水空交替淬火技術在生產中應用的可行性分析

上海市質量監督檢驗技術研究院 孫曉莉 成強

水空交替淬火技術在生產中應用的可行性分析

上海市質量監督檢驗技術研究院 孫曉莉 成強

隨著節能環保工作的大力開展，對熱處理的要求也越來越高，傳統的以柴油為淬火介質的淬火方法雖然一定程度上能滿足零件的熱處理性能，但是在淬火過程中油煙很大，產生大量有害氣體嚴重污染環境，并危害工人的身體健康和增加了企業的成本。為此我們結合實際生產經驗，提出了水空交替淬火技術[1,2]，該技術既能保證熱處理的質量，而且實現節能環保，對企業實現節能降本有一定的指導意義。

熱處理；水空交替淬火技術；節能降本

0 引言

隨著機械的大型化、復雜化和對產品質量要求的不斷提高，尤其是在工程機械領域對熱處理提出了更高的要求，許多淬火引發的質量問題采用傳統淬火加回火方法已無法解決，例如，在工程中遇到的中碳合金鋼件，采用油淬，其力學性能往往不能滿足設計指標，而且油淬污染環境和成本高；采用水淬加油淬或水淬加水溶性介質冷卻會出現力學性能低于要求或出現開裂。這類低合金鋼大工件既要淬火不開裂又要滿足力學性能的問題在世界范圍內尚未得到很好地解決，因此迫切需要新技術的問世以滿足需求。

我們結合上海金泰工程機械有限公司生產車間具體現狀來分析水空交替淬火技術的可行性。該公司許多零件都采用了42CrMo，35CrMo，40Cr等中碳合金鋼材料，采用這些中碳合金鋼材料的零件基本上采用柴油冷卻淬火，而且都是大批量，鑒于以上現狀我們從熱處理的質量、降本、環保以及安全等方面考慮，提出“以水代油”淬火方案。所謂“以水代油”淬火實際指的是水空交替淬火冷卻技術，該技術除具有環境友好與介質成本低的特點之外，其最大的優點就是通過多次水淬和空冷的交替方法緩解了淬火階段產生的相變應力，有效地避免了開裂傾向，并獲得滿足性能要求的回火馬氏體組織（或中心部位含少量下貝氏體組織），已在企業得到的應用，解決了困擾企業的難題。

1 水空交替淬火技術介紹

水空交替淬火技術其基本原理是在鋼件先經奧氏體化后淬火至Ms～M f（Ms表示奧氏體開始向馬氏體轉變的溫度線，M f表示奧氏體停止向馬氏體轉變的溫度線）之間的某一溫度，即形成一定數量的馬氏體和殘余奧氏體，再在該初始淬火溫度或者Ms 以上某一溫度停留一段時間，使碳由馬氏體向殘余奧氏體分配，此時馬氏體中的碳含量下降，奧氏體中的碳含量升高，使殘余奧氏體富碳并能穩定至室溫，最后獲得馬氏體加奧氏體復合組織，從而全面提高鋼材的性能。下面按照該技術所處理的材料類型，對該技術應用作一介紹。

（1）低碳鋼應用

在萊鋼的生產中，利用水空交替淬火技術，對Q 235H型鋼實行了Q-P-T（Quenching-Partition -Tem per淬火-碳分配-回火）處理，使其硬度達到32HRC，提高了20HRC左右，屈服強度達到435MPa，抗拉強度達到615MPa，比Q235H型鋼提高200MPa，同時具有非常好的可焊性（如圖1），使原Q235鋼達到400MPa級別，每噸至少增加500元，萊鋼Q235H鋼每年生產250萬t，使其增值12.5億元。該技術可同時應用于生產Q345 H型鋼。

