水空交替淬火技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性分析

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 孫曉莉 成強(qiáng)

水空交替淬火技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性分析

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 孫曉莉 成強(qiáng)

隨著節(jié)能環(huán)保工作的大力開(kāi)展，對(duì)熱處理的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的以柴油為淬火介質(zhì)的淬火方法雖然一定程度上能滿(mǎn)足零件的熱處理性能，但是在淬火過(guò)程中油煙很大，產(chǎn)生大量有害氣體嚴(yán)重污染環(huán)境，并危害工人的身體健康和增加了企業(yè)的成本。為此我們結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了水空交替淬火技術(shù)[1,2]，該技術(shù)既能保證熱處理的質(zhì)量，而且實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本有一定的指導(dǎo)意義。

熱處理；水空交替淬火技術(shù)；節(jié)能降本

0 引言

隨著機(jī)械的大型化、復(fù)雜化和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，尤其是在工程機(jī)械領(lǐng)域?qū)崽幚硖岢隽烁叩囊螅S多淬火引發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題采用傳統(tǒng)淬火加回火方法已無(wú)法解決，例如，在工程中遇到的中碳合金鋼件，采用油淬，其力學(xué)性能往往不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且油淬污染環(huán)境和成本高；采用水淬加油淬或水淬加水溶性介質(zhì)冷卻會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能低于要求或出現(xiàn)開(kāi)裂。這類(lèi)低合金鋼大工件既要淬火不開(kāi)裂又要滿(mǎn)足力學(xué)性能的問(wèn)題在世界范圍內(nèi)尚未得到很好地解決，因此迫切需要新技術(shù)的問(wèn)世以滿(mǎn)足需求。

我們結(jié)合上海金泰工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)車(chē)間具體現(xiàn)狀來(lái)分析水空交替淬火技術(shù)的可行性。該公司許多零件都采用了42CrMo，35CrMo，40Cr等中碳合金鋼材料，采用這些中碳合金鋼材料的零件基本上采用柴油冷卻淬火，而且都是大批量，鑒于以上現(xiàn)狀我們從熱處理的質(zhì)量、降本、環(huán)保以及安全等方面考慮，提出“以水代油”淬火方案。所謂“以水代油”淬火實(shí)際指的是水空交替淬火冷卻技術(shù)，該技術(shù)除具有環(huán)境友好與介質(zhì)成本低的特點(diǎn)之外，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)多次水淬和空冷的交替方法緩解了淬火階段產(chǎn)生的相變應(yīng)力，有效地避免了開(kāi)裂傾向，并獲得滿(mǎn)足性能要求的回火馬氏體組織（或中心部位含少量下貝氏體組織），已在企業(yè)得到的應(yīng)用，解決了困擾企業(yè)的難題。

1 水空交替淬火技術(shù)介紹

水空交替淬火技術(shù)其基本原理是在鋼件先經(jīng)奧氏體化后淬火至Ms～M f（Ms表示奧氏體開(kāi)始向馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度線(xiàn)，M f表示奧氏體停止向馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度線(xiàn)）之間的某一溫度，即形成一定數(shù)量的馬氏體和殘余奧氏體，再在該初始淬火溫度或者M(jìn)s 以上某一溫度停留一段時(shí)間，使碳由馬氏體向殘余奧氏體分配，此時(shí)馬氏體中的碳含量下降，奧氏體中的碳含量升高，使殘余奧氏體富碳并能穩(wěn)定至室溫，最后獲得馬氏體加奧氏體復(fù)合組織，從而全面提高鋼材的性能。下面按照該技術(shù)所處理的材料類(lèi)型，對(duì)該技術(shù)應(yīng)用作一介紹。

（1）低碳鋼應(yīng)用

在萊鋼的生產(chǎn)中，利用水空交替淬火技術(shù)，對(duì)Q 235H型鋼實(shí)行了Q-P-T（Quenching-Partition -Tem per淬火-碳分配-回火）處理，使其硬度達(dá)到32HRC，提高了20HRC左右，屈服強(qiáng)度達(dá)到435MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到615MPa，比Q235H型鋼提高200MPa，同時(shí)具有非常好的可焊性（如圖1），使原Q235鋼達(dá)到400MPa級(jí)別，每噸至少增加500元，萊鋼Q235H鋼每年生產(chǎn)250萬(wàn)t，使其增值12.5億元。該技術(shù)可同時(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)Q345 H型鋼。

