淬火冷却介质在航空工业的运用

摘要：介绍了航空工业常用淬火冷却介质的种类，机械油和自来水正逐渐被专业淬火冷却介质所替代。同时对航空工业使用的淬火冷却介质相关标准进行解读和分析。

关键词：航空工业；淬火冷却介质，淬火油；标准；HB5415

淬火冷却介质作为一种工艺材料，是冷却路径控制的重要媒介，可使材料获得期望的组织和性能，赋予材料极限服役性能。近年来，我国航空工业取得了较大的技术进步，但在热处理领域同样存在的“重热轻冷”的现象，即重视加热装备和工艺而轻视淬火冷却的重要性。淬火冷却介质的种类有很多，根据其特性可分为两大类，第一类是发生物态变化的，第二类是不发生物态变化的。第一类常见的有水、盐或碱水溶液、高分子聚合物水溶液、乳化液（浆状液）、淬火油等；第二类常见的有盐浴、碱浴、金属浴、气体、金属板等。随着材料热处理以及化学工业的发展，各工业发达国家相继研究和发展了各种类型的一系列新型的淬火冷却介质，以适应制造业发展的需要，并且对各种淬火的冷却特性及其物理、化学性能以及评价性能的装置和方法等方面逐步进行了比较系统的研究，有的已形成体系和规范。

1淬火油的应用

淬火油存在植物油基和矿物油基两种，因植物油稳定性差，在航空工业中早已被矿物油基所代替。我国从20世纪70年代以后，逐步开始对矿物基淬火油进行研究，参考先进工业国家在淬火冷却方面所做的工作，经过长时间的探索，基本填补了专用淬火油的空白。我国现有的热处理专用油主要有快速淬火油、光亮淬火油、快速光亮淬火油、真空淬火油、等温分级淬火油等多系列专用淬火油[1]。1.1机械油的应用。我国航空工业的部分热处理车间，仍在采用N15和N32全损耗系统用油（以下简称“机械油”）作为淬火油。机械油主要用于机器润滑，不是热处理专用淬火油，在其他行业已基本淘汰。按照JB/T6955—2008《热处理常用淬火介质技术要求》，表1摘取了N32、快速淬火油不同油温下的冷却特性。从表1中对比发现，N32的冷却性能远远低于快速淬火油的冷却性能，在热处理实际生产中，冷却能力差会对产品带来较为严重的影响，特别是对于有一定尺寸效应的产品，影响更为明显。机械油的使用在一定程度上限制了热处理产品质量水平的提升。经过实践证明，使用专业淬火油，在实际生产中对于提高产品质量具有较为明显的效果，因此采用专业淬火油取代机械油是必然趋势。近年来，越来越多的航空企业进行技改和工厂搬迁，逐渐将专业油品引入到生产实际中，代替传统的机械油。金城南京机电液压工程研究中心从2003年起将快速淬火油引入多用炉生产线中，至今已稳定生产十多年，相对于原来所使用的机械油，工件表面硬度更为均匀，硬度值同比更高，处理产品的有效淬硬层深也有所提高；同时，油品长时间使用仍维持了工艺的稳定性，得到了广泛认同。洪都航空工业集团、中航西安航空制动科技有限公司、鹰普航空铸件（无锡）有限公司、中国航发中传机械有限公司等企业，在设备革新及工艺改进过程中，逐步采用专业淬火油取代传统的淬火油，为整个航空工业的质量提升提供了基本的参考依据[1]。1.2真空油的应用。目前，真空油淬是真空热处理的主要工艺之一，国内主要航空企业都在大量使用，如沈飞、西飞、成飞、洪都等航空企业。真空油淬技术发展过程中曾遇到的技术难点是真空油淬增碳问题。20世纪70年代，我们的试验研究表明，真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能下降。近30年，国内已解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术问题[2]。淬火油受热分解形成的活性碳原子，主要发生在蒸汽膜阶段，淬火温度越高越容易渗入，使工件表面形成增碳层；同时钢在真空高温加热时其表面被活化，加热室真空度越高表面活化程度越高，越容易出现增碳现象。为防止该现象的产生，应选择具有高饱和蒸汽压的真空淬火油并改进热处理工艺。例如，高速钢真空油淬可能在工件表面形成30~40μm的增碳白层，如图1所示。为防止增碳现象，可选择合适的加热真空度，采取先充气后入油或气-油两段冷却法等措施进行改善[2]。

