熱處理過程主要由加熱和冷卻兩部分組成，產(chǎn)品的狀態(tài)一旦確定，冷卻介質(zhì)在冷卻過程中將起著決定性的作用。傳統(tǒng)淬火介質(zhì)主要是水和油，隨著機(jī)械產(chǎn)品對力學(xué)性能要求的不斷提升，傳統(tǒng)淬火介質(zhì)的冷卻特性已無法滿足熱處理的需要。水的高低溫階段冷卻速度均較快，易產(chǎn)生淬火裂紋，而油的高低溫階段冷卻速度均較慢，使性能無法達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。開發(fā)理想的淬火介質(zhì)，即高溫階段冷卻速度快而低溫階段冷卻速較慢的介質(zhì)就成為一項新的課題而被廣泛研究。
　　20 世紀(jì)90 年代中期，以美國好富頓公司推出的AQ251 為代表的新型淬火介質(zhì)逐漸被推廣應(yīng)用，它不僅具有良好的冷卻特性，而且與油相比還具有安全可靠、無火災(zāi)隱患的特點(diǎn)，所以受到眾多企業(yè)的歡迎。在應(yīng)用的初期，AQ251 反映出的效果非常良好，但隨著時間的推移，這種水溶性淬火介質(zhì)的缺點(diǎn)也開始暴露出來，那就是它的老化問題。因水溶性淬火介質(zhì)老化引發(fā)的質(zhì)量問題曾頻繁出現(xiàn)，造成了許多無法挽回的損失。某機(jī)車廠2005 年因淬火介質(zhì)老化造成的材料毛坯損失就在50 萬元以上，中頻淬火也出現(xiàn)大量表面淬火裂紋。
　　
　　因此，研究水溶性淬火介質(zhì)的使用維護(hù)和冷卻特性的變化規(guī)律，以尋找控制方法就成為一項緊迫的工作。
　　
　　一、淬火介質(zhì)的冷卻特性
　　
　　淬火介質(zhì)的冷卻能力評價一般用冷卻特性檢測結(jié)果來比較，冷卻特性由冷卻特性曲線和特性數(shù)據(jù)組成。冷卻特性曲線包括冷卻過程曲線和冷卻速度曲線。特性數(shù)據(jù)由最大冷卻速度( v max) 、出現(xiàn)最大冷卻速的溫度( Tvmax) 及300 ℃冷卻速度( v300) 構(gòu)成。淬火介質(zhì)冷卻特性的檢測一般使用冷卻特性檢測儀在同一條件下進(jìn)行，即淬火溫度、介質(zhì)溫度、檢測時間相同，用特性數(shù)據(jù)可簡略繪制冷卻速度曲線。
　　
　　二、冷卻特性控制
　　
　　控制水溶性淬火介質(zhì)的冷卻特性，就是通過試驗(yàn)和使用，找出其冷卻特性的變化規(guī)律，然后根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定出控制目標(biāo)并付諸實(shí)施的過程。水溶性淬火介質(zhì)由于存在逆溶性，因此生產(chǎn)現(xiàn)場的消耗也較大，需要經(jīng)常調(diào)整和補(bǔ)充，出于經(jīng)濟(jì)性考慮也不能頻繁整體更換，所以通過冷卻特性檢測并加以控制是比較經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的做法。
　　
　　1. 濃度對冷卻特性的影響
　　
　　我們使用鄭州市科慧高科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的KHR - 01 冷卻特性檢測儀，對新配制的5 % ～20 % 系列AQ251 溶液進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)檢測，其結(jié)果如圖1 所示。

　　由圖1 可以看出，AQ251 的v max 隨濃度的增加而減少，Tvmax 隨濃度的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在濃度降到8% 以下，Tvmax 降至600 ℃ 左右，濃度為5% 時，v300 增加至87 ℃/ s ，接近于清水的冷卻特性，這時淬火介質(zhì)的低溫冷卻能力急劇增加。在濃度超過20 %以上后，Tvmax 呈下降趨勢，但由于其v max 和v300很低，因此其冷卻能力仍較低。
　　從以上情況可以看出，AQ251 的最佳使用濃度范圍為10 % ～20% ，低于10 % 后，v max 、v300 急劇增加，再加上PAG 類淬火介質(zhì)均存在著老化趨勢使Tv max 下降，這樣使產(chǎn)品在低溫區(qū)冷速加大，淬裂傾向增加，因此盡量不選擇使用。
　　2. 溫度對冷卻特性的影響
