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彈簧淬火油技術與應用

彈簧是機器和儀表中的重要零件之一，主要在沖擊、振動或周期性彎曲、扭轉等交變應力下工作，被用于吸收沖擊能，緩和振動和沖擊，或儲存能量，以驅動機件。常用的各種彈簧有圓截面的小彈簧、彈簧圈、閥簧、汽車板簧、拖車彈簧、測力彈簧及耐熱彈簧等等。
彈簧多數都要通過熱處理來實現產品性能要求的。為了提高彈簧的力學性能，對熱軋后大截面（厚度或直徑5-40mm）鋼料（圓鋼、扁鋼等）在熱狀態(tài)下經卷制成后，再進行淬火回火處理；對熱軋后截面較小的鋼料，經退火軟化后，在冷狀態(tài)下卷制成形，再進行淬火回火處理。
在熱處理淬火工藝中，希望通過控制彈簧制品的冷卻速率以得到較高的且均勻的硬度和足夠的淬硬層深度，同時減少變形和防止開裂。為此目的，人們相繼研究和發(fā)展了一系列的淬火介質，以適應機械工業(yè)發(fā)展的需要，其中目前使用較多的仍是淬火油。雖然有不少關于聚合物淬火介質能完全取代油的說法，但實際上由于油獨具的某些特性和在特定條件下的不可替代性，在相當長的一段時間內絕對不可能完全替代。
在當前的彈簧企業(yè)的熱處理生產中，作為淬火介質，據統計淬火油約占60%以上，可見淬火油用量仍占相當大比重。
定期檢查淬火油的特性對控制熱處理工藝及保證彈簧品質起著關鍵作用。然而，整個彈簧行業(yè)大多數企業(yè)對淬火介質的性能缺乏重視，即使投入大量資金改善設備和質量控制手段，卻很少關心淬火介質的狀態(tài)。往往一種淬火油使用很多年，僅用添加新油方法保持其狀態(tài)。不出所料，彈簧制品熱處理生產的質量問題幾乎都與淬火介質有關，并且經常性的重復發(fā)生。對于汽車板簧等有特殊要求的產品來說，淬火介質的性能對熱處理操作的成敗起重要作用。
面對眾多的淬火油品種，如何正確選擇適合自己生產的產品的淬火油和使用、管理好淬火油以獲得穩(wěn)定的彈簧品質是新課題。
1、淬火油的特性
隨著石油工業(yè)的技術發(fā)展，淬火油的發(fā)展也取得了長足進步，彈簧在一定熱處理過程中，理想的淬火油應當具有如下的特性。
①合理的冷卻速度分布，力求在達到最大硬化特性的同時，將彈簧制品潛在的變形和開裂降至最低；
②在鋼鐵彈簧上油渣形成量最小，油渣沉淀最低；
  ③盡可能低的粘度使彈簧制品表面帶出油量的損失降低；
④盡量避免在受熱處理過程中產生酸性物質，防止鋼鐵彈簧表面變色；
⑤不含并且在受熱過程中不產生對人體健康和環(huán)境有害的物質；
⑥廢油易于回收處理。
淬火油的功能是將赤熱的鋼鐵彈簧的熱量迅速帶走，使之降至馬氏體轉變溫度以下，獲得高硬度的馬氏體組織和硬化層深度，同時亦要兼顧減少彈簧的變形和防止開裂。因此，淬火油的基本特性就是“冷卻特性”，其特點就是高溫階段的冷卻速度較快；而在低溫階段冷卻速度較慢，這一特性很適合彈簧制品的淬火要求。
2、淬火油的選擇
目前實際生產中使用的淬火油可分為一般淬火油和專用淬火油。一般淬火油較多采用全系統損耗用油，以“L-AN+數字”表示，數字表示有的黏度值，有時用簡稱：“N+數字”表示，如N32等。此外，也有采用輕柴油等其他油。而專用淬火油是選用經多次精煉的基礎油，加上特殊的復合添加劑所組成的淬火油。
彈簧生產企業(yè)大多數采用的是專用淬火油，包括普通淬火油、快速淬火油、等溫淬火油和分級淬火油。它的熱穩(wěn)定性都較好，能更好地保證彈簧制品的淬火質量。當然，還必須考慮綜合如下四個方面的因素。
2、1鋼的臨界冷卻速度
