淬火冷卻介質(zhì)在航空工業(yè)的運(yùn)用

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1、淬火冷卻介質(zhì)在航空工業(yè)的運(yùn)用 摘要：介紹了航空工業(yè)常用淬火冷卻介質(zhì)的種類，機(jī)械油和自來水正逐漸被專業(yè)淬火冷卻介質(zhì)所替代。同時(shí)對(duì)航空工業(yè)使用的淬火冷卻介質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀和分析。 關(guān)鍵詞：航空工業(yè)；淬火冷卻介質(zhì)，淬火油；標(biāo)準(zhǔn)；HB5415 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(guó)航空工業(yè)取得了較大的技術(shù)進(jìn)步，但在熱處理領(lǐng)域同樣存在的“重?zé)彷p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

2、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(xué)工業(yè)的發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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)，以適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展的需要，并且對(duì)各種淬火的冷卻特性及其物理、化學(xué)性能以及評(píng)價(jià)性能的裝置和方法等方面逐步進(jìn)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(yīng)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(guó)從20世紀(jì)70年代以后，逐步開始對(duì)礦物基淬火油進(jìn)行研究，參考先進(jìn)工業(yè)國(guó)家在淬火冷卻方面所做的工作，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索，基本填補(bǔ)了專

3、用淬火油的空白。我國(guó)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(jí)淬火油等多系列專用淬火油[1]。1.1機(jī)械油的應(yīng)用。我國(guó)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(jiǎn)稱“機(jī)械油”）作為淬火油。機(jī)械油主要用于機(jī)器潤(rùn)滑，不是熱處理專用淬火油，在其他行業(yè)已基本淘汰。按照J(rèn)B/T6955—2021《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(duì)比發(fā)現(xiàn)，N32的冷卻性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于快速淬火油的冷卻性能，在熱處理實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻能力差會(huì)對(duì)產(chǎn)品帶來較為嚴(yán)重的影響，特別是對(duì)于有一定尺寸效應(yīng)的產(chǎn)品，影響更為明

4、顯。機(jī)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(shí)踐證明，使用專業(yè)淬火油，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)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(jī)械油是必然趨勢(shì)。近年來，越來越多的航空企業(yè)進(jìn)行技改和工廠搬遷，逐漸將專業(yè)油品引入到生產(chǎn)實(shí)際中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械油。金城南京機(jī)電液壓工程研究中心從2021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(duì)于原來所使用的機(jī)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(shí)，油品長(zhǎng)時(shí)間使用仍維持了工藝的穩(wěn)定性，得到了廣泛認(rèn)同。洪都航空工業(yè)集團(tuán)、中航西安航空制動(dòng)科技有限公司、鷹普航空鑄件（無錫）有限公

5、司、中國(guó)航發(fā)中傳機(jī)械有限公司等企業(yè)，在設(shè)備革新及工藝改進(jìn)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(gè)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(yīng)用。目前，真空油淬是真空熱處理的主要工藝之一，國(guó)內(nèi)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(shù)發(fā)展過程中曾遇到的技術(shù)難點(diǎn)是真空油淬增碳問題。20世紀(jì)70年代，我們的試驗(yàn)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(guó)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(shí)鋼在真空高溫加

6、熱時(shí)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(yīng)選擇具有高飽和蒸汽壓的真空淬火油并改進(jìn)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(xiàn)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(jìn)行改善[2]。 2水溶性淬火冷卻介質(zhì)及其他介質(zhì)的應(yīng)用 水及水溶性淬火冷卻介質(zhì)的應(yīng)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(yīng)用也很多，例如一些厚大碳素鋼工件都

7、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。a）PAG固溶b）自來水固溶圖22A12板材采用PAG和自來水淬火變形對(duì)比聚合物水溶性淬火冷卻介質(zhì)以PAG類應(yīng)用最為廣泛，在汽車、工程機(jī)械等行業(yè)應(yīng)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(diǎn)，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

8、底裝料等設(shè)備取代，PAG淬火液也逐漸應(yīng)用于黑色金屬。PAG淬火液還有少部分企業(yè)應(yīng)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(guó)外應(yīng)用比較普及，具有成熟應(yīng)用工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系[3，4]。雖然聚合物淬火劑價(jià)格比水貴，但由于能減少變形，因此可減少矯正工時(shí)，降低產(chǎn)品報(bào)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(fèi)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(yīng)用，其中熔鹽應(yīng)用最為常見，主要用于馬氏體分級(jí)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

