淬火介質在航空工業的應用
2021-05-10左永平 權純逸
摘 要：本文介紹了航空工業常用淬火介質的種類，機械油和自來水正逐漸被專業淬火介質所替代。同時對航空工業使用的淬火介質相關標準進行解讀和分析。
關鍵詞：航空工業；淬火介質，淬火油；標準；HB5415
淬火介質作為一種工藝材料，是冷卻路徑控制的重要媒介，使材料獲得期望的組織和性能，賦予材料極限服役性能。近年來我國航空工業取得了較大的技術進步，但在熱處理領域同樣存在的”重熱輕冷“的現象，即重視加熱裝備和工藝而輕視淬火冷卻的重要性。
淬火介質的種類有很多，根據其特性可分為兩大類，類是發生物態變化的，第二類是不發生物態變化的。類常見的有水、鹽或堿水溶液、高分子聚合物水溶液、乳化液(漿狀液）、淬火油等；第二類常見的有鹽浴、堿浴、金屬浴、氣體、金屬板等。隨著材料熱處理以及化學工業的發展，各工業發達國家相繼研究和發展了各種類型的一系列新型的淬火介質，以適應制造業發展的需要，并且對各種淬火的冷卻特性及其物理、化學性能以及評價性能的裝置和方法等方面逐步進行了比較系統的研究，有的已形成體系和規范。
01 淬火油的應用
淬火油存在植物油基和礦物油基兩種，因植物油穩定性差，在航空工業中也早已被礦物油基所代替。我國從上世紀70年代以后，逐步開始對礦物基淬火油進行研究，參考先進工業國家在淬火冷卻方面所做的工作，經過長時間的探索，基本填補了專用淬火油的空白。我國現有的熱處理專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、等溫分級淬火油等多系列專用淬火油[1]。
●機械油的應用
我國航空工業的部分熱處理車間，仍在采用N15和N32全損耗系統用油（機械油）做為淬火油。機械油主要用于機器潤滑，不是熱處理專用淬火油，在其它行業已基本淘汰。按照JB/T6955-2008《熱處理常用淬火介質 技術要求》，表一摘取了N32、快速淬火油不同油溫下的冷卻特性：
從表一中對比發現，N32的冷卻性能遠遠低于快速淬火油的冷卻性能，在熱處理實際生產中，冷卻能力差會對產品的帶來較為嚴重的影響，特別是對于有一定尺寸效應的產品，影響更為明顯。
機械油的使用在一定程度上限制了熱處理產品水平的提升，經過實踐證明使用專業淬火油在實際生產中的效果，對于提高產品質量具有較為明顯的效果，采用專業淬火油取代機械油是必然趨勢。
近年來，越來越多的航空企業進行技改和工廠搬遷，逐漸將專業油品引人到生產實際中，代替傳統的機械油。金城南京機電液壓工程研究中心至03年起將快速淬火油引入多用爐生產線中，至今已穩定生產十多年，相對與原來所使用的機械油，工件表面硬度更為均勻，硬度值同比更高，同時處理產品的有效淬硬層深也有所提高；同時，油品的穩定作用、長時間使用仍維持了工藝的穩定性，得到了廣泛認同。洪都航空工業集團、中航西安航空制動科技有限公司、鷹普航空鑄件（無錫）有限公司、中國航發中傳機械有限公司等企業，在設備革新及工藝改進過程中，逐步采用專業淬火油取代傳統的淬火油，為整個航空工業的質量提升提供了基本的參考依據。[1]
●真空油的應用
真空油淬是目前真空熱處理的主要工藝之一，目前國內主要航空企業都在大量使用，如沈飛、西飛、成飛、洪都等航空企業。真空油淬技術發展過程中曾遇到的技術難點是真空油淬增碳問題。上世紀七十年代我們的試驗研究表明，真空油淬可能產生增碳，使疲勞性能下降，近三十年解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技術關鍵[2]。
淬火油受熱分解會形成的活性碳原子，主要發生在蒸汽膜階段，淬火溫度越高越容易滲入，使工件表面形成增碳層；同時鋼在真空高溫加熱時其表面被活化，加熱室真空度越高表面活化程度越高，越容易出現增碳現象。為防止該現象的產生，應選擇具有高飽和蒸汽壓的真空淬火油和改進熱處理工藝。例如，高速鋼真空油淬可能在工件表面形成30~40μm的增碳白層，為防止增碳現象，可選擇合適的加熱真空度，采取先充氣后入油或氣—油兩段冷卻法等措施進行改善[2]。
