淬火冷却介质对渗碳齿轮淬火质量的影响

山西省平遥减速器厂 （平遥 031100） 裴洪泽

渗碳齿轮在淬火时，被加热到奥氏体化以后，放入淬火冷却介质中进行冷却。在冷却过程中，经过不同的冷却速度完成淬火过程。由于淬火冷却介质的不同，其冷却速度也不同，淬火冷却介质的冷却速度对淬火渗碳齿轮显微组织有很大的关系。

1.渗碳齿轮淬火冷却阶段分析

齿轮类产品一般需要进行渗碳淬火热处理，以增加齿轮齿面接触强度，提高抗弯强度。淬火冷却介质为油，其淬火冷却过程可分为三个阶段：蒸汽膜冷却阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段。

（1）蒸汽膜冷却阶段 当红热的齿轮浸入淬火冷却介质后，淬火冷却介质会受热汽化并立即在渗碳齿轮表面形成一层蒸汽膜。渗碳齿轮的热量主要通过蒸汽膜的辐射和传导进行热量传递，此时渗碳齿轮的冷却速度缓慢，直到渗碳齿轮表面所提供的热量不能满足形成蒸汽膜所需要的热量时，蒸汽膜破裂，开始转入沸腾阶段。

蒸汽膜阶段向沸腾阶段转变的温度，称为淬火冷却介质的特性温度。淬火冷却介质的特性温度升高时，淬火渗碳齿轮就可在短时间内和较高的温度下进入快速冷却阶段，快速冷却有利于防止奥氏体的分解而产生非马氏体组织。因此，特性温度是衡量淬火冷却介质冷却性能的重要指标。特性温度与淬火冷却介质的物理性能有关，如淬火冷却介质的黏度低、蒸汽压低等均可促进特性温度升高。另外，淬火冷却介质与渗碳齿轮的相对运动，如对淬火冷却介质的正确搅动和渗碳齿轮在淬火冷却介质中的窜动都可使蒸汽膜很快破裂，在短时间内由蒸汽膜冷却阶段转入沸腾冷却阶段，就会加快渗碳齿轮的冷却速度。

（2）沸腾冷却阶段 渗碳齿轮直接与淬火冷却介质接触，淬火冷却介质在渗碳齿轮表面产生强烈沸腾，渗碳齿轮的热量被淬火冷却介质汽化吸收，散热速度加快，冷却速度达到最大值。渗碳齿轮表面的温度迅速降低，当渗碳齿轮表面温度低于淬火冷却介质沸点时，沸腾冷却阶段结束。

（3）对流冷却阶段 渗碳齿轮表面温度低于淬火冷却介质的沸点时，转入对流冷却阶段，此时渗碳齿轮与淬火冷却介质之间的传导热量方式主要以对流传导方式进行。

2.淬火冷却介质冷却速度的影响

渗碳齿轮在淬火冷却时，为了获得所需金相组织，就必须要有正确的淬火冷却规范。在淬火冷却过程中，为了避免渗碳齿轮在较高的温度区域内由奥氏体向珠光体转变，必须在过冷奥氏体最不稳定的区域进行，以大于临界冷却速度进行冷却，才能得到马氏体组织。

淬火冷却介质的冷却速度并非越快越好，如果采用较快的冷却速度使渗碳齿轮一直冷却到室温，将使渗碳齿轮在高温区域内产生大的热应力。若渗碳齿轮处于塑性状态时，对渗碳齿轮内部组织影响不大，当渗碳齿轮冷却至马氏体开始转变点以下，会产生组织内应力，将影响热处理质量，如使淬火渗碳齿轮产生很大的变形和开裂。因此，在马氏体组织转变区域需要缓冷。

因而正确的淬火冷却规范（冷却曲线）应该是在渗碳齿轮的奥氏体最不稳定的区域（临界冷却区域）以较快的冷却速度（大于临界冷却速度）冷却，而在马氏体组织转变区域（Ms点以下）应以缓慢的冷却速度进行冷却，从而保证淬火后的渗碳齿轮既可获得要求的淬火组织，又消除了因过快速冷却产生的组织内应力，这样的冷却速度称为理想冷却速度。

3.淬火冷却介质特性的影响

传统的渗碳齿轮淬火冷却介质一般为全损耗系统用油，如L-AN32、L-AN46等，其不是渗碳齿轮专用的淬火冷却介质，虽在使用中具有一定的优点，但也存在着很多缺点。如在使用过程中成分不稳定，易老化变质，冷却速度不易控制，使淬火渗碳齿轮表面出现腐蚀现象，表面不光洁，不容易清洗，对环境有污染，特性温度不宜过高，容易造成火灾，变形大等。因此，渗碳齿轮淬火质量不易控制。

为了保证淬火渗碳齿轮的质量，首先，使淬火渗碳齿轮在较高的温度下进入快速冷却阶段，必须使淬火冷却介质的特性温度升高；其次，使淬火后的渗碳齿轮获得要求的淬火组织，又能消除因过快速冷却产生的组织内应力。因此，选用渗碳齿轮专用的淬火冷却介质应具有如下特点：

（1）具有良好的冷却特性，要在过冷奥氏体最不稳定的区域有足够的冷却速度，而在低温马氏体组织转变区域（Ms点以下）要具有缓慢的冷却速度。

（2）要有较宽的适用范围。

（3）淬火冷却介质的成分要稳定，在使用过程中不易老化变质。

（4）对渗碳齿轮表面不腐蚀，淬火后表面要光洁，容易清洗。

（5）环保，无毒，无污染等。

对于渗碳齿轮专用淬火冷却介质的选择，还应根据渗碳齿轮的尺寸规格、材质、结构、技术要求及工况条件进行综合考虑。

4.我厂渗碳齿轮淬火冷却介质选择要求

我厂热处理工件为大中型渗碳齿轮，最大外径1600mm，厚度40～450mm，材质20CrMnTi、20CrMnMo、20Cr2Ni4A等，渗碳层深0.2～2.5mm。由此可知热处理工件主要为中大截面厚度齿轮，为了满足我厂渗碳齿轮淬火质量要求，对渗碳齿轮专用淬火冷却介质选择应为：①冷速适中的快速淬火油，最大冷速为90～100℃/s。②淬火油适用范围要宽，能够满足我厂所有渗碳齿轮的淬火要求。③淬火油要具有较高的特性温度，减少蒸汽膜冷却阶段时间，提高渗碳齿轮在高温阶段的破膜能力，使淬火的渗碳齿轮长时间处在均匀一致的冷却过程，减小因冷却过程不均匀产生的淬火应力，有效控制渗碳齿轮在淬火过程中的变形。选择淬火油的特性温度在670℃以上。④减少由于在低温冷却阶段产生的组织应力而导致淬火渗碳齿轮的变形，选择的淬火油应具有较低的C点（下特性温度）。