2水溶性淬火冷却介质及其他介质的应用

水及水溶性淬火冷却介质的应用在航空工业中也很广泛，水溶性淬火冷却介质一般分为盐碱类水溶性淬火冷却介质和聚合物类水溶性淬火冷却介质。盐碱类水溶性淬火冷却介质以NaCl和CaCl2水溶液最为常见，在航空企业中应用也很多，例如一些厚大碳素钢工件都在采用水淬油冷工艺。聚合物水溶性淬火冷却介质种类也很多，常见的有聚二醇（PAG）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酸钠（ACR）等，这些介质通过改变浓度、温度和搅拌方式能使其冷却能力在很大范围内变化，具有介于水和油之间的冷却能力，如图2所示。a）PAG固溶b）自来水固溶图22A12板材采用PAG和自来水淬火变形对比聚合物水溶性淬火冷却介质以PAG类应用最为广泛，在汽车、工程机械等行业应用非常普遍，PAG淬火液已经成熟替代水淬油冷工艺，在保证不开裂的情况下具有更深的淬硬层。但因航空工业小批量、多品种的生产特点，传统上多采用盐浴炉加热，限制了PAG淬火液的推广。但随着盐浴炉被底装料等设备取代，PAG淬火液也逐渐应用于黑色金属。PAG淬火液还有少部分企业应用于铝合金固溶，例如成飞、西飞和商飞。PAG淬火液可有效减小铝合金变形50%以上，国外应用比较普及，具有成熟应用工艺和标准体系[3，4]。虽然聚合物淬火剂价格比水贵，但由于能减少变形，因此可减少矫正工时，降低产品报废率，使总成本大幅度降低。例如波音公司采用聚合物溶液淬火，几乎消除了淬火畸变，一年总共节省的矫正费用超过60万美元[3]。航空工业中熔盐、熔碱、铅浴也有一定应用，其中熔盐应用最为常见，主要用于马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火及“索氏体淬火”。这些淬火冷却介质没有物态变化，根据产品的某些特殊技术需求，还很难被其他淬火冷却介质所替代。

