水溶性淬火介质在现代热处理中的应用研究(1)

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    为提高机械产品的使用性能及寿命,充分发挥金属材料的潜在性能,人们常常对机械零部件进行热处理,而淬火又是热处理最基本的工艺之一;因此,淬火质量就成为保证机械产品质量的关键,而保证淬火质量的关键又取决于淬火介质(冷却速度)。

    传统热处理通常采用的淬火介质为水和油,油淬主要用于淬裂倾向较大的工具钢、高合金钢及中低合金结构钢等,由于油的冷却速度较慢,经常出现淬火硬度不足或淬硬层深度达不到预定要求等现象。水的冷却速度较快,又常常容易造成淬火畸变扭曲,甚至造成开裂使工件报废,同时,由于淬火过程中汽化而产生的气泡,至使工件表面冷却不均而出现软点。油淬是热处理工艺造成环境污染的重要因素之一,治理传统热处理污染是摆在热处理工作者面前的一项重要课题,因此,对其系统而全面地认识、研究并采取有效措施进行遏制,对提高现代热处理工艺水平,改善操作者工作环境,防止污染,节能增效具有现实和深远的重要意义;水溶性淬火介质冷却速度介于油和盐水之间,它克服了水和油的上述弊端,同时它的最大优点是无毒、无有害气体、无火灾危险、不污染环境、成本低廉等,因此推广应用新型的水溶性淬火介质就显得尤为重要,它不仅解决了上述诸多问题,而且介质和水无限互溶,通过调整浓度可以获得任一介于盐水和油之间的冷却速度,因此,在提高产品质量、降低工艺成本和安全高效、环保节能等诸方面都有明显效果。

1、试验研究

1.1、淬火介质

    通过对多种水溶性淬火介质进行实验比较,找出其各自的优点与特性,最后选定JEF型淬火介质;它的节能效果,淬硬性及应用材料范围广等优点尤为突出。

1.2、热处理工艺

    淬火加热温度按传统加热温度计算再降低30℃—50℃,保温时间各种材料不变。

1.3、试验材料

    试验材料规格、牌号及化学成分如表1所示;

1.4、试验设备

    试验设备采用RX-45及RX-5中温箱式电炉,钢制淬火槽,淬火槽规格为600mm×300mm×300mm;

1.5、淬火介质数量

    初次试验淬火介质重量为24 kg。

1.6、介质配比与浓度测定

    淬火介质与水的配比为3:7,即:3份水溶性淬火介质原液加7份水。对介质浓度的检测用婆梅比重计放在淬火液槽中可直接获得读数。婆梅密度为7.5,如不在此范围可加原液或水进行调整。

1.7、试验过程

(a) 将Φ10mm×180mm的65Mn棒料装入Rx-5-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,用钳子将试件取出,迅速放入已配制好的淬火介质中冷却,待工件与介质温度基本一致时取出,进行观察、测试;

(b) 将Φ20mm×100mm的T8棒料装入Rx-5-9型箱式电阻炉加热至790℃保温后,按(a)的操作步骤进行淬火与测试;

(c) 将80mm×40mm×16mm与Φ18mm×170mm的45钢试件分次装入RX-5-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,按(a)的操作步骤进行淬火与测试;

(d) 将Φ10mm×100mm 65Mn的工件(搂齿)装入RX-45-9型箱式电阻炉加热至810℃保温后,用钳子将工件取出,迅速放入淬火介质中冷却,待工件与介质温度基本一致时取出,进行观察、测试。

1.8、检测结果与分析

    采用HR-150型洛式硬度计,分别对淬火试件进行洛氏硬度(HRC)检测。试验的材料、热处理工艺及结果见表2;

    从表2、表3及实验过程可以看出:

(1)淬火温度降低30℃-50℃仍有高的硬度;

(2)同一型号浓度的淬火介质,它适用材料的品种多,按传统(常规)热处理工艺,中碳钢(45钢)与高碳钢(T8)及合金结构钢(65Mn)是不能用同一种介质淬火的,而JEF型淬火介质就实现了这一目的;象T8钢特别是在截面积稍大一些的零部件用油淬硬度不足,水淬易裂,所以一般采用水淬油冷的方式,但操作者不易掌握,经常出现淬火后开裂或硬度达不到要求等现象。

    依据以上实验结果及分析,针对方捆机的部分胎模、冲模材料为T8的进行了传统(常规)热处理和用JEF型水溶性淬火冷却介质进行淬火试验比较,结果按传统(常规)热处理5件冲模,其中2件不合格,即使合格者在生产使用过程中也出现开裂报废,存在质量安全隐患,改用JEF型水溶性淬火冷却介质进行淬火的冲模,淬火硬度高达64HRC仍未出现异常,上述几种材料按传统(常规)热处理工艺淬火,其结果见表3。

    回火后投入生产效果良好,目前仍在生产作业中正常安全的服役。

2、工装改造

    根据现场生产条件的状况,仍然采用原有传统热处理工艺流程,为节省开支利用原有的淬火槽与储油箱,因JEF型淬火介质不能混入油类等物质,故改造原有的油箱与淬火槽及循环系统。因介质使用温度所限制,再加上淬火槽与储油箱是原有的较小,故增设了冷却塔一座,考虑直接冷却介质时有飞溅与散热挥发会造成不应有的损失,又增设了一套换热器与清水箱,把换热器放在储存箱中,用清水箱的冷水通过换热器输送至冷却塔,使淬火液达到降温之目的。

3、水溶性淬火介质的应用

3.1、搂齿热处理

    把JEF型淬火介质母液900kg注入淬火槽中,然后加水2100kg稀释,即为3:7的比例,实测婆梅密度为8.0稍高于7.5的规定。

    搂齿由材质为65Mn制造,原搂齿用油淬火加热温度为870℃,改用水溶性淬火介质后的加热温度降低至820℃,而淬火后硬度为60HRC比油淬提高了10HRC,硬度均匀,优于油淬;同时因高温段降低了50℃之多,电力消耗节省较明显,并且工件氧化现象明显减少。因65Mn材料易氧化脱碳,不难看出降低了温度很大程度上防止和减少了氧化脱碳现象,从而也是对热处理质量得以充分保证的条件之一。

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