淬火冷卻介質對滲碳齒輪淬火質量的影響

山西省平遙減速器廠 （平遙 031100） 裴洪澤

滲碳齒輪在淬火時，被加熱到奧氏體化以后，放入淬火冷卻介質中進行冷卻。在冷卻過程中，經過不同的冷卻速度完成淬火過程。由于淬火冷卻介質的不同，其冷卻速度也不同，淬火冷卻介質的冷卻速度對淬火滲碳齒輪顯微組織有很大的關系。

1.滲碳齒輪淬火冷卻階段分析

齒輪類產品一般需要進行滲碳淬火熱處理，以增加齒輪齒面接觸強度，提高抗彎強度。淬火冷卻介質為油，其淬火冷卻過程可分為三個階段：蒸汽膜冷卻階段、沸騰冷卻階段、對流冷卻階段。

（1）蒸汽膜冷卻階段 當紅熱的齒輪浸入淬火冷卻介質后，淬火冷卻介質會受熱汽化并立即在滲碳齒輪表面形成一層蒸汽膜。滲碳齒輪的熱量主要通過蒸汽膜的輻射和傳導進行熱量傳遞，此時滲碳齒輪的冷卻速度緩慢，直到滲碳齒輪表面所提供的熱量不能滿足形成蒸汽膜所需要的熱量時，蒸汽膜破裂，開始轉入沸騰階段。

蒸汽膜階段向沸騰階段轉變的溫度，稱為淬火冷卻介質的特性溫度。淬火冷卻介質的特性溫度升高時，淬火滲碳齒輪就可在短時間內和較高的溫度下進入快速冷卻階段，快速冷卻有利于防止奧氏體的分解而產生非馬氏體組織。因此，特性溫度是衡量淬火冷卻介質冷卻性能的重要指標。特性溫度與淬火冷卻介質的物理性能有關，如淬火冷卻介質的黏度低、蒸汽壓低等均可促進特性溫度升高。另外，淬火冷卻介質與滲碳齒輪的相對運動，如對淬火冷卻介質的正確攪動和滲碳齒輪在淬火冷卻介質中的竄動都可使蒸汽膜很快破裂，在短時間內由蒸汽膜冷卻階段轉入沸騰冷卻階段，就會加快滲碳齒輪的冷卻速度。

（2）沸騰冷卻階段 滲碳齒輪直接與淬火冷卻介質接觸，淬火冷卻介質在滲碳齒輪表面產生強烈沸騰，滲碳齒輪的熱量被淬火冷卻介質汽化吸收，散熱速度加快，冷卻速度達到最大值。滲碳齒輪表面的溫度迅速降低，當滲碳齒輪表面溫度低于淬火冷卻介質沸點時，沸騰冷卻階段結束。

（3）對流冷卻階段 滲碳齒輪表面溫度低于淬火冷卻介質的沸點時，轉入對流冷卻階段，此時滲碳齒輪與淬火冷卻介質之間的傳導熱量方式主要以對流傳導方式進行。

2.淬火冷卻介質冷卻速度的影響

滲碳齒輪在淬火冷卻時，為了獲得所需金相組織，就必須要有正確的淬火冷卻規(guī)范。在淬火冷卻過程中，為了避免滲碳齒輪在較高的溫度區(qū)域內由奧氏體向珠光體轉變，必須在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域進行，以大于臨界冷卻速度進行冷卻，才能得到馬氏體組織。

淬火冷卻介質的冷卻速度并非越快越好，如果采用較快的冷卻速度使?jié)B碳齒輪一直冷卻到室溫，將使?jié)B碳齒輪在高溫區(qū)域內產生大的熱應力。若滲碳齒輪處于塑性狀態(tài)時，對滲碳齒輪內部組織影響不大，當滲碳齒輪冷卻至馬氏體開始轉變點以下，會產生組織內應力，將影響熱處理質量，如使淬火滲碳齒輪產生很大的變形和開裂。因此，在馬氏體組織轉變區(qū)域需要緩冷。

因而正確的淬火冷卻規(guī)范（冷卻曲線）應該是在滲碳齒輪的奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域（臨界冷卻區(qū)域）以較快的冷卻速度（大于臨界冷卻速度）冷卻，而在馬氏體組織轉變區(qū)域（Ms點以下）應以緩慢的冷卻速度進行冷卻，從而保證淬火后的滲碳齒輪既可獲得要求的淬火組織，又消除了因過快速冷卻產生的組織內應力，這樣的冷卻速度稱為理想冷卻速度。

3.淬火冷卻介質特性的影響

傳統(tǒng)的滲碳齒輪淬火冷卻介質一般為全損耗系統(tǒng)用油，如L-AN32、L-AN46等，其不是滲碳齒輪專用的淬火冷卻介質，雖在使用中具有一定的優(yōu)點，但也存在著很多缺點。如在使用過程中成分不穩(wěn)定，易老化變質，冷卻速度不易控制，使淬火滲碳齒輪表面出現腐蝕現象，表面不光潔，不容易清洗，對環(huán)境有污染，特性溫度不宜過高，容易造成火災，變形大等。因此，滲碳齒輪淬火質量不易控制。

為了保證淬火滲碳齒輪的質量，首先，使淬火滲碳齒輪在較高的溫度下進入快速冷卻階段，必須使淬火冷卻介質的特性溫度升高；其次，使淬火后的滲碳齒輪獲得要求的淬火組織，又能消除因過快速冷卻產生的組織內應力。因此，選用滲碳齒輪專用的淬火冷卻介質應具有如下特點：

（1）具有良好的冷卻特性，要在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域有足夠的冷卻速度，而在低溫馬氏體組織轉變區(qū)域（Ms點以下）要具有緩慢的冷卻速度。

（2）要有較寬的適用范圍。

（3）淬火冷卻介質的成分要穩(wěn)定，在使用過程中不易老化變質。

（4）對滲碳齒輪表面不腐蝕，淬火后表面要光潔，容易清洗。

（5）環(huán)保，無毒，無污染等。

對于滲碳齒輪專用淬火冷卻介質的選擇，還應根據滲碳齒輪的尺寸規(guī)格、材質、結構、技術要求及工況條件進行綜合考慮。

4.我廠滲碳齒輪淬火冷卻介質選擇要求

我廠熱處理工件為大中型滲碳齒輪，最大外徑1600mm，厚度40～450mm，材質20CrMnTi、20CrMnMo、20Cr2Ni4A等，滲碳層深0.2～2.5mm。由此可知熱處理工件主要為中大截面厚度齒輪，為了滿足我廠滲碳齒輪淬火質量要求，對滲碳齒輪專用淬火冷卻介質選擇應為：①冷速適中的快速淬火油，最大冷速為90～100℃/s。②淬火油適用范圍要寬，能夠滿足我廠所有滲碳齒輪的淬火要求。③淬火油要具有較高的特性溫度，減少蒸汽膜冷卻階段時間，提高滲碳齒輪在高溫階段的破膜能力，使淬火的滲碳齒輪長時間處在均勻一致的冷卻過程，減小因冷卻過程不均勻產生的淬火應力，有效控制滲碳齒輪在淬火過程中的變形。選擇淬火油的特性溫度在670℃以上。④減少由于在低溫冷卻階段產生的組織應力而導致淬火滲碳齒輪的變形，選擇的淬火油應具有較低的C點（下特性溫度）。