并不規(guī)范。HB 5415和GJB 509B中也稱為普通淬火油，其中GJB 509B將N15和N32整合在一起，不利于油品選型和規(guī)范使用。

超速淬火油在HB 5415沒(méi)有列出，統(tǒng)一歸屬在快速淬火油中。隨著行業(yè)發(fā)展，超速淬火油的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可作為獨(dú)立的類型，其中GJB 509B也已經(jīng)規(guī)定了超速淬火油做為獨(dú)立的油品類型。超速淬火油主要應(yīng)用于低淬透性的碳素結(jié)構(gòu)鋼或淬硬層要求高的產(chǎn)品，其典型的特點(diǎn)是粘度低，低溫冷速快。GJB 509B規(guī)定的粘度為13－21mm^2/s，但實(shí)際行業(yè)中常見(jiàn)的超速淬火油的粘度一般在8－13mm²/s之間，其指標(biāo)要求不合理。建議參照SH 0564修訂，粘度≤17mm²/s。

快速淬火油的粘度不同標(biāo)準(zhǔn)差異較大，GJB 509B規(guī)定為21－29mm^2/s，HB5415為≤20mm²/s，行業(yè)中快速淬火油的粘度一般在12－25mm²/s，GJB 509B的指標(biāo)要求不合理，不利于油品選型。建議快速油粘度指標(biāo)參照SH 0564和JB/T 6955，規(guī)定為≤26mm²/s。

快速光亮淬火油是一種常見(jiàn)的淬火油類型，適用于氣氛保護(hù)狀態(tài)下工件淬火。GJB 509B中粘度規(guī)定為35－44mm²/s，HB 5415中規(guī)定≤38mm²/s。市場(chǎng)上常見(jiàn)的光亮油粘度一般在15－35mm²/s，GJB509B的粘度規(guī)定不合理，實(shí)際指導(dǎo)意義不大。因此，建議快速光亮油粘度指標(biāo)參照HB5415、SH0564和JB/T 6955，規(guī)定為≤38mm²/s。

光亮淬火油適用于對(duì)產(chǎn)品光亮性要求較高的工況，目前在汽車工業(yè)、軟氮化等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，但在GJB 509B并沒(méi)有規(guī)定該類型。隨著行業(yè)的發(fā)展及需求的多樣化，光亮淬火油有其特定的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)保留該類型，參照HB 5415、JB/T 6955執(zhí)行相關(guān)指標(biāo)。HB 5415中規(guī)定了兩種光亮淬火油，分別為≤18mm²/s、≤38mm²/s，但實(shí)際的工程指導(dǎo)意義不大，建議按JB/T 6955相關(guān)指標(biāo)執(zhí)行。

真空淬火油在航空企業(yè)應(yīng)用比較廣泛，仍沿用原來(lái)的分類方式快速真空淬火油和真空淬火油。但HB 5415中粘度測(cè)試采用50℃，并無(wú)實(shí)際工程意義，且不利于不同類型油品的橫向?qū)Ρ?。因此，按同GJB 509B、SH 0564和JB/T 6955一樣采用40℃檢測(cè)粘度。HB 5415中真空油的粘度在25-50mm²/s（50℃）存在空白，同樣GJB 509B在粘度30-35mm²/s（40℃）存在空白，但行業(yè)中均存在上述真空油，HB 5415和GJB 509B均存在不足。因此，快速真空淬火油和真空淬火油的粘度指標(biāo)借鑒JB/T 6955和SH 0564執(zhí)行。建議修訂快速真空淬火油粘度20－35mm²/s，真空淬火油粘度35－70mm²/s。

等溫（分級(jí)）淬火油不同標(biāo)準(zhǔn)的稱呼不同，目前行業(yè)上均稱呼為等溫分?淬火油。GJB 509B稱為低溫分級(jí)淬火油和高溫分級(jí)淬火油，SH 0564稱為1號(hào)等溫分級(jí)淬火油和2號(hào)等溫分級(jí)淬火油，而HB 5415中沒(méi)有規(guī)定等溫（分級(jí)）淬火油。為了統(tǒng)一稱呼，且易于在行業(yè)中達(dá)成共識(shí)，建議執(zhí)行JB/T6955中的規(guī)定，分別為快速等溫（分級(jí)）淬火油和等溫（分級(jí)）淬火油?？焖俚葴兀ǚ旨?jí)）淬火油粘度為40－70mm²/s，等溫（分級(jí)）淬火油粘度為＞70mm²/s。

HB 5415冷卻特性測(cè)試采用的是銀探頭標(biāo)準(zhǔn)，GJB 509B采用鎳合金探頭，因銀探頭和鎳合金探頭是兩個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)體系，相互之間的數(shù)據(jù)沒(méi)有線性關(guān)系或換算關(guān)系。鎳合金探頭評(píng)價(jià)的方法同銀探頭有很大區(qū)別，銀探頭通過(guò)特性溫度和特性秒來(lái)評(píng)價(jià)，而鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)主要通過(guò)上特性溫度、Z大冷速、下特性溫度來(lái)評(píng)價(jià)。目前國(guó)內(nèi)絕大部分鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)，為了便于貫徹實(shí)施，建議冷卻特性測(cè)定采用GB/T 30823鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)。

04　小結(jié)

航空工業(yè)屬于高端裝備制造業(yè)，目前我國(guó)仍部分采用傳統(tǒng)的淬火介質(zhì)，如機(jī)械油和自來(lái)水等，新型淬火介質(zhì)的應(yīng)用和普及程度同其它工業(yè)領(lǐng)域有一定差距。同時(shí)航空工業(yè)使用的淬火介質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也不完善，存在諸多不科學(xué)和矛盾的問(wèn)題，亟需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂，以推進(jìn)航空工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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（來(lái)源：南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司）