3航空行业使用相关标准分析

目前，淬火油的国家及行业标准主要有GB/T7631.14、GJB509B、SH/T0564、HB5415、JB/T6955、JB/T13026、JB/T13347、TB/T2748等，航空工业中主要采用GJB509B与HB5415两个标准，其淬火油的分类存在明显的差异甚至矛盾，淬火油黏度分类对比见表2。基于航空行业标准体系的问题，北京航空材料研究院佟小军研究员从2015年起组织对HB5354、HB5415进行修订，笔者有幸参与淬火冷却介质相关内容的修订工作，推进对GJB509B和HB5415标准中不科学和相互矛盾的技术内容进行完善。全损耗系统用油行业通俗上称为普通淬火油，也就是常用的N15和N32（机械油），但普通淬火油的称呼并不规范。HB5415和GJB509B中也称为普通淬火油，其中GJB509B将N15和N32整合在一起，不利于油品选型和规范使用。超速淬火油在HB5415没有列出，统一归属在快速淬火油中。随着行业发展，超速淬火油的应用越来越广泛，可作为独立的类型，其中GJB509B也已经规定了超速淬火油作为独立的油品类型。超速淬火油主要应用于低淬透性的碳素结构钢或淬硬层要求高的产品，其典型的特点是黏度低，低温冷速快。GJB509B规定的黏度为13~21mm2/s，但实际行业中常见的超速淬火油的黏度一般在8~13mm2/s，其指标要求不合理。建议参照SH0564修订，黏度≤17mm2/s。快速淬火油的黏度不同标准差异较大，GJB509B规定为21~29mm2/s，HB5415为≤20mm2/s，行业中快速淬火油的黏度一般在12~25mm2/s，GJB509B的指标要求不合理，不利于油品选型。建议快速油黏度指标参照SH0564和JB/T6955，规定为≤26mm2/s。快速光亮淬火油是一种常见的淬火油类型，适用于气氛保护状态下工件淬火。GJB509B中黏度规定为35~44mm2/s，HB5415中规定≤38mm2/s。市场上常见的光亮油黏度一般在15~35mm2/s，GJB509B的黏度规定不合理，实际指导意义不大。因此，建议快速光亮油黏度指标参照HB5415、SH0564和JB/T6955，规定为≤38mm2/s。光亮淬火油适用于对产品光亮性要求较高的工况，目前在汽车工业碳氮共渗等领域有一定的应用，但在GJB509B并没有规定该类型。随着行业的发展及需求的多样化，光亮淬火油有其特定的应用领域，应保留该类型，参照HB5415、JB/T6955规定的相关指标。HB5415中规定了两种光亮淬火油，黏度分别为≤18mm2/s、≤38mm2/s，但实际的工程指导意义不大，建议按JB/T6955相关指标执行。真空淬火油在航空企业应用比较广泛，仍沿用原来的方式分类快速真空淬火油和真空淬火油。但HB5415中黏度测试采用50℃，并无实际工程意义，且不利于不同类型油品的横向对比。因此，按同GJB509B、SH0564和JB/T6955一样采用40℃检测黏度。HB5415中真空油的黏度在25~50mm2/s（50℃）存在空白，同样GJB509B在黏度30~35mm2/s（40℃）存在空白，但行业中均存在上述真空油，HB5415和GJB509B均存在不足。因此，快速真空淬火油和真空淬火油的黏度指标借鉴JB/T6955和SH0564执行。建议修订快速真空淬火油黏度20~35mm2/s，真空淬火油黏度35~70mm2/s。等温（分级）淬火油不同标准的称呼不同，目前行业上均称呼为等温分级淬火油。GJB509B称为低温分级淬火油和高温分级淬火油，SH0564称为1号等温分级淬火油和2号等温分级淬火油，而HB5415中没有规定等温（分级）淬火油。为了统一称呼，且易于在行业中达成共识，建议执行JB/T6955中的规定，分别为快速等温（分级）淬火油和等温（分级）淬火油。快速等温（分级）淬火油黏度为40~70mm2/s，等温（分级）淬火油黏度为＞70mm2/s。HB5415冷却特性测试采用的是银探头标准，GJB509B采用镍合金探头，因银探头和镍合金探头是两个独立的标准体系，相互之间的数据没有线性关系或换算关系。镍合金探头评价的方法与银探头有很大区别，银探头通过特性温度和特性秒来评价，而镍合金探头标准主要通过上特性温度、最大冷速、下特性温度来评价。目前，国内绝大部分为镍合金探头标准，为了便于贯彻实施，建议冷却特性测定采用GB/T30823镍合金探头标准。

4结束语

航空工业属于高端装备制造业，目前我国仍部分采用传统的淬火冷却介质，如机械油和自来水等，新型淬火冷却介质的应用和普及程度同其他工业领域有一定差距。同时航空工业使用的淬火冷却介质相关标准体系也不完善，存在诸多不科学和相互矛盾的问题，亟需进行标准的修订，以推进航空工业高质量发展。

参考文献：

[1]郄小龙，谭砚，金军兵.专业淬火油与全损耗系统用油冷却性能对比[J].金属加工（热加工），2012（2）：167-169.

[2]王广生.航空热处理技术改造[J].热处理技术与装备，2007，28（2）：1-10.

[3]吴瑞豪，冯敏.B-757飞机铝合金零件聚合物淬火[J].金属热处理，2001（1）：48-50.

[4]史春玲，李海琴.铝合金淬火使用聚合物淬火剂的应用研究[J].材料工程，2010（1）：5-8.

作者:左永平 权纯逸 单位:1.南京科润工业介质股份有限公司 2.沈阳飞机工业（集团）有限公司