水溶性淬火介质冷却特性控制及应用

热处理过程主要由加热和冷却两部分组成，产品的状态一旦确定，冷却介质在冷却过程中将起着决定性的作用。传统淬火介质主要是水和油，随着机械产品对力学性能要求的不断提升，传统淬火介质的冷却特性已无法满足热处理的需要。水的高低温阶段冷却速度均较快，易产生淬火裂纹，而油的高低温阶段冷却速度均较慢，使性能无法达到产品技术要求。开发理想的淬火介质，即高温阶段冷却速度快而低温阶段冷却速较慢的介质就成为一项新的课题而被广泛研究。

20世纪90年代中期，以美国好富顿公司推出的AQ251为代表的新型淬火介质逐渐被推广应用，它不仪具有良好的冷却特性，而且与油相比还具有安全可靠、无火灾隐患的特点，所以受到众多企业的欢迎。

在应用的初期，AQ251反映出的效果非常良妤，但随着时间的推移，这种水溶性淬火介质的缺点也开始暴露出来，那就是它的老化问题。因水溶性淬火介质老化引发的质量问题曾频繁出现，造成成了许多无法挽回的损失。某机车厂2005年因淬火介质老化造成的材料毛坯损失就在50万元以上，中频淬火也出现大量表面淬火裂纹。

因此，研究水溶性淬火介质的使用维护和冷却特性的变化规律，以寻找控制方法就成为一项紧迫的工作。

一、淬火介质的冷却特性

淬火介质的冷却能力评价一般用冷却特性检测结果来比较，冷却特性由冷却特性曲线和特性数据组成。冷却特性曲线包括冷却过程曲线和冷却速度曲线。特性数据由最大冷却速度(ν_max)、出现最大冷却速的温度(T_νmax)及300℃冷却速度(ν₃₀₀)构成。淬火介质冷却特性的检测一般使用冷却特性检测仪在同一条件下进行，即淬火温度、介质温度、检测时间相同，用特性数据可简略绘制冷却速度曲线。

二、冷却特性控制

控制水溶性淬火介质的冷却特性，就是通过试验和使用，找出其冷却特性的变化规律，然后根据产品的材料和结构特点，制定出控制目标并付诸实施的过程。水溶性淬火介质由于存在逆溶性，因此生产现场的消耗也较大，需要经常调整和补充，出于经济性考虑也不能频繁整体更换，所以通过冷却特性检测并加以控制是比较经济和科学的做法。

1.浓度对冷却特性的影响

我们使用郑州市科慧高科技发展有限公司生产的KHR-01冷却特性检测仪，对新配制的5％～20％，系列AQ251溶液进行了标准俭测，其结果如图1所示。

由图1可以看出，AQ251的ν_max随浓度的增加而减少，T_νmax随浓度的增加呈现出先增加后减少的趋势，在浓度降到8％以下，T_νmax降至600℃左右，浓度为5％时，ν300增加至87℃/s，接近于清水的冷却特性，这时淬火介质的低温冷却能力急剧增加。在浓度超过20％以上后，T_νmax呈下降趋势，但由于其ν_max和ν₃₀₀很低，因此其冷却能力仍较低。

从以上情况可以看出，AQ251的最佳使用浓度范围为10％～20％，低于10％后，ν_max、ν₃₀₀急剧增加，再加上PAG类淬火介质均存在着老化趋势使T_νmax下降，这样使产品在低温区冷速加大，淬裂倾向增加，因此尽量不选择使用。

2.温度对冷却特性的影响

采用同一检测设备，我们对现场使用的13％曲轴调质AQ251进行20～50℃系列冷却特性检测。其检测结果如图2所示。

由图2可以看出，随着温度的增加，介质的ν_max增大，T_νmax和ν₃₀₀基本保持不变。但由曲线仍可看到，尽管T_νmax和ν₃₀₀变化很小，离温阶段冷却无明显变化，但低温阶段的冷却能力仍有所加大，因此温度对其冷却特性的影响仍不可忽视。对于调质件，尤其一些淬裂倾向明显的产品，应适当限制淬火介质的坎用温度范围；对于感应淬火工件，由于淬透性不是影响质量的主要因素，可以考虑适当增加AQ251浓度，降低低温阶段的冷速，而不对其温度加以限制。

3.老化对冷却特性的影响

随着时间的推移，水溶性淬火介质的逐渐老化，尽管其浓度未发生变化，但其冷却特性却在变差。这是水溶性淬火介质的共同特点，因为有机物在长期放置或不断的加热冷却过程中会发生高分子断链问题。油类淬火介质也存在着同样的问题，只因它们本身的冷却速度慢，老化周期相对较长不会引发质量问题，因而小被重视。水溶性淬火介质的老化如图3所示。

从图3可以看出，AQ251的老化特点是T_νmax降低，ν300增加。这种变化对热处理十分不利，因T_νmax和ν₃₀₀变化的综合，反映为介质低温阶段的冷却速度急剧增加，产品淬裂倾向更加明显。

