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1、淬火冷卻介質(zhì)對航空工業(yè)的應用 淬火冷卻介質(zhì)作為一種工藝材料，是冷卻路徑控制的重要媒介，可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，我國航空工業(yè)取得了較大的技術(shù)進步，但在熱處理領(lǐng)域同樣存在的重熱輕冷;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。淬火冷卻介質(zhì)的種類有很多，根據(jù)其特性可分為兩大類，第一類是發(fā)生物態(tài)變化的，第二類是不發(fā)生物態(tài)變化的。第一類常見的有水、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工業(yè)的發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達國家相繼研究和發(fā)展了各種類型的一系列新型的淬火冷卻介質(zhì)，以適

2、應制造業(yè)發(fā)展的需要，并且對各種淬火的冷卻特性及其物理、化學性能以及評價性能的裝置和方法等方面逐步進行了比較系統(tǒng)的研究，有的已形成體系和規(guī)范。1淬火油的應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)中早已被礦物油基所代替。我國從20世紀70年代以后，逐步開始對礦物基淬火油進行研究，參考先進工業(yè)國家在淬火冷卻方面所做的工作，經(jīng)過長時間的探索，基本填補了專用淬火油的空白。我國現(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、等溫分級淬火油等多系列專用淬火油1。1.1機械油的應用我國航空工業(yè)的部分熱處理車間，仍在采用N15和N32全損耗系統(tǒng)用油(以下簡稱機

3、械油;)作為淬火油。機械油主要用于機器潤滑，不是熱處理專用淬火油，在其他行業(yè)已基本淘汰。按照JB/T6955-2008熱處理常用淬火介質(zhì)技術(shù)要求，表1摘取了N32、快速淬火油不同油溫下的冷卻特性。從表1中對比發(fā)現(xiàn)，N32的冷卻性能遠遠低于快速淬火油的冷卻性能，在熱處理實際生產(chǎn)中，冷卻能力差會對產(chǎn)品帶來較為嚴重的影響，特別是對于有一定尺寸效應的產(chǎn)品，影響更為明顯。機械油的使用在一定程度上限制了熱處理產(chǎn)品質(zhì)量水平的提升。經(jīng)過實踐證明，使用專業(yè)淬火油，在實際生產(chǎn)中對于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有較為明顯的效果，因此采用專業(yè)淬火油取代機械油是必然趨勢。近年來，越來越多的航空企業(yè)進行技改和工廠搬遷，逐漸將專業(yè)油品引

4、入到生產(chǎn)實際中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械油。金城南京機電液壓工程研究中心從2003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，相對于原來所使用的機械油，工件表面硬度更為均勻，硬度值同比更高，處理產(chǎn)品的有效淬硬層深也有所提高;同時，油品長時間使用仍維持了工藝的穩(wěn)定性，得到了廣泛認同。洪都航空工業(yè)集團、中航西安航空制動科技有限公司、鷹普航空鑄件(無錫)有限公司、中國航發(fā)中傳機械有限公司等企業(yè)，在設備革新及工藝改進過程中，逐步采用專業(yè)淬火油取代傳統(tǒng)的淬火油，為整個航空工業(yè)的質(zhì)量提升提供了基本的參考依據(jù)1。1.2真空油的應用目前，真空油淬是真空熱處理的主要工藝之一，國內(nèi)主要航空企業(yè)都在大量使用，如

5、沈飛、西飛、成飛、洪都等航空企業(yè)。真空油淬技術(shù)發(fā)展過程中曾遇到的技術(shù)難點是真空油淬增碳問題。20世紀70年代，我們的試驗研究表明，真空油淬可能產(chǎn)生增碳，使疲勞性能下降。近30年，國內(nèi)已解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技術(shù)問題2。淬火油受熱分解形成的活性碳原子，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;同時鋼在真空高溫加熱時其表面被活化，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，應選擇具有高飽和蒸汽壓的真空淬火油并改進熱處理工藝。例如，高速鋼真空油淬可能在工件表面形成3040m的增碳白層，如圖1所示。為防止增碳現(xiàn)象，可選擇合適的加熱真

