真空油淬，变形实属难免
来源：成都新德南光机械设备有限公司 | 发布时间：2017-04-08 |
真空炉应用于淬火，当初亦以油淬居多，根据目前情况，油淬越来越少，气淬越来越多。工件比较大、淬火温度在1000℃以下、淬透性比较高的小零件拟用油淬。对真空淬火油有如下要求：
（1）蒸汽压低，不易挥发 要求蒸汽压低于10-2～10-4Pa，以确保真空度在10～10-1Pa条件下，真空淬火油不会产生明显的挥发。
（2）杂质与残炭少，酸值低 真空油淬火后，零件表面的光亮度应不低于标准试样的70%。
（3）临界压强（即得到大气压下有相同冷却能力的最低压强）低，冷却性能好，要求工件在真空淬火油中冷却后，能达到常压下盐浴淬火相同的硬度值，不得有明显的渗碳层。
（4）热稳定性好，即抗老化性能好，使用寿命长。
用于真空淬火的油已商品化、标准化。如美国海斯公司的H1油、H2油、日本初光公司的HV1油、HV2油、前苏联的BM1～4油灯。1979年我国研制成功并投入生产的ZZ-1、ZZ-2真空淬火油具有冷却能力高、饱和蒸汽压低、热稳定良好、对工件无腐蚀的特性而且质量稳定，适于工具钢的真空淬火。显然其他淬火油不能满足上述要求。北京联创嘉业科技有限公司、天津市美石石化产品有限公司、南通市丰润石油化工厂、重庆海森、大连海威、好富顿、得润宝、南京科润工业介质有限公司等数十家单位均有真空淬火油出售。
图1为T8钢在真空淬火油、普通淬火油、矿物油中进行真空加热淬火后硬度的变化曲线。普通淬火油在常压下（0.1MPa）淬火后硬度为66HRC，试样可完全淬硬，然而随着淬火时压力的降低，硬度急剧下降，特别是压力降到5×104Pa以下时降低最多，已不能将工件淬硬。矿物油在常压淬火，仅使试样硬度达到42HRC，压力下降后硬度反而升高，到2.5×104Pa时可使淬火后硬度达到63～65HRC。在更低的压力下淬火硬度趋于下降。真空淬火油则能在低下很宽的区域内能淬到63HRC以上的高硬度，这为工模具钢真空油淬谋求高硬度创造了条件。图2为以上3种油在不同压力下的特性温度与冷却速度的关系比较。
图1 真空淬火油与一般淬火油冷却能力的比较
试样：T8钢，800℃淬入80℃油中
1. 普通淬火油，2.矿物油，3.真空淬火油
从图2可以看出，冷却速度由蒸汽膜存在的时间及试样从800℃冷却到400℃所需需要的时间来表示（℃/s）。从蒸汽膜存在的时间看，在104Pa以下真空淬火油最短，从800℃→400℃冷却时间比较，尽管各种油在真空状态下比常压下时间要长，但真空淬火油比矿物油冷却时间要短。在2×104Pa左右以真空淬火油的冷却时间最短。
图2 几种淬火油在不同压力下，冷却能力与特性温度的比较
1. 真空淬火油，2.普通淬火油，3.矿物油
特性温度，℃—蒸汽膜时间;S—从800℃冷到400℃时间
在低压下，真空淬火油的特性温度也较高，因此，真空淬火也适合于在低压下工作，有优异的淬火能力。
真空淬火油是用石蜡润滑油馏分、经溶剂脱腊、熔剂精制、白土处理及真空蒸馏、真空脱气后，加入催冷剂、光亮剂和抗氧化剂等配制而成的。用φ8mm×24mm银棒测得不同真空度下国产ZZ-1号、ZZ-2号冷却曲线如图3、图4所示。GCr15钢φ20mm×6mm试样在840℃和T10钢φ10mm×10mm试样在800℃于ZZ-1号、ZZ-2号两种真空油中淬火后的硬度见表1和表2。
图3 ZZ-1号油在不同真空度下的冷却曲线
1-0.013KPa;2-5KPa;3-10KPa;4-26.6 KPa;5-50KPa;6-66.6KPa;7-101KPa;
图4 ZZ-2号油在不同真空度下的冷却曲线
1-0.013KPa;2-5KPa;3-10KPa;4-26.6 KPa;5-50KPa;6-66.6KPa;7-101KPa
由于真空加热的工件具有良好的表面状态，因而钢在真空淬火油中冷却可以获得与常规工艺相同的硬度值。从原理上讲，真空淬火时维持液面压力为临界压强即可获得接近于大气压下的冷速。除此之外，提高气压可以提高油的蒸发和凝固温度，因而可以避免因油本身升温造成的挥发损失和对设备的污染。工艺上常采用向冷却室充填纯氮气至40～73KPa（高于67KPa时对特性影响已不明显了）的方法，实践证明，对于某些低淬透性钢，若将气压增大至大气压之上，将可获得更高的冷速。这是由于蒸汽膜进一步变薄了，缩短了传热慢的蒸汽膜阶段，增压油淬进一步发展为油淬气冷淬火，这就提高了大型及精密工模具的淬火效果减少变形提供了多种选择的可能性。
