淬火油的设计

~冷却技术~淬火油的设计曾广益(天津市关石石化产品有限公司,天津300112)摘要: 淬火油的设计是为淬火油的使用服务,即淬火油的使用决定淬火油的设计。我国淬火油的设计依据是SH 0564《热处理油》。在具体的使用中,对淬火油提出更进一步的要求是合理的。关键词:淬火油;使用;冷却性能中图分类号:TG154.4文献标识码:A文章编号:1008-1690(2008 )04-0055-006Design of Quenching OilsZENG Guang-yi .(Tianjin Mainstream Petrochemical Products Co. ,Itd. ,Tianjin 300112)Abstract : The design of quenching oils serves their application, that is to say, the design of quenching oils is de-pendent on their application. The quenching oils are designed on the basis of SH0564《Heat treatment oils》 in Chi-na. It is reasonable that higher demands for quenching oils are put forward in practical service.Key Words :quenching oil;use ;cooling characteristics对于淬火油的使用者为什么要研究淬火油的设合物,随时都在变化之中,因此对淬火油的现场监测计呢?是为了更好地管理和使用淬火油。淬火油在和管理就十分重要。淬火油的技术指标很多,有理使用过程中要发生各种变化。淬火实践是一个系统化指标冷却性能指标、抗氧化性能指标、光亮性能工程,它由许多程序组成,又分为许多细节,因此可指标、饱和蒸汽压等。在我国,淬火油的设计依据是以说没有细节就没有管理。研究淬火油的设计就是SH0564《热处理油》。以此为依据,淬火油的使用.要了解和掌握这些细节,把这些细节的变化控制在者可以根据自己的实践将相关的信息反馈给淬火油最小的范围内,以保证产品质量的稳定。通过淬火的生产者,以便生产者制造出更适合自己使用的淬实践,我们可以找出重要指标允许的最大值和最小火油。值,在淬火油设计和管理中加以保证。2淬火油理化指标的含义"1淬火油 的设计依据淬火油的理化指标,如基础油的类别(石蜡基、工件的淬火对淬火油的最基本的要求是淬火油环烷基或中间基) ,运动粘度,开口闪点,水分等可性能的稳定,尤其是淬火油的冷却性能。影响淬火到石油公司去检测。油的冷却性能的因素很多。淬火油使用条件可以说粘度指数:是基础油化学组成的函数。粘度指是最苛刻的。淬火油是一种多组分的高分子有机化数可以作 为一种性能的标志,作为质量控制的尺度。收稿日期:2007-10-10作者简介:曾广益(1941-),男,黑龙江阿城人,高级工程师,主要从事淬火介质的研究。联系电话:022-27531457 13502108605 E-mail: zengguangyi123@ sina. com2001 ,29(4) :38-42.ture and tensile properie of AI-MgSi alys[J]. Seripta Materia[6]韩建德,王常春,闵光辉, 等.铸造A-Si-Cu合金的组织与性能lia,1997 ,36:1089 -1094.[J].铸造技术,2002 ,23(4) :245-247.[9]陈旷,关绍康,胡保健,马 办双级时效工艺对低压[7] Van. P. Mourik, Mitemejer E J. On peipiaition mpidly ;中国煤化工小轻合金加工技术.eldified auminium-ilion lly[J]. Joumal of Malerials Sei-ence. 1983 ,18(9) :2706-2720.MHCN M H G热处理工艺的研究[n].