6、空度，采取先充氣后入油或氣-油兩段冷卻法等措施進行改善2。2水溶性淬火冷卻介質(zhì)及其他介質(zhì)的應用水及水溶性淬火冷卻介質(zhì)的應用在航空工業(yè)中也很廣泛，水溶性淬火冷卻介質(zhì)一般分為鹽堿類水溶性淬火冷卻介質(zhì)和聚合物類水溶性淬火冷卻介質(zhì)。鹽堿類水溶性淬火冷卻介質(zhì)以NaCl和CaCl2水溶液最為常見，在航空企業(yè)中應用也很多，例如一些厚大碳素鋼工件都在采用水淬油冷工藝。聚合物水溶性淬火冷卻介質(zhì)種類也很多，常見的有聚二醇(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，如圖2所示。聚

7、合物水溶性淬火冷卻介質(zhì)以PAG類應用最為廣泛，在汽車、工程機械等行業(yè)應用非常普遍，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、多品種的生產(chǎn)特點，傳統(tǒng)上多采用鹽浴爐加熱，限制了PAG淬火液的推廣。但隨著鹽浴爐被底裝料等設備取代，PAG淬火液也逐漸應用于黑色金屬。PAG淬火液還有少部分企業(yè)應用于鋁合金固溶，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，國外應用比較普及，具有成熟應用工藝和標準體系3，4。雖然聚合物淬火劑價格比水貴，但由于能減少變形，因此可減少矯正工時，降低產(chǎn)品報廢率，使總成本大幅度降低。例如波音公司采用聚合物溶

8、液淬火，幾乎消除了淬火畸變，一年總共節(jié)省的矯正費用超過60萬美元3。航空工業(yè)中熔鹽、熔堿、鉛浴也有一定應用，其中熔鹽應用最為常見，主要用于馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火及索氏體淬火;。這些淬火冷卻介質(zhì)沒有物態(tài)變化，根據(jù)產(chǎn)品的某些特殊技術(shù)需求，還很難被其他淬火冷卻介質(zhì)所替代。3航空行業(yè)使用相關(guān)標準分析目前，淬火油的國家及行業(yè)標準主要有GB/T7631.14、GJB509B、SH/T0564、HB5415、JB/T6955、JB/T13026、JB/T13347、TB/T2748等，航空工業(yè)中主要采用GJB509B與HB5415兩個標準，其淬火油的分類存在明顯的差異甚至矛盾，淬火油黏度分類對比見表

9、2?；诤娇招袠I(yè)標準體系的問題，北京航空材料研究院佟小軍研究員從2015年起組織對HB5354、HB5415進行修訂，筆者有幸參與淬火冷卻介質(zhì)相關(guān)內(nèi)容的修訂工作，推進對GJB509B和HB5415標準中不科學和相互矛盾的技術(shù)內(nèi)容進行完善。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(機械油)，但普通淬火油的稱呼并不規(guī)范。HB5415和GJB509B中也稱為普通淬火油，其中GJB509B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HB5415沒有列出，統(tǒng)一歸屬在快速淬火油中。隨著行業(yè)發(fā)展，超速淬火油的應用越來越廣泛，可作為獨立的類型，其中GJB509B

10、也已經(jīng)規(guī)定了超速淬火油作為獨立的油品類型。超速淬火油主要應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，其典型的特點是黏度低，低溫冷速快。GJB509B規(guī)定的黏度為1321mm2/s，但實際行業(yè)中常見的超速淬火油的黏度一般在813mm2/s，其指標要求不合理。建議參照SH0564修訂，黏度≤17mm2/s?？焖俅慊鹩偷酿ざ炔煌瑯藴什町愝^大，GJB509B規(guī)定為2129mm2/s，HB5415為≤20mm2/s，行業(yè)中快速淬火油的黏度一般在1225mm2/s，GJB509B的指標要求不合理，不利于油品選型。建議快速油黏度指標參照SH0564和JB/T6955，規(guī)定為≤26mm2