圖1 某模具材料真空油淬增碳現象
02 水溶性淬火介質及其它淬火油介質的應用
水及水溶性淬火介質的應用在航空工業?也很廣泛，水溶性淬火介質一般分為鹽堿類水溶性淬火介質和聚合物類水溶性淬火介質。鹽堿類水溶性淬火介質以NaCl和CaCl2水溶液Z為常見，在航空企業中應用也很多，例如一些厚大碳素鋼工件都在采用水淬油冷工藝。聚合物水溶性淬火介質種類也很多，常見的有聚二醇 (PAG)、聚乙烯醇 (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮 (PVP)、聚丙烯酸鈉 (ACR)等，這些介質通過改變濃度、溫度和攪拌方式能使其冷卻能力在很大范圍內變化，具有介于水和油之間的冷卻能力。
聚合物水溶性淬火介質以PAG 類應用Z為廣泛，在汽車、工程機械等行業應用非常普遍，PAG淬火液已經成熟替代水淬油冷工藝，在保證不開裂的情況下具有更深的淬硬層。但因航空工業小批量多品種的行業特點，傳統多采用鹽浴爐加熱，限制了PAG淬火液的推廣。但隨著鹽爐被底裝料等設備取代，PAG淬火液也逐漸應用于黑色金屬。
PAG淬火液還有少部分企業應用于鋁合金固溶，例如成飛、西飛和商飛。PAG淬火液可有效減小鋁合金變形50%以上，國外應用比較普及，具有成熟應用工藝和標準體系[3,4]。雖然聚合物淬火劑價格比水貴，但由于能減少變形，減少校正工時，降低產品報廢率，使總成本大幅度降低。例如波音公司采用聚合物溶液淬火，幾乎消除了淬火畸變，一年總共節省的校正費用超過60萬美元[3]。
圖2 2A12板材采用PAG和自來水淬火變形對比
航空工業中熔鹽、熔堿、鉛浴也有一定應用，其中熔鹽應用Z為常見，主要用于馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火及“索氏體淬火”。這些淬火介質屬于沒有物態變化的介質，根據產品的某些特殊技術需求，還很難被其它淬火介質所替代。
03 航空行業使用相關標準分析
目前淬火油的國家及行業標準主要有GB/T 7631.14、GJB 509B、SH/T 0564、HB 5415、JB/T 6955、JB/T 13026、JB/T 13347、TB/T 2748等，航空工業中主要采用GJB 509B與HB5415兩個標準，其淬火油的分類存在明顯的差異甚至矛盾，淬火油粘度分類對比如表二所示。
基于航空行業標準體系的問題，北京航空材料研究院佟小軍研究員從2015年起組織對HB 5354、HB 5415進行修訂，筆者有幸參與淬火介質相關內容的修訂工作，推進GJB 509B和HB5415標準中不科學和矛盾的技術內容進行完善。
全損耗系統用油行業通俗上稱為普通淬火油，也就是常用的N15和N32（機械油），但普通淬火油的稱呼并不規范。HB 5415和GJB 509B中也稱為普通淬火油，其中GJB 509B將N15和N32整合在一起，不利于油品選型和規范使用。
超速淬火油在HB 5415沒有列出，統一歸屬在快速淬火油中。隨著行業發展，超速淬火油的應用越來越廣泛，可作為獨立的類型，其中GJB 509B也已經規定了超速淬火油做為獨立的油品類型。超速淬火油主要應用于低淬透性的碳素結構鋼或淬硬層要求高的產品，其典型的特點是粘度低，低溫冷速快。GJB 509B規定的粘度為13－21mm2/s，但實際行業中常見的超速淬火油的粘度一般在8－13mm2/s之間，其指標要求不合理。建議參照SH 0564修訂，粘度≤17mm2/s。