[8] Zhen L, KangS B. The ffete of pre-aging on microstrue-铸造.2006 ,(2):132134.《热处理》2008年第23卷第4期.55.淬火油的粘度指数主要反映淬火油的基础油的类80 C,这样才能保证淬火过程的安全。-般说来,别。石蜡基油的粘度指数一般在90以上,优质环烷粘度高 则闪点高。高闪点和低闪点的油混合时,闪基油为30~50左右,中间基油在这两者之间。点向低闪点方向倾斜得多,这一点在使用混合油调基础油的挥发性与油耗粘度稳定性、氧化安定制淬 火油时,必需特别加以注意。性都有关系。石蜡基油比环烷基油挥发性小，即粘国外淬火油的发展趋势是使用高闪点低粘度的度指数越高,挥发性越小。基础油配制淬火油,最高使用温度应比开口闪点至作为淬火油的基础油应该用石蜡基油。我国大少低 40 ~60 C。庆和玉门的油是低硫石蜡基油。水分:热处理油的基础油在炼制过程中的含水粘度:淬火油的一个重要指标,流动物质的内摩量是很低的,只有几个到十几个ppm(百万分之- -)。擦力的量度叫粘度。粘度值随温度的上升而降低，热处理油中的水，可能来自空气,油调制时混人,冷大多数的润滑油是根据粘度来划分油品牌号的。淬却器漏水， 储运过程等许多方面。工件有光亮性要火油常用的粘度是运动粘度和动力粘度。动力粘度求的淬火油的水分应控制在无(-般小于20x表示液体在一定的剪切应力下流动时内摩擦力的量10-*)。 一般来说,其他淬火油的水分不应大于痕迹度。其值为加于流动液体的剪切应力和剪切速率之(0. 03% )。比。在我国的法定计量单位制中,以帕.秒(Pa.s)油品中有水,会使油品乳化呈浑浊色,有时会生表示,习惯上用的厘泊(cP)为非法定单位, lcP=成沉淀层或乳化层。水分在油中能加速有机酸对金10-3 Pa.s。属的腐蚀作用,还能造成机械设备的锈蚀,容易使油运动粘度表示液体在重力作用下流动时内摩擦中形成沉渣和凝结物。水分的存在会加速油品的老力的量度,其值为相同温度下液体的动力粘度与其化变质,会使油中的添加剂易于失效,使油品流动性密度之比。在我国的法定计量单位制中,以mm2/s变差,低温时甚至结冰,妨碍油品的循环。表示,习惯用的厘斯(cSt)为非法定单位,1 cSt =1水分存在,会引起特性温度下降,降低高温区的mm2/s, 1 m/s=10* cSt。运动粘度的变化反映了淬火油的老化程度。我冷却能力;对流温度下降,提高低温区冷却能力。水分存在，可引起工件畸变,甚至开裂;当温度高到一们用粘度比来表示。定程度时,水分将汽化成汽泡,数量多时会引起淬火粘度比=服役油的粘度/新油的粘度正在服役油的运动粘度(40 C,100 C)与新油油的突然沸腾,甚至着火爆炸。淬火油在搅拌时如有泡沫,则表明淬火油中含有水,应特别关注。运动粘度的比,建议不超过1.3。用烧杯加热淬火油时,如果听到劈啪声,则表示国内淬火油的运动粘度对冷油来说,是15 ~40有少量的水;如果有汽泡(水蒸汽)由底部向上升起，mm2/s(40 C),对热油来说是15 ~ 50 mm'/s( 100则表示有较大数量的水。一般用加热的方法除去淬C)。运动粘度大,则流动性差,降低低温区的冷却火油中的水分:将油加热到100~120C,保温并搅能力,但提高特性温度,增强高温区的冷却能力。运拌数小时到数十小时。动粘度小,则流动性好,提高低温区的冷却能力,但残炭:油品在不通人空气的条件下加热,使其蒸特性温度低,降低高温区的冷却能力。因此,将高粘发、分解和焦化。排出燃烧的气体后,所残存的焦黑度油和低粘度油混合也是调制淬火油的方法之色炭渣残留物，用质量百分数表示。形成残炭的主开口闪点:在标准条件下加热油品,油品的蒸汽要物质是油中的沥青质、胶质、多环芳烃和油中不稳与空气的混合物和明火接触时,开始闪火并立即熄定的化合物。