圖1經(jīng)水空交替淬火技術(shù)處理過(guò)的QPT235和一般Q235焊接接頭拉伸曲線(xiàn)比較

（2）中碳鋼應(yīng)用

該技術(shù)在中碳鋼應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)取得了非常優(yōu)異的效果，如中原特鋼，大連特鋼的大型風(fēng)電軸的淬火，撫順特鋼模具鋼的淬火和二重核電站熱反應(yīng)堆端蓋的淬火處理等生產(chǎn)應(yīng)用中都獲得了認(rèn)可。中原特鋼風(fēng)電軸（材料42CrMo）項(xiàng)目，就是首先通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬擬定水空交替工藝如圖2所示，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定最終工藝，不但節(jié)省了成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料質(zhì)量的提高。實(shí)驗(yàn)證明水空交替代替油淬可行性很好，分別測(cè)定水空交替工藝和油淬過(guò)程的冷卻曲線(xiàn)并進(jìn)行比較如圖3所示。兩者擬合性好，同時(shí)測(cè)得力學(xué)性能比油淬更優(yōu)，淬深更好。目前該技術(shù)正在運(yùn)用到寧波海天集團(tuán)、大連特鋼、新冶特鋼等大型鋼廠(chǎng)和熱處理公司。中原特鋼風(fēng)電軸水空交替代油以后，經(jīng)濟(jì)效益提高的同時(shí)，作業(yè)環(huán)境也有了極大改善，工作安全性有了極大提高。由于大型構(gòu)件對(duì)熱作用非常敏感，所以一般企業(yè)都是利用油淬，成本極高，該技術(shù)的運(yùn)用直接為企業(yè)節(jié)省了成本。

（3）高碳鋼應(yīng)用

江西銅業(yè)集團(tuán)球磨機(jī)用高Cr鑄鐵，成分為：2.5%C，13.4%Cr,0.6%Si,0.6%Mn，采用的是油淬工藝，其鑄球硬度達(dá)到50HRC左右，標(biāo)樣沖擊值為4J。經(jīng)水空交替工藝處理，通過(guò)改變組織成分和晶粒，其硬度可達(dá)60HRC左右，同時(shí)其標(biāo)樣沖擊值可到12J左右，大大提高了鑄球使用壽命。由于水空交替工藝降低成本、幾乎無(wú)污染、降低能耗、提高了零件性能和壽命、能夠更安全等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖2計(jì)算機(jī)模擬冷卻曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)冷卻曲線(xiàn)

圖3 42CrMo棒料水空交替工藝和油淬過(guò)程的冷卻曲線(xiàn)

2 降低成本

上海金泰公司主要生產(chǎn)SD、SH系列旋挖鉆機(jī)，SG系列抓斗等產(chǎn)品，這幾類(lèi)產(chǎn)品由于主機(jī)結(jié)構(gòu)相似，里面所需要用柴油淬火的零件基本一致，所以三種產(chǎn)品淬火所耗費(fèi)的成本基本相同。下面我們以1臺(tái)SD旋挖鉆機(jī)為例把使用柴油作為淬火介質(zhì)的傳統(tǒng)技術(shù)和水空交替淬火技術(shù)所耗成本作比較分析：

（1）使用柴油作為淬火介質(zhì)的傳統(tǒng)技術(shù)的費(fèi)用

該公司熱處理車(chē)間目前一共有三個(gè)油池，具體尺寸為3.8m×3.8m×2.5m，2.0m×1.5m×2.5m， 2.5m×2.0m×2.5m。因?yàn)榱慵慊鹎岸继幱诟邷貭顟B(tài)，將其放入油池與柴油接觸，而柴油遇到高溫必然會(huì)加劇揮發(fā)，再加上零件從油池中取出時(shí)會(huì)攜帶一部柴油灑落池外，造成一定的浪費(fèi)，為了彌補(bǔ)柴油揮發(fā)和柴油浪費(fèi)，必須經(jīng)常向油池加入柴油。據(jù)統(tǒng)計(jì)該公司每生產(chǎn)1臺(tái)SD旋挖鉆機(jī)淬火耗費(fèi)的柴油大約為1噸，按目前柴油價(jià)格每噸9000元左右計(jì)算，生產(chǎn)1臺(tái)SD旋挖鉆機(jī)淬火所用柴油費(fèi)用為9000元。由于SD、SH和SG三種型號(hào)機(jī)器主機(jī)結(jié)構(gòu)大致相似，需要進(jìn)行柴油淬火的零件基本一致，該公司大概每年生產(chǎn)SD旋挖鉆機(jī)40臺(tái)，SH旋挖鉆機(jī)40臺(tái)，SG抓斗100臺(tái)，所以每年淬火所用柴油費(fèi)用約為162萬(wàn)元。