　　采用同一檢測設(shè)備，我們對現(xiàn)場使用的13 % 曲軸調(diào)質(zhì)AQ251 進(jìn)行20 ～50 ℃系列冷卻特性檢測。隨著溫度的增加，介質(zhì)的v max 增大，Tvmax 和v300 基本保持不變。但由曲線仍可看到，盡管Tvmax 和v300 變化很小，高溫階段冷卻無明顯變化，但低溫階段的冷卻能力仍有所加大，因此溫度對其冷卻特性的影響仍不可忽視。對于調(diào)質(zhì)件，尤其一些淬裂傾向明顯的產(chǎn)品，應(yīng)適當(dāng)限制淬火介質(zhì)的使用溫度范圍;對于感應(yīng)淬火工件，由于淬透性不是影響質(zhì)量的主要因素，可以考慮適當(dāng)增加AQ251 濃度，降低低溫階段的冷速，而不對其溫度加以限制。
　　3. 老化對冷卻特性的影響
　　隨著時間的推移，水溶性淬火介質(zhì)的逐漸老化，盡管其濃度未發(fā)生變化，但其冷卻特性卻在變差。這是水溶性淬火介質(zhì)的共同特點(diǎn)，因?yàn)橛袡C(jī)物在長期放置或不斷的加熱冷卻過程中會發(fā)生高分子斷鏈問題。油類淬火介質(zhì)也存在著同樣的問題，只因它們本身的冷卻速度慢，老化周期相對較長不會引發(fā)質(zhì)量問題，因而不被重視。AQ251 的老化特點(diǎn)是Tv max 降低，v300 增加。這種變化對熱處理十分不利，因Tvmax 和v300變化的綜合，反映為介質(zhì)低溫階段的冷卻速度急劇增加，產(chǎn)品淬裂傾向更加明顯。
　　4. 控制方法
　　在沒有認(rèn)識到水溶性淬火介質(zhì)的老化現(xiàn)象以前，我們一般是根據(jù)濃度和溫度對冷卻特性的影響進(jìn)行控制。具體做法就是根據(jù)產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱處理要求選擇合適的濃度范圍，并根據(jù)水溶性淬火介質(zhì)的逆溶性，確定淬火前溫度低于逆溶點(diǎn)20 ～30 ℃控制。濃度一般采用手持糖量計檢測折光讀數(shù)乘以折光系數(shù)獲得。隨著對介質(zhì)老化現(xiàn)象的認(rèn)識，我們認(rèn)為折光系數(shù)受到運(yùn)動粘度的影響，造成濃度檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，必須定期通過粘度檢測獲得折光系數(shù)。這種做法的確可以使?jié)舛葯z測更加準(zhǔn)確，但卻忽視了老化對冷卻特性的影響。隨著老化現(xiàn)象帶來的損失逐漸增大，很多企業(yè)也認(rèn)識到濃度檢測也無法滿足冷卻特性的控制要求，這就出現(xiàn)了淬火介質(zhì)周期冷卻特性檢測的方法。
　　水溶性淬火介質(zhì)老化是一個漸進(jìn)過程，冷卻特性的變化不會在1 個周期內(nèi)迅速反映出來，另外許多產(chǎn)品對冷卻特性的適應(yīng)范圍較寬，因此周期檢測結(jié)果沒有一個合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，更不用說進(jìn)行冷卻特性調(diào)整。但是控制冷卻特性在這個時候應(yīng)該講已經(jīng)成為一種共識而被使用者所接受，只是采用何種形式進(jìn)行控制還需要進(jìn)一步的探索。
　　隨著熱處理產(chǎn)品對淬火介質(zhì)冷卻特性變化要求越來越窄時，介質(zhì)老化造成的質(zhì)量問題就會充分暴露出來。一種情況是由于要根據(jù)產(chǎn)品的材料及力學(xué)性能要求，需要接近淬裂邊緣的冷卻特性值; 另一種情況是淬火介質(zhì)老化，使冷卻特性達(dá)到產(chǎn)生淬裂傾向的邊緣。這時應(yīng)當(dāng)采取更加嚴(yán)格的控制措施，防止冷卻特性向老化邊緣發(fā)展，實(shí)際上這時我們也就找到了冷卻特性控制的邊界條件。下面以我廠曲軸調(diào)質(zhì)用的AQ251 為例，介紹冷卻特性的控制方法。
　　我廠最初使用AQ251 進(jìn)行曲軸調(diào)質(zhì)時，主要用于處理的材料為42CrMoA 的鐵路機(jī)車曲軸。曲軸的力學(xué)性能要求處于中等水平，從1996 年至今未發(fā)生過一起機(jī)車曲軸調(diào)質(zhì)裂紋事故，13 % AQ251 的冷卻特性值V300 從49 ℃/ s 增加到64 ℃/ s 。2003 年我廠進(jìn)入船用曲軸市場，開始生產(chǎn)42CrMo4 的船用曲軸，材料與42CrMoA 基本相同，力學(xué)性能要求卻大幅提高，尤其是對沖擊功的要求，按常規(guī)熱處理無法達(dá)到技術(shù)要求。