含硫、氧和氮化合物较多时,残炭就灭的温度,称为闪点。淬火油用的是开口闪点,闭口高,因此,油的残炭多少可以说明油品的精制深度，闪点一般比开口闪点低20~30 C。开口闪点可用在热氧化条件下生胶、结焦的程度。- -般来说,在热来判定油品的挥发性。开口闪点低的油,在高温下处理油中加入的添加剂越多,它的残炭就越多。淬蒸发损失多,粘度增大,容易着火。开口闪点是热处火油的残炭，-般控制在0. 1% ~0.7%。理油的一个安全指标。由于淬火油直接与赤热的工3中国煤化工生件接触，与空气接触(非保护气氛淬火),所以,我国. C N M H GH/T0219《热处理目前热处理油的最高使用温度应比开口闪点至少低油热氧 化安定性测定法》。该方法的要点是:在300.●56.《热处理》2008年第23卷第4期ml的油样中,放入铜丝和铁丝作触媒,向试样通入干拌力度足够时，蒸汽膜的强度下降,P燕汽膜就减小,蒸燥的空气10 Vh,在165 C连续氧化24h后,按下述汽膜就破裂, 而进入第二个冷却阶段。工件在油中定义求出粘度比和残炭增加值。淬火时,下部的压力比上部大,对于长形工件更明粘度比=氧化后粘度/氧化前粘度显,因此蒸汽膜首先从底部破裂(P液柱比较大)。另残炭增加值=氧化后残炭/氧化前残炭--方面,底部接触的是比较冷的油,而上部接触的是一般来说,热处理油的粘度比和残炭增加值出下面各层已加热的油,因此上部的油温高些。工件厂时都控制在1.5以下。的温度较低,则P燕汽膜就会下降,因此蒸汽膜容易破4淬火油冷却性 能裂。另外,加热了的油向上运动时,构成了对工件底目前,我国有二个测试标准, SH/T0220和JB/部的搅拌,加速了底部蒸汽膜的破裂。当油面上的T7951(该标准等效引用ISO 9950)。测试淬火油大压力减小时,如真空淬火油的情况，在负压下淬火，多数用SH/T0220,测试水基淬火介质大多数用ISO会使蒸汽膜不易破裂,延长蒸汽膜时间。反之,在高9950。测试淬火油用ISO9950,显得有些迟钝;测试压下淬火,蒸汽膜时间就会缩短。水基淬火介质用SH/T0220,显得有些过于灵敏。从上述等式可以看到,当P膜表面增大时,则加速淬火油的冷却机制分为三个冷却阶段，参见图1。蒸汽膜的破裂。 这就解释了为什么高粘度油的特性第一阶段为蒸汽膜阶段,即膜沸腾阶段,散热是温度高,因为高粘度油的膜表面的张力大。反之,低困难的。在工件周围形成蒸汽膜,在此阶段的冷却粘度油的特性温度低。缓慢,散热强度取决于蒸汽膜的厚度。热传递是通会下降。当温度升高时,油品的粘度下降,所以特性温度过蒸汽膜靠辐射和传导进行的。这个均匀膜的稳定性和持久性取决于淬火油的基础油、添加剂.淬火油所谓蒸汽膜破裂,不是P蓝气足够大“爆炸”而的温度和搅拌程度。蒸汽膜存在的条件如下印:破裂。当工件温度下降后,P素气腹不足够大时,蒸汽膜被等式右端的压力“压碎" ,而不复存在。工件温P燕汽膜=P大气压+P液柱+P康表面蒸汽膜内的压力至少要等于大气压力、工件上度越高,其蒸汽膜的压力就越大,蒸汽膜就越厚。的液柱压力与膜表面的张力之和。当外界大气压力第二个阶段为核沸腾阶段。工件表面温度达到增加时,能减少蒸汽膜的厚度而使热传导加速。工了临界值,即第一阶段和第二阶段的交点一特性温件浸入液体的深度增加及增加膜表面的张力都会使度时,稳定的膜最终破裂,淬火油润湿赤热金属的表得蒸汽膜容易破裂,而进入第二个冷却阶段。当搅面,直接和金属接触,引起核沸腾和高的脱热效率。80000 ;700 F00600特性温廩A特性温度ρ 500明400B对流开始温度400300上B时流开始温度200100510 1520 220 4050 8000 120时间/s冷却速度/C.s'(a)(b)圄1淬火油冷 却过程的中国煤化工(a)按SH/T0220测试(bCNMHGFig. 