淬火冷卻介質對航空工業(yè)的應用

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1、淬火冷卻介質對航空工業(yè)的應用 　　淬火冷卻介質作為一種工藝材料，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)取得了較大的技術進步，但在熱處理領域同樣存在的"重熱輕冷";的現象，即重視加熱裝備和工藝而輕視淬火冷卻的重要性。淬火冷卻介質的種類有很多，根據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

2、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，以適應制造業(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，經過長時間的探索，基本填補了專用淬火油的空白。我國現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

3、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技術要求》，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，N32的冷卻性能遠遠低于快速淬火油的冷卻性能，在熱處理實際生產中，冷卻能力差會對產品帶來較為嚴重的影響，特別是對于有一定尺寸效應的產品，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品質量水平的提升。經過實踐證明，使用專業(yè)淬火油，

4、在實際生產中對于提高產品質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)油品引入到生產實際中，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線中，至今已穩(wěn)定生產十多年，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)

5、的淬火油，為整個航空工業(yè)的質量提升提供了基本的參考依據[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，國內主要航空企業(yè)都在大量使用，如沈飛、西飛、成飛、洪都等航空企業(yè)。真空油淬技術發(fā)展過程中曾遇到的技術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，真空油淬可能產生增碳，使疲勞性能下降。近30年，國內已解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技術問題[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

6、易出現增碳現象。為防止該現象的產生，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30~40μm的增碳白層，如圖1所示。為防止增碳現象，可選擇合適的加熱真空度，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及其他介質的應用 　　水及水溶性淬火冷卻介質的應用在航空工業(yè)中也很廣泛，水溶性淬火冷卻介質一般分為鹽堿類水溶性淬火冷卻介質和聚合物類水溶性淬火冷卻介質。鹽堿類水溶性淬火冷卻介質以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

7、溶性淬火冷卻介質種類也很多，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變化，具有介于水和油之間的冷卻能力，如圖2所示。聚合物水溶性淬火冷卻介質以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

8、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";。這些淬火冷卻介質沒有物態(tài)變化，根據產品的某些特殊技術需求，還很難被其他淬火冷卻介質所替代。 　　3航空行業(yè)使用相關標準分析 　　目前，淬火油的

9、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相關內容的修訂工作，推進對GJB509B和HB5415標準中不科學和相互矛盾的技術內容進行完善。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)

10、，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也已經規(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構鋼或淬硬層要求高的產品，其典型的特點是黏度低，低溫冷速快。GJB509B規(guī)定的黏度為13~21mm2/s，但實際行業(yè)中常見的超速淬火油的黏度一般在8~13mm2/s，其指標要求不合理。建議參照SH0564修訂，黏度≤17mm2/

11、s。快速淬火油的黏度不同標準差異較大，GJB509B規(guī)定為21~29mm2/s，HB5415為≤20mm2/s，行業(yè)中快速淬火油的黏度一般在12~25mm2/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/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35~44mm2/s，HB5415中規(guī)定≤38mm2/s。市場上常見的光亮油黏度一般在15~35mm2/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HB541

12、5、SH0564和JB/T6955，規(guī)定為≤38mm2/s。光亮淬火油適用于對產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域，應保留該類型，參照HB5415、JB/T6955規(guī)定的相關指標。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

13、義，且不利于不同類型油品的橫向對比。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25~50mm2/s(50℃)存在空白，同樣GJB509B在黏度30~35mm2/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20~35mm2/s，真空淬火油黏度35~70mm2/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

14、，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40~70mm2/s，等溫(分級)淬火油黏度為>70mm2/s。HB5415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，相互之間的數據沒有線性關系或換算關系。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

15、來評價。目前，國內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，如機械油和自來水等，新型淬火冷卻介質的應用和普及程度同其他工業(yè)領域有一定差距。同時航空工業(yè)使用的淬火冷卻介質相關標準體系也不完善，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.航空熱處理技術改造[J].熱處理技術與裝備，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.