快速淬火油的粘度不同標準差異較大，GJB 509B規定為21－29mm2/s，HB5415為≤20mm2/s，行業中快速淬火油的粘度一般在12－25mm2/s，GJB 509B的指標要求不合理，不利于油品選型。建議快速油粘度指標參照SH 0564和JB/T 6955，規定為≤26mm2/s。
快速光亮淬火油是一種常見的淬火油類型，適用于氣氛保護狀態下工件淬火。GJB 509B中粘度規定為35－44mm2/s，HB 5415中規定≤38mm2/s。市場上常見的光亮油粘度一般在15－35mm2/s，GJB509B的粘度規定不合理，實際指導意義不大。因此，建議快速光亮油粘度指標參照HB5415、SH0564和JB/T 6955，規定為≤38mm2/s。
光亮淬火油適用于對產品光亮性要求較高的工況，目前在汽車工業、軟氮化等領域有一定的應用，但在GJB 509B并沒有規定該類型。隨著行業的發展及需求的多樣化，光亮淬火油有其特定的應用領域，應保留該類型，參照HB 5415、JB/T 6955執行相關指標。HB 5415中規定了兩種光亮淬火油，分別為≤18mm2/s、≤38mm2/s，但實際的工程指導意義不大，建議按JB/T 6955相關指標執行。
真空淬火油在航空企業應用比較廣泛，仍沿用原來的分類方式快速真空淬火油和真空淬火油。但HB 5415中粘度測試采用50℃，并無實際工程意義，且不利于不同類型油品的橫向對比。因此，按同GJB 509B、SH 0564和JB/T 6955一樣采用40℃檢測粘度。HB 5415中真空油的粘度在25-50mm2/s（50℃）存在空白，同樣GJB 509B在粘度30-35mm2/s（40℃）存在空白，但行業中均存在上述真空油，HB 5415和GJB 509B均存在不足。因此，快速真空淬火油和真空淬火油的粘度指標借鑒JB/T 6955和SH 0564執行。建議修訂快速真空淬火油粘度20－35mm2/s，真空淬火油粘度35－70mm2/s。
等溫（分級）淬火油不同標準的稱呼不同，目前行業上均稱呼為等溫分?淬火油。GJB 509B稱為低溫分級淬火油和高溫分級淬火油，SH 0564稱為1號等溫分級淬火油和2號等溫分級淬火油，而HB 5415中沒有規定等溫（分級）淬火油。為了統一稱呼，且易于在行業中達成共識，建議執行JB/T6955中的規定，分別為快速等溫（分級）淬火油和等溫（分級）淬火油。快速等溫（分級）淬火油粘度為40－70mm2/s，等溫（分級）淬火油粘度為＞70mm2/s。
HB 5415冷卻特性測試采用的是銀探頭標準，GJB 509B采用鎳合金探頭，因銀探頭和鎳合金探頭是兩個獨立的標準體系，相互之間的數據沒有線性關系或換算關系。鎳合金探頭評價的方法同銀探頭有很大區別，銀探頭通過特性溫度和特性秒來評價，而鎳合金探頭標準主要通過上特性溫度、Z大冷速、下特性溫度來評價。目前國內絕大部分鎳合金探頭標準，為了便于貫徹實施，建議冷卻特性測定采用GB/T 30823鎳合金探頭標準。
04 小結
航空工業屬于高端裝備制造業，目前我國仍部分采用傳統的淬火介質，如機械油和自來水等，新型淬火介質的應用和普及程度同其它工業領域有一定差距。同時航空工業使用的淬火介質相關標準體系也不完善，存在諸多不科學和矛盾的問題，亟需進行標準的修訂，以推進航空工業高質量發展。
參考文獻：
[1]郄小龍, 譚硯, 金軍兵. 專業淬火油與全損耗系統用油冷卻性能對比，《金屬加工-熱加工》[J]. 2012，2:167-169.
[2]王廣生.航空熱處理技術改造，《熱處理技術與裝備》[J]. 28 (2):1-10
[3]吳瑞豪,馮敏.B-757飛機鋁合金零件聚合物淬火,《金屬熱處理》[J].2001,1:48-50
[4]史春玲,李海琴.鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應用研究,《材料工程》[J].2010,1:5-8
（來源：南京科潤工業介質股份有限公司）