圖1經水空交替淬火技術處理過的QPT235和一般Q235焊接接頭拉伸曲線比較

（2）中碳鋼應用

該技術在中碳鋼應用最為廣泛，同時取得了非常優異的效果，如中原特鋼，大連特鋼的大型風電軸的淬火，撫順特鋼模具鋼的淬火和二重核電站熱反應堆端蓋的淬火處理等生產應用中都獲得了認可。中原特鋼風電軸（材料42CrMo）項目，就是首先通過計算機模擬擬定水空交替工藝如圖2所示，再通過實驗驗證確定最終工藝，不但節省了成本，同時實現了材料質量的提高。實驗證明水空交替代替油淬可行性很好，分別測定水空交替工藝和油淬過程的冷卻曲線并進行比較如圖3所示。兩者擬合性好，同時測得力學性能比油淬更優，淬深更好。目前該技術正在運用到寧波海天集團、大連特鋼、新冶特鋼等大型鋼廠和熱處理公司。中原特鋼風電軸水空交替代油以后，經濟效益提高的同時，作業環境也有了極大改善，工作安全性有了極大提高。由于大型構件對熱作用非常敏感，所以一般企業都是利用油淬，成本極高，該技術的運用直接為企業節省了成本。

（3）高碳鋼應用

江西銅業集團球磨機用高Cr鑄鐵，成分為：2.5%C，13.4%Cr,0.6%Si,0.6%Mn，采用的是油淬工藝，其鑄球硬度達到50HRC左右，標樣沖擊值為4J。經水空交替工藝處理，通過改變組織成分和晶粒，其硬度可達60HRC左右，同時其標樣沖擊值可到12J左右，大大提高了鑄球使用壽命。由于水空交替工藝降低成本、幾乎無污染、降低能耗、提高了零件性能和壽命、能夠更安全等諸多優點。

圖2計算機模擬冷卻曲線與實測冷卻曲線

圖3 42CrMo棒料水空交替工藝和油淬過程的冷卻曲線

2 降低成本

上海金泰公司主要生產SD、SH系列旋挖鉆機，SG系列抓斗等產品，這幾類產品由于主機結構相似，里面所需要用柴油淬火的零件基本一致，所以三種產品淬火所耗費的成本基本相同。下面我們以1臺SD旋挖鉆機為例把使用柴油作為淬火介質的傳統技術和水空交替淬火技術所耗成本作比較分析：

（1）使用柴油作為淬火介質的傳統技術的費用

該公司熱處理車間目前一共有三個油池，具體尺寸為3.8m×3.8m×2.5m，2.0m×1.5m×2.5m， 2.5m×2.0m×2.5m。因為零件淬火前都處于高溫狀態，將其放入油池與柴油接觸，而柴油遇到高溫必然會加劇揮發，再加上零件從油池中取出時會攜帶一部柴油灑落池外，造成一定的浪費，為了彌補柴油揮發和柴油浪費，必須經常向油池加入柴油。據統計該公司每生產1臺SD旋挖鉆機淬火耗費的柴油大約為1噸，按目前柴油價格每噸9000元左右計算，生產1臺SD旋挖鉆機淬火所用柴油費用為9000元。由于SD、SH和SG三種型號機器主機結構大致相似，需要進行柴油淬火的零件基本一致，該公司大概每年生產SD旋挖鉆機40臺，SH旋挖鉆機40臺，SG抓斗100臺，所以每年淬火所用柴油費用約為162萬元。

（2）使用水空交替淬火技術的費用

由于水在常溫下蒸發比柴油快的多，再加上將高溫零件放入水中，水蒸發的會更快，所以水的用量會很大，同樣生產1臺SD旋挖鉆機淬火所用水約為60t，水的價格按每噸2元計算，淬火所用水的費用為120元，同樣每年生產SD旋挖鉆機40臺，SH旋挖鉆機40臺，SG抓斗100臺，則每年淬火所用水的費用為216萬元。

從以上兩種技術所耗成本分析來看，很明顯水空交替淬火技術在降低成本方面有著巨大優勢，比起使用柴油作為淬火介質的傳統淬火技術每年可以節約160萬元左右，這對于一個每年凈利潤只有3000萬左右的公司來說是非常寶貴的，而且隨著公司規模越來越大，產品范圍越來越廣，所需要進行熱處理的零件也越來越多，水空交替淬火技術比起傳統淬火技術優勢越來越明顯，節約的成本也越來越多，使公司進入一個良性循環。

