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齒輪淬火冷卻技術

Www.Gelufu.Com 格魯夫機械 2015-04-22 11:02:50  點擊：

減速機齒輪淬火冷卻大多是在液體介質中進行的，如齒輪淬火用的通常是淬火油、水溶性淬火介質和自來水。因此，下麵將首先分析齒輪淬火冷卻可能出現的上述質量問題與所用淬火介質的特性和用法的關係，並指出解決不同問題所需淬火液的冷卻速度分布特點。隨後簡單介紹常用淬火介質的冷卻速度分布特點和選用時的注意事項。
淬火冷卻速度偏低是造成齒輪淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不夠的原因。但是，根據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、中低溫階段冷速不足以及低溫階段冷速不足等不同情況。比如對於中小齒輪，淬火硬度不足往往是中高溫階段冷速不足所至，而模數大的齒輪要求較深淬硬層時，提高低溫冷速就非常必要。
對於淬火用油，一般來說，油的蒸汽膜階段短、中溫冷速快且低溫冷卻速度大，往往能獲得高而且均勻的淬火硬度和大的淬硬深度。
工件裝掛方式對淬火冷卻效果也有明顯影響。淬火油流動通暢，並配備和使用好攪拌裝置，才能得到更好的效果。
提高所用淬火介質的低溫冷卻速度，往往可以增大淬硬層深度。在滲層碳濃度分布相同的情況下，采用低溫冷卻速度更高的淬火油，往往能獲得更深的淬火硬化層。因此，采用冷卻速度快的淬火油後，相應縮短工件的滲碳時間，仍然能獲得要求的淬火淬硬層深度。所要求的滲碳淬硬層深度越大，這種方法縮短滲碳時間的效果越明顯。
1.2淬火後心部硬度過高
這類問題可能與所選介質冷速過快或介質的低溫冷卻速度過高有關。解決辦法之一是改換淬火油來滿足要求。辦法之二是與淬火介質生產廠家聯係，有針對地加入適當的添加劑來降低現有淬火油的中低溫冷卻速度。辦法之三是改用淬透性更低的鋼種。
1.3淬火變形問題
近，發表的關於淬火變形的文章，把引起變形的原因歸結為淬火冷卻速度不足和速度不均，並在此基礎上提出了提高冷卻速度並設法實現均勻冷卻的解決方法，可供參考［1］。比如，齒輪的內花鍵孔變形，往往是所選的淬火油高溫冷速不足，或者說油的蒸汽膜階段過長的緣故。提高油的高溫冷速並同時提高油在整個冷卻過程的冷速，一般就能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。
1.4齒輪的淬火開裂問題
這個問題主要出現在感應加熱淬火中。選擇好的水溶性淬火介質，比如國內外普遍采用的PAG類介質代換原來使用的自來水，問題便解決了。感應加熱淬火采用PAG介質，可以獲得高而且均勻的淬火硬度和深而且穩定的淬硬層，淬裂危險極小。
1.5光亮性問題
通常，光亮淬火油的光亮性好則冷卻速度就不夠高，而冷卻速度很高的淬火油的光亮性則不夠好。此外，熱油的光亮性一般也較差。使用較久的油光亮性稍差，可以換新油或補加提高光亮性的添加劑。
2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、水溶性淬火介質和普通自來水。以下分別討論這些介質在齒輪淬火中的選用方法和注意事項。
一些含碳量低、淬透性差且形狀簡單齒輪的調質淬火和感應加熱淬火，往往可以用自來水。作為淬火介質，自來水的冷卻特性是，工件處於高溫階段時冷得很快，而到了工件處於低溫階段時冷卻得也很快。冷卻速度快可以使淬透性差和比較厚大的工件淬硬，並獲得較深的淬硬層。這是自來水的 點。但是，用自來水淬火有3個大缺點，第一是低溫冷卻太快，使多數鋼種和工件容易發生淬裂。第二是工件高溫階段冷卻太快，比較細長與較薄的工件容易因為入水方式不當而發生淬火變形。第三，也是不少人容易忽視的缺點，是隨著水溫升高，淬火冷卻的蒸汽膜階段會逐漸增長，且工件處於中低溫階段時的冷卻速度也逐漸降低。由於這種原因，當要淬火的工件比較小，又采取裝在筐中等較密集的堆放方式入水淬火時，堆在外麵的工件接觸的水溫低，而堆放在內部的工件接觸的水溫高，從而外部的工件經受的冷卻快，淬火後硬度高，並容易淬裂，堆放在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，這種差別就越大。使用油淬火時，油溫提高，冷卻的蒸汽膜階段稍有縮短，而油溫升高使油的粘度降低，流動性變好，有利於提高油的冷卻速度，能使堆放得較密集的工件內外冷卻效果基本一致。應當說，這是用油淬火的一個 點。