4.控制方法

在没有认识到水溶性淬火介质的老化现象以前，我们一般是根据浓度和温度对冷却特性的影响进行控制。具体做法就是根据产品材料、结构特点及热处理要求选择合适的浓度范围，并根据水溶性淬火介质的逆溶性，确定淬火前温度低于逆溶点20～30℃控制。浓度一般采用于持糖量计检测折光读数乘以折光系数获得。随着对介质老化现象的认识，我们认为折光系数受到运动粘度的影响，造成浓度检测数据不准确，必须定期通过粘度检测获得折光系数。这种做法的确可以使浓度检测更加准确，但却忽视了老化对冷却特性的影响。随着老化现象带来的损失逐渐增大，很多企业也认识到浓度检测也无法满足冷却特性的控制要求，这就出现了淬火介质周期冷却特性检测的方法。

水溶性淬火介质老化是一个渐进过程，冷却特性的变化不会在1个周期内迅速反映出来，另外许多产品对冷却特性的适应范围较宽，因此周期检测结果没有一个合格标准进行评判，更不用说进行冷却特性调整。但是控制冷却特性在这个时候应该讲已经成为一种共识而被使用者所接受，只是采用何种形式进行控制还需要进一步的探索。

随着热处理产品对淬火介质冷却特性变化要求越来越窄时，介质老化造成的质量问题就会充分暴露出来。一种情况是由于要根据产品的材料及力学性能要求，需要接近淬裂边缘的冷却特性值；另一种情况是淬火介质老化，使冷却特性达到产生淬裂倾向的边缘。这时应当采取更加严格的控制措施，防止冷却特性向老化边缘展，实际上这时我们也就找到了冷却特性控制的边界条件。下面以我厂曲轴调质用的AQ251为例，介绍冷却特性的控制方法。

我厂最初使用AQ251进行曲轴调质时，主要用于处理的材料为42CrMoA的铁路机车曲轴。曲轴的力学性能要求处于中等水平，从1996年至今未发生过一起机车曲轴调质裂纹事故，13％AQ251的冷却特性值ν₃₀₀从49℃/s增加到64℃/s。2003年我厂进入船用曲轴市场，开始生产42CrMo4的船用曲轴，材料与42CrMoA基本相同，力学性能要求却大幅提高，尤其是对冲击功的要求，按常规热处理无法达到技术要求。在选用淬火介质时，考虑采用6％～8％的AQ251，经工艺试验，小批量生产，力学性能均达到产品技术要求。但在2005年6月，却发生连续7根调质曲轴出现淬火裂纹的情况。经分析，主要是由于AQ251老化所影响，但根据冷却特性周期检测情况分析，特性值变化幅度并没有现场使用的13％AQ251幅度大，但其绝对值已达到淬裂的边界。随后，我们根据各种试验，结合其他水溶性介质的使用情况制定了控制方法。我们认为，对于调质产品，应根据产品技术要求并结合其材料选择ν₃₀₀的下限值，再根据现场生产经验(如曲轴裂纹时的冷却特性检测情况)确定ν₃₀₀的上限值。选择一冷却特性检测周期(例如1个月)，对在这个周期内的使用情况进行记录，对使用次数超过一定限额时也进行冷却特性检测。

鉴于水溶性淬火介质存在老化的特点，两种检测结果的合格标准应有所不同。对于周期内的检测ν₃₀₀可按上下限范围判定是否合格；而对周期检测时，ν₃₀₀则应按小于上限一定数额来作为判定是否合格的标准。对感应淬火，我们不仅要控制ν₃₀₀，更要控制T_νmax。在一般情况看来，由于感应淬火在淬硬层表面只会产生压力，因而不易产生裂纹。事实上我们发现，由于淬火介质冷却特性变化使冷却过程剧烈时，在淬硬层表面将产生热应力裂纹。该裂纹曾经在我们生产的～种曲轴中连续出现10条以上，分析原因仍然是淬火介质老化使冷却特性变差所致，而且造成这一事故时是因为T_νmax过低。这使我们认识到，对于感应淬火而言，整个低温区的冷速较ν₃₀₀的绝对值意义更大。因此对用于感应淬火的冷却介质，我们认为应该像对待ν₃₀₀一样，对T_νmax加以严格控制。另外，我们认为使用手持糖仪进行现场检测仍具有实际意义，不过应当改进的是不必要再去换算介质的浓度，而只需在周期检测时间内应维持读数在一个合理的数值范围。

三、介质的使用维护

近十年来，通过水溶性淬火介质的使用，我们还发现，介质的使用维护也十分重要。因为水溶性淬火介质在使用频繁或长期不使用时均会加快老化的速度，所以在日常管理中还应当设立清洁周期，以及在一定时间内未使用时，应加以适当的搅拌，以减缓其老化过程。

四、结语

从以上分析我们可以得出，控制好水溶性淬火介质应做好以下几点：

(1)根据产品材料和技术要求，并结合浓度、温度对冷却特性的影响，选择合适的浓度和温度范围。

(2)选择合理的冷却特性检测周期和临时检测规定，并确定对应的合格标准，以保证冷却介质使用时处于合格状态。

(3)制定日常使用维护规范，定期清洁。