3 環保及安全

眾所周知，柴油是有毒的，柴油的毒性與煤油相似，還有添加劑如硫化酯類的影響，有麻醉和刺激作用。柴油遇高溫產生的蒸汽吸入后可致吸入性肺炎，皮膚接觸柴油可致接觸性皮炎，多見于兩手、腕部與前臂。柴油廢氣中含有氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、醛類和不完全燃燒時的大量黑煙。黑煙中有未經燃燒的油霧、碳粒，一些高沸點的雜環和芳烴物質，并有些致癌物如3.4-苯并芘.，這些環境污染影響了熱處理車間工人的健康。其次，將高溫零件放入柴油中冷卻時經常起火，嚴重時甚至引起火災，操作工人將會處于危險的工作環境當中。采用水空交替淬火技術，以水代油，不但環保符合國家政策規定，而且徹底消除了安全隱患。

4 可行性方案

對上海金泰公司熱處理車間現有設備進行考察分析后，確信該公司依靠熱處理車間現有的設備完全可以實施水空交替淬火冷卻技術來實現以水代油。具體有兩套可行性方案：

方案1：（1）設計能夠滿足性能要求的試樣工藝；（2）具體試樣批量在爐內按照加熱工藝進行加熱保溫；（3）保溫工作完成后試樣由桁車運送至水槽進行水空交替淬火工藝。公司不用在設備上投入資金，降低了成本，而且工人幾乎可以在原來熟悉的環境下進行工作，只需要工人按照編訂好的熱處理工藝利用桁車控制零件在水中和空氣停留時間，該種操作方式很容易被工人掌握，也不會給公司帶來設備上的浪費。

方案2：改進設備，增加淬火設備，如圖4所示。針對不同零件進行工藝設計，通過PLC控制試樣行程，進而實現熱處理工藝過程。該方案需購置穿水淬火設備和試樣轉移設備，成本較之方案一稍高，但其通過PLC控制實現淬火熱處理工藝過程能基本實現自動化操作，保障員工安全。該方案缺點：淬火試樣的尺寸受穿水淬火設備的限制。對該公司目前淬火件而言可以通過設計設備尺寸，滿足各零件的淬火要求。

圖4淬火設備模型圖

5 綜述

水空交替淬火技術能夠保證零件淬火的質量，降低成本，環保安全，完全可以應用于上海金泰公司熱處理工藝，使零件的熱處理質量優異，保證該公司工程鉆機質量的可靠性，并大大節約了成本。水空交替淬火技術可供同行參政借鑒。

[1]宋冬利，陳乃錄，潘健生.預硬型塑料模具鋼大型模塊淬火冷卻虛擬生產的研究及應用.第四屆中國熱處理活動周暨第九屆江蘇省熱處理年會論文集.南京.2006(5)：14-19.

[2]徐駿，張偉民，陳乃錄，左訓偉.塑料模具鋼大模塊的水冷復合間隙淬火技術[J].金屬熱處理，2006.31(10)：66-69.

嘉定區同君福大酒樓節約能源從點滴做起

今年來，同君福大酒樓在以往改造節能燈、加強包房開關燈時間管理的基礎上，采取多項節能舉措，酒樓物耗能耗均得到了控制。

一是積極使用節能燈具。更換節能燈具近500套，改造后每月節電720度；二是修正熱水器、戶外液晶屏開關時間。三是合理控制空調。嚴格執行公共建筑夏季空調室內溫度不低于26度，冬季不高于20度的要求；四是在廚房沖洗房中新建了階梯水池，使上層至下層用水得到多次利用。

（區經委）

The Feasibility Analysis of Water Space Gap QuenchingTechnology in Production

Sun Xiaoli,Cheng Qiang

With the developm ent of energy conservation and environmental p rotection,the requirem ents o f heat treatm ent are higher and higher.Conventiona l d iese l-quenching m ed ium quenching m ethod m eets heat treatm ent p ropertiespartialy,butit cou ld p roduce a lot o f harm fu l gas which wouldpollute environmentandharm the health of workers andincrease the cost of enterp rises.By com bining w ith ac tual p roduction experiences and p ropose water space gap quenching techno logy cou ldensure the qua lity o f heat treatm ent and achieve energy conservation and environm enta l p rotec tion.This techno logy p lays a ro le o fguidance on the energy cost reduc tion of enterp rises.

heat treatment；water space gap quenching technology；Energy cost reduction

孫曉莉（1987-）助理工程師，上海市質量監督檢技術研究院。成強（1983-）碩士，工程師，上海市質量監督檢技術研究院