9、其他淬火冷卻介質(zhì)所替代。 3航空行業(yè)使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析 目前，淬火油的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)比見表2?；诤娇招袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的問題，北京航空材料研究院佟小軍研究員從2021年起組織對(duì)HB5354、HB5415進(jìn)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(jìn)對(duì)GJB509B和HB5415標(biāo)準(zhǔn)中不科學(xué)和相互矛盾的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行完善。全損

10、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(jī)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(yīng)用越來越廣泛，可作為獨(dú)立的類型，其中GJB509B也已經(jīng)規(guī)定了超速淬火油作為獨(dú)立的油品類型。超速淬火油主要應(yīng)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(diǎn)是黏度低，低溫冷速快。GJB509B規(guī)定的黏度為13~21mm2/s，但實(shí)際行業(yè)中常見的超速淬火油的黏度一般在8~13mm2/

11、s，其指標(biāo)要求不合理。建議參照SH0564修訂，黏度≤17mm2/s。快速淬火油的黏度不同標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)要求不合理，不利于油品選型。建議快速油黏度指標(biāo)參照SH0564和JB/T6955，規(guī)定為≤26mm2/s。快速光亮淬火油是一種常見的淬火油類型，適用于氣氛保護(hù)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(chǎng)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(shí)際指導(dǎo)意義

12、不大。因此，建議快速光亮油黏度指標(biāo)參照HB5415、SH0564和JB/T6955，規(guī)定為≤38mm2/s。光亮淬火油適用于對(duì)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)保留該類型，參照HB5415、JB/T6955規(guī)定的相關(guān)指標(biāo)。HB5415中規(guī)定了兩種光亮淬火油，黏度分別為≤18mm2/s、≤38mm2/s，但實(shí)際的工程指導(dǎo)意義不大，建議按JB/T6955相關(guān)指標(biāo)執(zhí)行。真空淬火油在航空企業(yè)應(yīng)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

13、測(cè)試采用50℃，并無實(shí)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(cè)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(biāo)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(jí)）淬火油不同標(biāo)準(zhǔn)的稱呼不同，目前行業(yè)上均稱呼為等溫分級(jí)淬火油。GJB509B稱為

14、低溫分級(jí)淬火油和高溫分級(jí)淬火油，SH0564稱為1號(hào)等溫分級(jí)淬火油和2號(hào)等溫分級(jí)淬火油，而HB5415中沒有規(guī)定等溫（分級(jí)）淬火油。為了統(tǒng)一稱呼，且易于在行業(yè)中達(dá)成共識(shí)，建議執(zhí)行JB/T6955中的規(guī)定，分別為快速等溫（分級(jí)）淬火油和等溫（分級(jí)）淬火油?？焖俚葴兀ǚ旨?jí)）淬火油黏度為40~70mm2/s，等溫（分級(jí)）淬火油黏度為＞70mm2/s。HB5415冷卻特性測(cè)試采用的是銀探頭標(biāo)準(zhǔn)，GJB509B采用鎳合金探頭，因銀探頭和鎳合金探頭是兩個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，而鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)主要通過上

15、特性溫度、最大冷速、下特性溫度來評(píng)價(jià)。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分為鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)，為了便于貫徹實(shí)施，建議冷卻特性測(cè)定采用GB/T30823鎳合金探頭標(biāo)準(zhǔn)。 4結(jié)束語 航空工業(yè)屬于高端裝備制造業(yè)，目前我國(guó)仍部分采用傳統(tǒng)的淬火冷卻介質(zhì)，如機(jī)械油和自來水等，新型淬火冷卻介質(zhì)的應(yīng)用和普及程度同其他工業(yè)領(lǐng)域有一定差距。同時(shí)航空工業(yè)使用的淬火冷卻介質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也不完善，存在諸多不科學(xué)和相互矛盾的問題，亟需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂，以推進(jìn)航空工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： [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(duì)比[J].金屬加工（熱加工），2021（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，2021，28（2）：1-10. [3]吳瑞豪，馮敏.B-757飛機(jī)鋁合金零件聚合物淬火[J].金屬熱處理，2021（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(yīng)用研究[J].材料工程，2021（1）：5-8. 作者:左永平 權(quán)純逸 單位:1.南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司 2.沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 第 9 頁(yè) 共 9 頁(yè)