1 Three stages of cooling processJYH(a) measured as per SH/T0220(b) measured as per Iso 9950《热处理》2008 年第23卷第4期.57.在此阶段,有许多蒸汽泡生成，热是作为蒸汽潜热而被第三个阶段为对流阶段,即无沸腾阶段。对流移去。当带有大量热量的汽泡逃逸之后,它们的位置热交换的基本条件是工件表面的温度必须降低到淬则被新的较凉液体所代替。在此阶段冷却效果最好,火油的沸点温度以下。冷却最慢的阶段,液体中热传最大冷却速度和最大冷却速度所在温度都在此阶段。导和对流热传递有关。主要取决于液体的比热容、粘到达特性温度的时间称为特性温度秒,简称特度、导热率以及工件和淬火油间的温度差。液体的循温秒。高温区催冷剂的效果主要是提高特性温度,环速度对工件的导热速度有很大的影响。在此阶段,使冷却曲线向左上方移动，这样不仅大幅度地提高.淬火油的粘度是重要的。高粘度基础油的低温区冷了高温区的冷却能力,同时也相应地提高了低温区却能力差,低粘度基础油的低温区冷却能力好。考核的冷却能力。低温区催冷剂的作用是使淬火油的沸低温区冷却能力的指标,主要是特性温度和800 ~ 300点下降，从而拉长沸腾阶段的长度,增强沸腾阶段冷C的冷却时间。特性温度越高,800~300C冷却时却效果。考核高温区冷却能力的指标,主要是特性间越短,则低温区综合冷却能力就越好。当然主要的温度和800~400C的冷却时间。特性温度越高,冷是冷却时间的长短。低温区催冷剂的主要作用就是却时间越短,则高温区冷却能力就越好。按照SH尽量缩短800 ~300 C的冷却时间。一般来说,淬火0564的规定,800~400C的平均冷却速度,普通淬油大致从350 C进人对流阶段,也就是说300 C以后火油应该大于80 C/s, 快速淬火油应大于的冷却就非 常缓慢,这正是油淬的优点。100 C/so,超速淬火油在800 ~ 300 C的平均冷却关于淬火油冷却曲线的判读,请参阅文献[4]。速度应该大于84 C/s。5淬火油设计的要点按照JB/T7951(该标准等效于IS 9950)的规5.1 基础油的选择定,有850~600 C、850 ~400 C和850 ~ 200 C的淬火油是以矿物油为载体,或称为“基础油”,它应冷却时间秒、最大冷却速度、最大冷却速度所在温度该具有符合要求的理化指标冷却性能指标、抗氧化性和300C的冷却速度。850~600C的冷却时间秒、能指标光亮性能指标、饱和蒸汽压等。1987 年,中国最大冷却速度和最大冷却速度所在温度是淬火油高石油化工总公司专门制定了《润滑油基础油规格》(SI-温区冷却能力的指标; 300 C的冷却速度.850 ~ 400NOPEC010-1987)。常用的基础油的运动粘度和闪点如C和850~200C的冷却时间秒是淬火油低温区冷表1所示。真空淬火油的基础油是真空泵油。却能力的指标。表1 HV1 基础油运动粘度和闪点Table 1 Kinetic viscosity and flash point of HV1 basis oil项目75SN150SN350SN400SN_500SN650SN150BS运动粘度40 C13~1528 ~3265-7274-8295 ~ 107120~ 1351 mm2.s '100 C30~33开口闪点/ C ,不小于7520022022523555290粘度指数,不小于00100995)55.2 混合油高了特性温度。这种方法在- -定范围内是有效的, -在使用催冷剂提高淬火油冷却性能之前，曾经广直到现在仍在 使用。混合油的粘度相差越大效果越泛使用混合油来提高淬火油冷却性能,并取得~ -定 的好,但是,又受到淬火油闪点要求的限制。效果。具体的作法是:在低粘度、低闪点的油中掺人作为- -个实例,本文给出10号机械油和68号高粘度高闪点的油。低粘度、低闪点油的低温冷却机械油的混合油的冷却曲线和冷却数据,如表2所性能好,而高粘度高闪点的油高温冷却性能好,即提示。冷却曲线如图2所示。