選用自來水作為淬火液時，應當揚長避短，設法控製好水的溫度。采取堆放方式淬火時，要設法使工件堆放得疏鬆一些，並通過攪動促使淬火液通暢地從工件之間流過，以減小內外部水的溫差。
引起鋼件淬裂的主要原因是在鋼開始發生馬氏體轉變(Ms點)及在以下的溫度範圍冷卻得過快。由於這樣的原因，研究開發水溶性淬火介質的第一目標就是降低水的低溫冷卻速度。考慮到多數結構鋼的Ms點在300℃附近，通常就以工件冷卻到300℃時水溶性淬火液的冷卻速度來表示該淬火液的冷卻特性。可以用水溶性淬火介質的300℃冷卻速度來對該介質定級［2］，以便熱處理工作者選用。簡單說，水溶性淬火液在300℃冷卻速度低，其防止工件淬裂的能力就強；在300℃的冷卻速度高，其淬硬能力也高，當然工件的淬裂傾向亦大。因此，選擇水溶性淬火介質首先應當了解它在300℃時的冷卻速度。同類淬火介質品種中，得到相同的300℃冷卻速度時的濃度越低，其使用成本也就越低。
水溶性淬火介質有很多品種，其中PAG類介質冷卻特性可調，濃度測控容易。它既適用於整體淬火，也適用於各類感應加熱淬火，且能長期穩定地使用，因而受到普遍歡迎，成為當前國內外熱處理界使用得 廣泛的水溶性淬火介質。
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統，以便在使用中調節液溫。一般在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。
2.3普通機械油
工廠熱處理生產中使用得 多的普通機械油是N32機油(原20號機油)和N15機油(原10號機油)。作為淬火介質，這類機油的特性是，在工件高溫階段蒸汽膜時間較長，淬火冷卻速度不高，且低溫冷卻較慢。
油的蒸汽膜階段長，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、低溫階段冷卻慢，使比較大的工件不易淬硬或淬硬層深度不足並因此發生淬火變形。
普通機油的抗氧化能力差，使用中容易老化變質。老化變質的主要反映是油的粘度提高，低溫冷卻速度降低。變質的影響是工件淬火後的硬度和硬化深度都減小，且淬火變形增大。
2.4專用淬火油
專用淬火油一般分為普通淬火油、快速淬火油、等溫分級淬火油(也簡稱熱油)、真空淬火油以及光亮淬火油等。和普通機油相比，專用淬火油的熱穩定性都較好，能更好地保證工件的淬火質量。當然，專用淬火油 於普通機油的 重要方麵還是它們的冷卻特性。和普通機油相比，不同的專用淬火油在冷卻速度分布上都有蒸汽膜階段短的特點，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，中低溫階段的冷卻速度快慢則因淬火油的不同而有較大差別。熱油在冷卻特性上的特點是蒸汽膜階段更短，而在工件淬火冷卻的低溫階段冷卻較慢。
快速淬火油主要用於稍厚大的工件和淬透性稍低的鋼種。熱油主要用於較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。但是除少數情況外，每台熱處理爐都希望能處理比較多的鋼種和比較多樣的工件，因此，多傾向於選用適應範圍更廣的淬火油。一般，淬火油的蒸汽膜階段短，中溫階段冷卻得快，低溫冷卻速度大，這種油的冷卻能力就很強，它的適用範圍就很廣。不少油淬工件的變形是與它的淬火硬度不足和硬化深度不夠同時出現的。而改用這種適應範圍廣的淬火油，往往能同時解決工件的變形、硬度不足和硬化深度不夠等問題。淬火油的蒸汽膜階段短，也就是油的高溫階段冷卻得快。這一特點有利於防止先共析鐵素體的析出，也有利於防止帶內花鍵齒輪的變形。簡單地說，淬火油總的冷卻速度高，有利於獲得較深的淬火硬化層。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低對獲得的淬硬層深淺作用更大。低溫冷卻速度越高，淬火硬化層往往越深。
攪拌淬火油可以提高油的冷卻速度。冷卻速度比較低的油，攪拌提高其冷卻能力的作用較大，而對於冷卻速度高的專用淬火油，攪拌的作用則相對較小［3］。
齒輪的淬火質量問題中還有一類是淬火硬化層過深。硬化層過深，常常在使用中斷齒。解決這類問題的有效辦法之一是降低淬火油的低溫冷卻速度。