連續(xù)冷卻時，過冷奧氏體轉變發(fā)生突變的冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。鋼淬火得到馬氏體的臨界冷速稱為馬氏體臨界冷卻速度，也就是鋼在淬火時為抑制馬氏體轉變所需的最小冷卻速度。臨界冷卻速度的近似計算公式如下：
（℃/s）…………………（1）
式中  A1-----臨界溫度（平衡時）（℃）；
      Tm----等溫轉變曲線與切線相切處的溫度（℃）；
      Tm----奧氏體最小穩(wěn)定化的時間。
彈簧鋼淬火時冷卻速度必須躲過TTT圖（過冷奧氏體等溫冷卻轉變圖）和CCT圖（過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變圖）上的“鼻子尖”部，所選擇的淬火油的冷卻速度能達到或高于臨界冷卻速度。
2、2鋼的淬透性
淬透性又稱可淬性，以在規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布來表征的材料特性。它是鋼材本身所有的屬性。
對于彈簧制品來說，對鋼種的要求是保證含碳量0.50%-0.75%，對Mn元素則≥0.50%。碳和錳元素都是影響淬透性的元素。由于國產鋼種的淬透性帶較寬，應以淬透性最低的條件為準選擇淬火油的冷卻速度。
選擇快速淬火油主要用于合金結構鋼以及較小厚度或直徑的碳素鋼彈簧。彈簧企業(yè)都希望每臺熱處理爐可以處理比較多規(guī)格的彈簧。因此，多傾向于選用適應范圍更廣的淬火油。
2、3彈簧淬火的有效截面積大小
截面積越大的彈簧需選擇冷卻速度越大且對流階段開始溫度較低的淬火油，以保證彈簧制品的淬硬層深度和心部硬度；反之，厚度或直徑較小的彈簧為減少變形和防止開裂宜選擇對流開始溫度稍高，冷卻速度較慢些的淬火油。
快速淬火油（如KR118、KR128）的蒸氣膜階段短，也就是油的高溫階段冷卻得快，這一特點有利于65Mn厚度或直徑12-20mm彈簧;而對于60Si2Mn鋼則減薄為厚度或直徑10-16mm彈簧，才能保證心部硬度與表面硬度有較小的差異。從冷卻速度分布分析，除中、高溫階段要求冷卻得快以外，油的低溫冷卻速度高低對獲得淬硬層作用更大，低溫冷卻速度較越高，淬硬層往往越深。這對于彈簧整個截面均勻承受載荷的要求，至少心部約95% 獲得馬氏體組織時，十分有利。
2、4淬火油的冷卻特性曲線
每一種淬火油都具有較穩(wěn)定的冷卻特性，所測定的冷卻特性曲線就是選擇淬火油的重要依據。在具體針對彈簧制品某種鋼（或幾種鋼）選擇淬火油時，應選用TVP溫度高于700℃，最大冷卻速度對應的溫度在600℃左右。
如KR118、KR128快速淬火油的TVP溫度則高于720℃，最大冷速在615℃左右。據介紹是當前冷卻速度最高的礦物油基淬火介質之一，可以滿足較大厚度或直徑的合金結構鋼及低淬透性碳素鋼淬火需要，獲得高而均勻的表面硬度和足夠的淬硬層深度，且保持長期穩(wěn)定的冷卻特性，是使用壽命較長的品種之一。
3、淬火油的基礎油和添加劑
3．1基礎油
基礎油是淬火油最主要的成分，按淬火油質量百分含量計算，基礎油占淬火油配方的95%以上。因此，基礎油的質量優(yōu)劣直接影響淬火油性能、使用壽命、人體健康和環(huán)境保護等。
基礎油分為五類（見表1），其中：Ⅰ類為溶劑精制基礎油；Ⅱ類和Ⅲ類為加氫制取基礎油，具體工藝包括加氫裂解和加氫異構化等，通過現代加氫技術生產的Ⅱ類和Ⅲ類基礎油幾乎無色，所含雜質極低；Ⅳ類為PAO基礎油，即聚a-烯烴；Ⅴ類包含不能包括在Ⅰ類～Ⅳ類中的其他基礎油。
表1               基礎油分類