在選用淬火介質(zhì)時，考慮采用6 %～8 %的AQ251 ，經(jīng)工藝試驗(yàn)，小批量生產(chǎn)，力學(xué)性能均達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。但在2005 年6 月，卻發(fā)生連續(xù)7 根調(diào)質(zhì)曲軸出現(xiàn)淬火裂紋的情況。經(jīng)分析，主要是由于AQ251 老化所影響，但根據(jù)冷卻特性周期檢測情況分析，特性值變化幅度并沒有現(xiàn)場使用的13%AQ251 幅度大，但其絕對值已達(dá)到淬裂的邊界。隨后，我們根據(jù)各種試驗(yàn)，結(jié)合其他水溶性介質(zhì)的使用情況制定了控制方法。我們認(rèn)為，對于調(diào)質(zhì)產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求并結(jié)合其材料選擇v300的下限值，再根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)( 如曲軸裂紋時的冷卻特性檢測情況) 確定v300 的上限值。選擇一冷卻特性檢測周期( 例如1 個月) ，對在這個周期內(nèi)的使用情況進(jìn)行記錄，對使用次數(shù)超過一定限額時也進(jìn)行冷卻特性檢測。
　　鑒于水溶性淬火介質(zhì)存在老化的特點(diǎn)，兩種檢測結(jié)果的合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所不同。對于周期內(nèi)的檢測v300 可按上下限范圍判定是否合格; 而對周期檢測時，v300 則應(yīng)按小于上限一定數(shù)額來作為判定是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。對于感應(yīng)淬火，我們不僅要控制v300 ，更要控制Tvmax 。在一般情況看來，由于感應(yīng)淬火在淬硬層表面只會產(chǎn)生壓力，因而不易產(chǎn)生裂紋。事實(shí)上我們發(fā)現(xiàn)，由于淬火介質(zhì)冷卻特性變化使冷卻過程劇烈時，在淬硬層表面將產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。該裂紋曾經(jīng)在我們生產(chǎn)的一種曲軸中連續(xù)出現(xiàn)10 條以上，分析原因仍然是淬火介質(zhì)老化使冷卻特性變差所致，而且造成這一事故時是因?yàn)門vmax 過低。這使我們認(rèn)識到，對于感應(yīng)淬火而言，整個低溫區(qū)的冷速較v300 的絕對值意義更大。因此對用于感應(yīng)淬火的冷卻介質(zhì)，我們認(rèn)為應(yīng)該像對待v300 一樣，對Tvmax加以嚴(yán)格控制。另外，我們認(rèn)為使用手持糖儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測仍具有實(shí)際意義，不過應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的是不必要再去換算介質(zhì)的濃度，而只需在周期檢測時間內(nèi)應(yīng)維持讀數(shù)在一個合理的數(shù)值范圍。
　　三、介質(zhì)的使用維護(hù)
　　近十年來，通過水溶性淬火介質(zhì)的使用，我們還發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)的使用維護(hù)也十分重要。因?yàn)樗苄源慊鸾橘|(zhì)在使用頻繁或長期不使用時均會加快老化的速度，所以在日常管理中還應(yīng)當(dāng)設(shè)立清潔周期，以及在一定時間內(nèi)未使用時，應(yīng)加以適當(dāng)?shù)臄嚢?，以減緩其老化過程。
　　四、結(jié)語
　　以上分析我們可以得出，控制好水溶性淬火介質(zhì)應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：
　　( 1) 根據(jù)產(chǎn)品材料和技術(shù)要求，并結(jié)合濃度、溫度對冷卻特性的影響，選擇合適的濃度和溫度范圍。
　　( 2) 選擇合理的冷卻特性檢測周期和臨時檢測規(guī)定，并確定對應(yīng)的合格標(biāo)準(zhǔn)，以保證冷卻介質(zhì)使用時處于合格狀態(tài)。
　　( 3) 制定日常使用維護(hù)規(guī)范，定期清潔。