總之，為保證齒輪的淬火質量去選擇淬火油時，應當根據所處理齒輪的鋼種、形狀特點和熱處理要求從油的冷卻速度分布特性去進行選擇， 好能與淬火油生產廠的有關技術人員一道，通過討論分析來確定合適的淬火油和合理的使用方法。
3淬火介質在使用中的變化
不管是淬火油還是水溶性淬火介質，它們在使用中都要接觸高溫工件，都會受到不同程度的汙染。空氣進入介質，介質會被氧化。高溫可能引起有機介質的熱分解、氧化和聚合等反應。汙染可能使介質的氧化和其他變化更複雜。所有這些變化及其留在介質中的變化產物都會引起介質變質。淬火油的顏色變化、透明度變差和粘度變化等都是變質的表現。我們所關心的隻有3點：一是變化對介質冷卻特性的影響；二是變質的快慢；三是用什麼辦法來了解和糾正變質的影響，以保證獲得長期穩定的淬火質量。
前麵談到，水溶性淬火劑主要用來降低水的低溫冷卻速度。而水溶性淬火液在使用中的變化趨勢則與此相反，會使低溫冷卻速度逐漸增高。
普通機油在使用中的變化趨勢，簡單說就是開始時低溫冷卻速度逐漸降低，蒸汽膜階段逐漸縮短而中高溫階段的冷卻速度稍有提高。隨著使用時間增長，由於油的粘度進一步增高，油的中、高溫冷卻速度也將減慢，致使工件的冷卻效果明顯變差。
專用淬火油在使用中的變化比較複雜，它包含所加添加劑的變化和基礎油的變化兩部分，是這兩方麵變化的綜合結果。不同的淬火油以及不同的使用條件，變化情況會有比較大的差別。有一點需要指出的是，在不受水汙染的條件下，幾乎所有的專用淬火油經過長期使用後，低溫冷卻速度都會逐漸變慢［4］。當使用時間更長時，工件淬火效果也會明顯變差。油的穩定性好，變質得慢；反之則變質得快。
油的使用溫度越高，油變質得越快。配備循環冷卻係統，使油溫穩定在適當範圍，並通過槽內的循環攪拌防止局部過熱等措施都可減慢油變質，延長油的使用壽命。
各種介質的變質快慢，還有一個共同的影響因素，那就是相同時期內，淬火工件的量(指已淬火工件的總的表麵積)越多，淬火液變質就越嚴重。工件越小，相同重量的總表麵積就越大，淬火介質變質就越快。
管理問題也是影響齒輪淬火質量不可忽視的大問題。除了應當嚴格按工藝操作外，淬火介質的管理，尤其是防止汙染關係重大。淬火油混進了水，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。
淬火介質的顏色、透明程度等方麵的變化可以反應出它的變質情況。測量淬火油的粘度、閃點、殘碳和酸值等的變化也能確定變質程度。在變質造成的影響中，與工件的熱處理效果關係 大的是冷卻特性的變化。為了保證齒輪的淬火冷卻效果，建議對所用淬火油和其它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。一般工廠沒有必要配備冷卻特性測試儀，可以到配備了這種儀器的單位去測量。淬火介質生產單位應當為用戶工廠進行這項檢測。測定淬火介質的冷卻特性， 好是使用符合 標準(ISO9950)的冷卻特性儀。分析介質的冷卻特性應當看介質的冷卻速度分布情況，而不是單看 高冷卻速度值。 高冷卻速度相同，或到300℃的時間相同的介質，因為它們冷卻速度分布情況不同，它們的熱處理效果可能有很大差別。
在長期生產中記錄同類工件的淬火硬度、硬化深度以及淬火變形情況，分析它們的變化趨勢，使我們能了解淬火介質冷卻特性的變化規律。有了這些規律，不僅有利於控製介質的冷卻特性，還可以幫助我們分析找出引起現場熱處理質量事故的原因，從而及時解決該質量問題。
如上所述，介質變質是不可避免的。水溶性淬火介質變質後可能出現的問題主要是工件淬火硬度過高以致工件淬裂。因此，水溶性淬火液變質程度可以從同類工件的淬火硬度的變化趨勢上作監視， 好能在出現淬裂之前采取措施。專用淬火油在使用中變質後，可能出現的問題是工件淬火硬度偏低、硬化深度不足和出現較大的變形。因此，可以根據工件的硬度和硬化深度的變化趨勢對淬火油的變質程度進行監測。
淬火介質變質後，繼續補加原來的新介質能不能使淬火液的冷卻特性得到恢複呢？答案是：有的介質能，有的則不能。對於濃度可調節的水溶性淬火介質，如PAG類水溶性淬火液，在了解其變化規律的基礎上，一般多能通過補加原來用的新介質，使冷卻特性恢複到新配時的水平；而固定了配方比例的水溶性淬火液、普通機油和專用淬火油則不能。
淬火油變質後，隻靠繼續加入原來的新淬火油，一般不能使油的冷卻特性恢複到新油水平。然而，在了解了油的變化規律後，卻可以通過改性添加劑使油的冷卻特性得以恢複。

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