種類硫含量 /PPm飽和烴含量粘度指數
Ⅰ類基礎油300～300065%～85%95～105
Ⅱ類基礎油5～30093%～99%95～118
Ⅲ類基礎油0～3095%～99%123～150
Ⅳ類基礎油＜1≥99%120～130
Ⅴ類基礎油無≥99%125～150

 
快速淬火油一般選用加氫基礎油，具有如下優(yōu)點：
①加氫裂化的基礎油其芳烴含量特別低。在天然的潤滑油餾分中芳烴是反應性最強的物質，芳烴的氧化將引發(fā)鏈反應。因此，芳烴含量高通常引起低閃點和高的成渣性。成渣將降低熱交換效應，轉而可能引起彈簧制品淬火硬化不足。油泥的增加，在淬火時使用的冷油在熱交換時將降低油的流動性。
②加氫裂化的基礎油純度高。例如：僅含很少量的雜原子（如硫、氮和氯等），這樣淬火油不會污染彈簧制品。高質量石臘基礎油將使彈簧制品呈亮灰色，但如果基礎油中硫成分較高將會使彈簧制品呈現不可接受的黑色污斑，尤其是真空淬火彈簧制品表面更不允許油中酸性組分、殘?zhí)己退莸仁逛撹F彈簧制品著色的重要因素存在。
③加氫裂化基礎油將油中大分子破裂成小分子，化學穩(wěn)定性高，抗氧化和熱穩(wěn)定性高，可使淬火油在保持長時間使用情況下，性能指標始終保持在合格范圍內。
④加氫裂化可改善有品色調，去除臭味，改進紫外線穩(wěn)定性，去除瀝青及其他致癌物。因此，快速淬火油“像水一樣的油”不僅有益于環(huán)境保護，更有利于長期在熱處理機一線操作者的身體健康。
3．2添加劑
如果不利用現代添加劑技術，淬火油的基礎油即使性能再好也滿足不了熱處理機工藝對淬火的全部要求。這其中包括合理的冷速分布、使用壽命要求以及安全要求等。添加劑是某類化學物質，對淬火油而言可提升其某些已有性能，消除不需要的性能。添加劑之間的某些相互間作用可導致協同效應，采用某些多功能添加劑可減曬添加劑相互間干擾的可能性。
通常淬火油性能變差并非全部是添加劑消耗或降解的結果，也可能是由于頻繁使用或維護不當使基礎油本身發(fā)生老化等。次時，加入添加劑即使短時間部分恢復了使用性能，也可能只是短時的“治標不治本”。另外，如果對淬火油原使用添加劑情況不了解，就更不應該貿然行事。即使是確實需要加入添加劑時，也最好請原供應商根據產品特點和實際需要來解決?？傊?，精心設計和優(yōu)化的添加劑系統，可大大改善和提高淬火油使用性能，但優(yōu)異的、高使用性能的淬火油配方，亦需要高品質的基礎油。
①抗氧劑
抗氧劑分為主抗氧劑（自由基清除劑）和副抗氧劑（過氧化物分解劑）。自由基清除劑在鏈成長過程和活性自由基反應中能成功地與淬火油分子競爭，優(yōu)先與自由基氧化產物反應，生成穩(wěn)定的自由基，這些穩(wěn)定的自由基可終止自動氧化過程的發(fā)展。過氧化物分解劑將過氧化物轉變成非自由基產物，因而也就能制止鏈增長反應，從而可最大程度延緩淬火油的氧化。
常用的抗氧劑有酚類（2.6--二叔丁基對甲酚）、芬香胺（烷基化二苯基胺）抗氧劑以及含硫和磷的各類化合物，如：二硫代磷酸鋅、三烷基亞磷酸鹽等。胺類和酚類抗劑混合使用能產生協同效應。酚類抗氧劑（自由基清除劑）和亞磷酸鹽（過氧化物分解劑）相互組合使用能起協同作用，也被認為是高效抗氧劑，特別適用加氫處理的基礎油。
②增速劑（致冷劑）
彈簧淬火時，尤其是相對硬化能力較弱的碳素鋼會出現珠光體，導致出現不可接受的低硬度。因此，在淬火時為避免出現珠光體轉變，用一般的普通淬火油就很難滿足要求，這就需要在油中加入多種增加冷卻速度的添加劑。