11、/s?？焖俟饬链慊鹩褪且环N常見的淬火油類型，適用于氣氛保護狀態(tài)下工件淬火。GJB509B中黏度規(guī)定為3544mm2/s，HB5415中規(guī)定≤38mm2/s。市場上常見的光亮油黏度一般在1535mm2/s，GJB509B的黏度規(guī)定不合理，實際指導意義不大。因此，建議快速光亮油黏度指標參照HB5415、SH0564和JB/T6955，規(guī)定為≤38mm2/s。光亮淬火油適用于對產(chǎn)品光亮性要求較高的工況，目前在汽車工業(yè)碳氮共滲等領(lǐng)域有一定的應用，但在GJB509B并沒有規(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用領(lǐng)域，應保留該類型，參照HB5415、JB/T6955規(guī)

12、定的相關(guān)指標。HB5415中規(guī)定了兩種光亮淬火油，黏度分別為≤18mm2/s、≤38mm2/s，但實際的工程指導意義不大，建議按JB/T6955相關(guān)指標執(zhí)行。真空淬火油在航空企業(yè)應用比較廣泛，仍沿用原來的方式分類快速真空淬火油和真空淬火油。但HB5415中黏度測試采用50，并無實際工程意義，且不利于不同類型油品的橫向?qū)Ρ?。因此，按同GJB509B、SH0564和JB/T6955一樣采用40檢測黏度。HB5415中真空油的黏度在2550mm2/s(50)存在空白，同樣GJB509B在黏度3035mm2/s(40)存在空白，但行業(yè)中均存在上述真空油，HB5415和GJB509B均存在不

13、足。因此，快速真空淬火油和真空淬火油的黏度指標借鑒JB/T6955和SH0564執(zhí)行。建議修訂快速真空淬火油黏度2035mm2/s，真空淬火油黏度3570mm2/s。等溫(分級)淬火油不同標準的稱呼不同，目前行業(yè)上均稱呼為等溫分級淬火油。GJB509B稱為低溫分級淬火油和高溫分級淬火油，SH0564稱為1號等溫分級淬火油和2號等溫分級淬火油，而HB5415中沒有規(guī)定等溫(分級)淬火油。為了統(tǒng)一稱呼，且易于在行業(yè)中達成共識，建議執(zhí)行JB/T6955中的規(guī)定，分別為快速等溫(分級)淬火油和等溫(分級)淬火油?？焖俚葴?分級)淬火油黏度為4070mm2/s，等溫(分級)淬火油黏度為70mm2/s。H

14、B5415冷卻特性測試采用的是銀探頭標準，GJB509B采用鎳合金探頭，因銀探頭和鎳合金探頭是兩個獨立的標準體系，相互之間的數(shù)據(jù)沒有線性關(guān)系或換算關(guān)系。鎳合金探頭評價的方法與銀探頭有很大區(qū)別，銀探頭通過特性溫度和特性秒來評價，而鎳合金探頭標準主要通過上特性溫度、最大冷速、下特性溫度來評價。目前，國內(nèi)絕大部分為鎳合金探頭標準，為了便于貫徹實施，建議冷卻特性測定采用GB/T30823鎳合金探頭標準。4結(jié)束語航空工業(yè)屬于高端裝備制造業(yè)，目前我國仍部分采用傳統(tǒng)的淬火冷卻介質(zhì)，如機械油和自來水等，新型淬火冷卻介質(zhì)的應用和普及程度同其他工業(yè)領(lǐng)域有一定差距。同時航空工業(yè)使用的淬火冷卻介質(zhì)相關(guān)標準體系也不完善，存在諸多不科學和相互矛盾的問題，亟需進行標準的修訂，以推進航空工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。參考文獻：1郄小龍，譚硯，金軍兵.專業(yè)淬火油與全損耗系統(tǒng)用油冷卻性能對比J.金屬加工(熱加工)，2012(2)：167-169.2王廣生.航空熱處理技術(shù)改造J.熱處理技術(shù)與裝備，2007，28(2)：1-10.3吳瑞豪，馮敏.B-757飛機鋁合金零件聚合物淬火J.金屬熱處理，2001(1)：48-50.4史春玲，李海琴.鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應用研究J.材料工程，2010(1)：5-8.