表1 GCr15钢试样在不同压力下的淬火硬度
油品名称 | 淬火时的压力/Pa | 温度/℃ | 淬火后硬度HRC |
1号油 | 760×133.32 | 25～30 | 66 66 66 66 |
2号油 | 65 65 66 65 | ||
1号油 | 380×133.32 | 25～30 | 64 64 63 63 |
2号油 | 61 60 61 61 | ||
1号油 | 76×133.32 | 25～30 | 65 65 65 65 |
2号油 | 60 61 61 62 | ||
1号油 | 10-1×133.32 | 25～30 | 36 36 36 36 |
2号油 | 31 31 31 31 |
为了满足较大工件淬火冷却能力的需要，真空淬火油量要足够大。设计中按入油的工件、料盘、卡具等从入油温度至油池温度时释放出的热量进行热平衡计算得出，再补加一定的安全油量。考虑到因搅拌、局部激烈升温造成油的膨胀、沸腾，一般取工件重量与油重量之比为1:10～1:15为好。
表2 T10钢试样在不同压力下的淬火硬度
油品名称 | 淬火时的压力 /Pa | 温度/℃ | 淬火后硬度HRC |
1号油 | 760×133.32 | 25～30 | 62 62 62 62 |
2号油 | 61 62 62 62 | ||
1号油 | 380×133.32 | 25～30 | 62 62 62 62 |
2号油 | 61 62 62 62 | ||
1号油 | 76×133.32 | 25～30 | 60 61 62 62 |
2号油 | 61 62 61 62 | ||
1号油 | 10-1×133.32 | 25～30 | 35 36 35 35 |
2号油 | 34 33 34 34 |
真空淬火油的品质，如酸值、残碳、水分、离子量等都可能使工件严重着色，有时它们对光亮度的影响远大于真空度的影响，使用过程中需定期分析粘度、闪点、冷却性能及水分。据分析，当真空淬火油中水的质量分数达0.03%时，就足以使淬火件表面变得灰暗。当水的质量分数达到0.3%时，油的冷却特性将发生明显改变，很可能发生淬裂。在液压压力降低时，含水的油将发生沸腾，从而严重地破坏了真空，鉴于此，新油在第一次使用前需进行调制，每次停炉后还应保持炉子的真空，以防止空气和水分再次溶入油中。
真空淬火油的使用温度应控制在40～80℃为宜。油温过低时，粘度大冷却速度低，淬火后工件硬度不均匀，表面不光亮。在寒冷的冬天淬火前，需将真空淬火油预热。在真空条件下，若油温过高将使油迅速蒸发，从而造成污染并加速油的老化。在生产中，为能迅速调节油温并使油温均匀化，油池常设搅拌装置以加强油的循环和对流。搅拌必须到位，老油的搅拌不够强烈，则易使尺寸大、结构复杂的工件及长杆件等出现软点和软带（软块）;若油的搅拌过于强烈，也会使工件产生较大的变形。控制工件入油后的开始搅拌时间、调节搅拌的激烈程度以及实现断续搅拌可以减少变形和软点。
不管你做出多少努力以及采取多少措施，只要是油淬，变形实属难免，我们只能因势利导，努力使变形减少到最低量，并且要采取得补校措施，将变形者矫正过来。
高温油淬高温瞬时渗碳已是不争的事实。高速钢工具经真空油淬后将在工件表面层出现一个由残留奥氏体和碳化物组成的白亮层。分析认为，这与钢在油淬的高温阶段（1200～900℃）的瞬时渗碳有关。一般的解释是，真空淬火油是由C、H、O组成的有机化合物，在与活性的高速钢表面接触时，将形成一层薄而致密的、包围着工件的油蒸气外套，其中的CH4、CO将发生分解并析出浓度和传播特性较高的活性碳，可很快渗入钢中。有研究表明，M2钢于1.33Pa、1200℃下 加热后油淬所得瞬间渗层深可达35～50μm。Χ射线显微分析证明，距表面10μm内是耐蚀高的白亮层，其碳浓度达1.50%～1.70%，从表面到50μm处，碳降至基体含量0.80%～0.90%。白亮层是由大量复合碳化物和残留奥氏体组成的，其与内部交界处有粗晶马氏体，因而表面硬度低下。
油淬工件出炉后应进行去油清理，注意不要对周边环境造成污染。
摘自《金属加工》杂志