在油中加入增速劑提高了油在鋼中的濕潤性，而淬火冷卻速度隨淬火油的濕潤性提高而提高。液體在固體表面鋪展開的性能即為濕潤性，而其濕潤性程度的量度即為接觸角。若固體是親液的則液體的α＜90℃，固體憎液則α＞90℃。
增速劑對提高彈簧淬火油冷卻速度有著顯著效果。首先是提高了基礎油的濕潤性，這個效果的大小由加入的添加劑或添加劑的組合和濃度所決定。同時，添加劑也可影響淬火油的其他性能，如成渣、著色等。這是因為添加劑的作用原理是提高了油在鋼表面的濕潤性。在使用過程中由于淬火油不斷地與熾熱的彈簧制品接觸，所以淬火油中的添加劑將有可能會降解或減少。因此，要隨時監(jiān)測淬火油在使用過程中的變化。
③光亮劑
光亮的彈簧制品淬火油冷后仍能保持光亮表面。這種淬火油稱為光亮淬火油。但要保證彈簧制品表面光亮，必須要保證彈簧制品表面在熱處理加熱過程中表面不氧化、不脫碳且無污染。因此，光亮淬火油一般被使用在有可控氣氛、或真空加熱條件下的淬火。
除此以外，淬火油基礎油不被污染。油中酸值、殘?zhí)己退莸榷际鞘箯椈芍破繁砻嬷闹匾蛩?，應使之降至最低。這樣在淬火油中加入光亮劑，彈簧制品熱處理后，方能取得滿意的光亮效果。
淬火油光亮劑通常具有潔凈（除垢）和分散作用，能使淬火油中不溶性燃燒產物處于懸浮狀態(tài)，還能預防氧化產物富聚成固體顆粒。添加劑中起分散作用的物質將固體污垢物封裹形成膠態(tài)分子團，預防煙垢粒子粘附在鋼鐵彈簧制品表面上以及富聚成大粒子，從而達到清除鋼鐵表面污垢物，達到光亮淬火目的。
4、淬火油的使用與維護
4．1淬火油的使用
①首先應根據標準、技術條件對淬火油的物理化學性能如運動粘度、閃點、水份、酸值等以及相互穩(wěn)定的其他指標進行驗收。
②對淬火油所要求的冷卻特性如特性溫度假、特性時間等，或直接要求提供冷卻曲線進行驗收。
③外觀檢查：加氫基礎油其外觀均無色透明。因此，用此類基礎油制造的淬火油，加之優(yōu)異的添加劑，那么熱處理淬火油應該無懸扶、無沉淀，油色應該清澈透明。淬火油外觀不單單是為了好看而已，它至少也可部分地板說明淬火油基礎油的質量，所使用的添加劑的質量，這也為淬火油在驗收時提供了簡便可行的考核方法。
4．2淬火油的維護
為了保證淬火油在生產中能長期穩(wěn)定使用，對淬火油及其冷卻系統均應進行嚴格的檢查和良好的維護。對使用中的淬火油除了要定期地按要求進行物理化學性能、冷卻性能檢查外，對冷卻系統的維護也是不可缺少的。由于淬火冷卻系統在設計、形狀、大小以及淬火方法均可有較大變化，很難對淬火冷卻系統建立起標準程序。但一些大型淬火爐典型的維護方法還是可以根據企業(yè)自身生產和管理的情況參照選擇執(zhí)行。
①每天工作：檢查淬火槽的油液位線；檢查淬火油的使用溫度；檢查淬火油的油泵及流動情況。
②每周工作：在生產過程中檢查淬火油流速；檢查有溫控制儀表及控制裝置。
③每月工作：排干淬火油，清除沉渣。
④每年工作：檢查油冷卻系統管道及泵：需要時更換油過濾器：檢查儲存槽中沉渣、水泄露和總體狀況；檢查油的污染情況。
對以上檢查均應作好記錄，記錄包括日期、檢查項目、問題及采取措施等。
5、結束語
淬火油的冷卻特性對彈簧制品淬火質量影響至關重要。對彈簧企業(yè)應建立一套完整的淬火油管理制度，完善和保持淬火油槽有良好的攪拌、加熱和冷卻系統，以保證淬火油處于工藝控制狀態(tài)。根據熱處理產量多少，每半年或一年清理油槽一次，過濾油污，清洗槽底的殘渣雜物，及時補充新油。
淬火油技術的發(fā)展和應用的發(fā)展還需要產品供應商和彈簧制品熱處理工作者的共同努力去完成，才能保證彈簧制品的品質。
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