表2混合油 的相关数据Table 2 Data related to mixed oils800-400 C 800-300 C800 -200 C最大冷却最大冷 却速度(40 C )/ mm2.g :, 特性温度/C冷却时间/s冷 却时间/s_冷 却时间/s速度/C.g " I所在温度/C10号机械油9.64409.中国煤化工68号机械油66.556.1YHCNMH G09混合油31.55166.820. 0105. I451_●58.《热处理》2008年第23卷第4期从表2和图2可以看到:所在温度。(1)混合油的冷却曲线在高、低粘度油之间。对于淬火油使用者来说,混合油的意义在于:(2)混合油的最大冷却速度所在温度在高、低(1)当现役油的低温区冷却能力过快,引起工粘度油之间。件畸变过大时,可以加入高粘度油降低低温区的冷(3)调整高、低粘度油的比例即混合油的粘度,却能力。而且高粘度油的加入，还可以提高油的特可以变换冷却曲线、最大冷却速度和最大冷却速度性温度。50-**.7500-00 LiA:10号机械油50-.is0...iBiA和G混合油0--0...+E:68号机械油50--..0050-..450 ..40..40--50..50--Ai10号机械油50”50-0-.so --..B:混合油C68号机械油时间/s20406080100120140140160冷却速度/C●s~图2混合油的冷却 曲线(a)和冷却速度曲线(b) (按SH/T0220测试)Fig.2 Cooling curve (a) and cooling rate cureve (b) ( measured as per SH/T0220 )(2)当现役油的低温区冷却速度过慢、较大工C以上)穿透蒸汽膜吸附在工件的表面,形成沸腾件淬不上火时,可以加入低粘度油,提高低温区冷却核而提前进人核沸腾阶段。能力。低粘度油的加入可能降低特性温度。低温催冷剂主要是一些表面活性剂，作用机制特别提醒,不推荐加人柴油来提高低温区的冷尚不明确,作者提出的--种解释是:低温催冷剂的分却能力，虽然目前仍然有人还在用。柴油的闪点只解温度可能在淬火油沸点以下,分解产生的气泡带有70C,容易引起火灾。走大量的热量,从而提高了低温区的冷却能力。它5.3 添加剂的选择们的作用是缩短了800 ~300 C区间的冷却时间,拉5.3.1催冷剂长沸腾阶段,使对流阶段开始温度下降,提高了最大催冷剂的使用是淬火油发展中的重大进步。催冷却速度。冷剂大致分为两类，低温催冷剂和高温催冷剂。高5.3.2光亮剂温催冷剂主要是具有增粘效果的高分子化合物。曾能够改善热处理工件表面光亮度的化合物称为经用过的有沥青焦油沥青、褐煤焦油、甲基丙烯酸光亮剂。这类添加剂通常具备下面几个主要作用。酯衍生物以及许多增粘剂等。高温催冷剂对提高特一是有较好的浮游分散性,能把氧化后产生的不溶性温度、缩短特温秒作用明显,而且对低温冷却性能解的老化产物和渗碳或保护气氛带来的炭黑悬浮起也有一定的拉动作用,缩短了800 ~400 C(或300来,防止在工件表面上的积聚和沉淀。二是具有良C )区间的冷却时间。好的溶解能力和置换作用,防止油漆膜的生成。三淬火油高温催冷剂的作用机制还不能说清楚，是这类添加剂大部分是极性基较强的大分子聚合但从表面上看,作者认为,可以说是催冷剂提高了工物,极性分子对炭黑和氧化产物表现出很强的吸附件表面液体膜的表面张力,从而使上述等式右面的能力,防止炭黑的聚集,从而达到了光亮的作用。压力大于蒸汽膜的压力,迫使蒸汽膜破裂,从而提高中国煤化工酯,司盘-80,蓖了高温区的冷却能力。最好是无灰的添加剂。关于麻酸盐磷酸酯等。高温催冷剂作用的-般理论认为,催冷剂有较强的5.3.3THCNMHG"极性或吸附性,催冷剂分子能够在高温区(大约600多数高分子化合物都可能与氧反应,导致降解《热处理》2008 年第23卷第4期●59.或交联,尤其是在热加工时,氧化速度更快。高分子回填油使用。 这样既可保证淬火油稳定的性能,又化合物的氧化是- -种游离基链锁反应。抗氧剂可以可解决旧油难以处理的问题。捕捉活性游离基,生成非活性游离基,从而使链锁反产品有用于等温分级淬火油、 回火油、普通淬应中止;或分解氧化过程中产生的过氧化物,生成非火油真空淬火油、快速淬火油、超速淬火油、光亮游离基产物。淬火油、快速光亮淬火油的复合剂。按照作用机制,有抗氧化的游离基抑制剂和过6冷却性能测试仪氧化物分解剂两大类。游离基抑制剂又称为主抗氧建议淬火油的使用者最好购置一台冷 却性能测剂，包括胺类和酚类两大系列。胺类抗氧剂几乎都试仪,用以对现役油时时监控,建立冷却性能的技术是芳香族仲胺的衍生物,它们大多数具有较好的热档案,为淬火油的调整和改造提供理论依据。目前，氧化性能,但是污染较严重,会使油品颜色加深。国内已经有许多版本的冷却性能测试仪,生产厂家酚类抗氧剂主要是受阻酚类,热氧化性能较胺有近二十家。另外,瑞典IVF测试仪在国内也有代类差,但不会使油品颜色加深。过氧化物分解剂，又称为辅助抗氧剂,主要是硫理商。冷却性能测试仪分为两类:-类是仿IVF的;-类是国内开发的在电脑上测试的。电脑版的测试代二丙酸酯等硫代酯和亚磷酸酯。仪,运算功能强大,使用方便,易于维修,很受使用者5.3.4工业 助剂欢迎。由于电脑的普及,电脑版测试仪的价格也比工业助剂多数是表面活性剂，在淬火油的配制较便宜。中起到分散或增溶等作用。上面论述了一些有关淬火油设计的基本知识，5.3.5热处理油 品质改进剂(复合剂)希望能对淬火油的使用和管理有些帮助。对于淬火油的使用者,当使用混合油的方法不能达到所期望的目的时,可以选用热处理油品质改参考文献进剂(复合剂)对淬火油加以改造[)]。采用复合剂比较方便,因为淬火油生产厂巳经把所需的添加剂[1] 卢英才、李芳弟,等.新编润滑油脂实用手册[M].沈阳:辽宁配好了,拿来用就行。热处理油品质改进剂用于新科学技术出版社, 1989:137-153.的淬火油配制和对用过的油改造。由于待加剂油的[2]原谦次郎鉉油0)冷却性能仁及汪岁油溶性高分子添加劑刀具体情况相差很大，所以淬火油生产厂需在售前对影響汇刀以T[J].油化学,1959 ,8(9) :394-397.油品进行检测评估后,才能确定加入添加剂的种类[3] rI. B.彼特拉什.淬火介质[ M].北京:机械工业出版社, 1959:8-9.和数量。一般情况下,复合剂的添加量控制在油量[4]曹广益淬火介质冷却曲线的判读和评价[J].金属热处理，的1/10。199 ,24(3) :3840.采用复合剂大约可节省油价的1/3~1/2。通[5] 曾广益淬火油添加剂的应用[J].金属热处理，1996,21(<6):常的模式是:新油使用- -年或- -年半加剂改造后做10-11.~书讯~热处理手册(热处理学会编著)近年来,中国钢铁制造业等都在迅速发展,为了适应行业发展的需要,中国机械工程学会热处理学会组织近百名专家学者,历经三年,对《热处理手册》这一经典工具 书进行了重新修订和编写,补充了许多新技术,删减了陈旧和过时的内容,保持其实用性、可靠性、科学性和先进性,以满足行业工程技术人员的需要,更好地为行业服务。《热处理手册>(第4版)全书分为四卷,约500多万字,已由机械工业出版社于2008年1月10日在北京正式出版发行,并在北京国际图书展览会期间举行了隆重的发行仪式，全国热处理学会荣誉理事会长樊东黎、学会副理事长兼秘书长徐跃明、机械工业出版社领导,以及热处理企业界代表应邀出席。大家- -致认为新版手册反映了当前我国热处理领域的技术发展水平.对科研和牛产将有重要的指导意义。中国煤化工本手册由机械工业出版社出版,精装16开,邮购单价:384元/套。邮购联系方式:电话:010 -82755375传 真:010 - 62920613MHCNMHG通讯地址:100083北京市907信箱(海淀区)全国热处理学会联系人:荆秀华●60.《热处理》2008 年第23卷第4期