（2）使用水空交替淬火技術(shù)的費(fèi)用

由于水在常溫下蒸發(fā)比柴油快的多，再加上將高溫零件放入水中，水蒸發(fā)的會(huì)更快，所以水的用量會(huì)很大，同樣生產(chǎn)1臺(tái)SD旋挖鉆機(jī)淬火所用水約為60t，水的價(jià)格按每噸2元計(jì)算，淬火所用水的費(fèi)用為120元，同樣每年生產(chǎn)SD旋挖鉆機(jī)40臺(tái)，SH旋挖鉆機(jī)40臺(tái)，SG抓斗100臺(tái)，則每年淬火所用水的費(fèi)用為216萬(wàn)元。

從以上兩種技術(shù)所耗成本分析來(lái)看，很明顯水空交替淬火技術(shù)在降低成本方面有著巨大優(yōu)勢(shì)，比起使用柴油作為淬火介質(zhì)的傳統(tǒng)淬火技術(shù)每年可以節(jié)約160萬(wàn)元左右，這對(duì)于一個(gè)每年凈利潤(rùn)只有3000萬(wàn)左右的公司來(lái)說(shuō)是非常寶貴的，而且隨著公司規(guī)模越來(lái)越大，產(chǎn)品范圍越來(lái)越廣，所需要進(jìn)行熱處理的零件也越來(lái)越多，水空交替淬火技術(shù)比起傳統(tǒng)淬火技術(shù)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，節(jié)約的成本也越來(lái)越多，使公司進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)。

3 環(huán)保及安全

眾所周知，柴油是有毒的，柴油的毒性與煤油相似，還有添加劑如硫化酯類(lèi)的影響，有麻醉和刺激作用。柴油遇高溫產(chǎn)生的蒸汽吸入后可致吸入性肺炎，皮膚接觸柴油可致接觸性皮炎，多見(jiàn)于兩手、腕部與前臂。柴油廢氣中含有氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、醛類(lèi)和不完全燃燒時(shí)的大量黑煙。黑煙中有未經(jīng)燃燒的油霧、碳粒，一些高沸點(diǎn)的雜環(huán)和芳烴物質(zhì)，并有些致癌物如3.4-苯并芘.，這些環(huán)境污染影響了熱處理車(chē)間工人的健康。其次，將高溫零件放入柴油中冷卻時(shí)經(jīng)常起火，嚴(yán)重時(shí)甚至引起火災(zāi)，操作工人將會(huì)處于危險(xiǎn)的工作環(huán)境當(dāng)中。采用水空交替淬火技術(shù)，以水代油，不但環(huán)保符合國(guó)家政策規(guī)定，而且徹底消除了安全隱患。

4 可行性方案

對(duì)上海金泰公司熱處理車(chē)間現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行考察分析后，確信該公司依靠熱處理車(chē)間現(xiàn)有的設(shè)備完全可以實(shí)施水空交替淬火冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以水代油。具體有兩套可行性方案：

方案1：（1）設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足性能要求的試樣工藝；（2）具體試樣批量在爐內(nèi)按照加熱工藝進(jìn)行加熱保溫；（3）保溫工作完成后試樣由桁車(chē)運(yùn)送至水槽進(jìn)行水空交替淬火工藝。公司不用在設(shè)備上投入資金，降低了成本，而且工人幾乎可以在原來(lái)熟悉的環(huán)境下進(jìn)行工作，只需要工人按照編訂好的熱處理工藝?yán)描燔?chē)控制零件在水中和空氣停留時(shí)間，該種操作方式很容易被工人掌握，也不會(huì)給公司帶來(lái)設(shè)備上的浪費(fèi)。

方案2：改進(jìn)設(shè)備，增加淬火設(shè)備，如圖4所示。針對(duì)不同零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)PLC控制試樣行程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱處理工藝過(guò)程。該方案需購(gòu)置穿水淬火設(shè)備和試樣轉(zhuǎn)移設(shè)備，成本較之方案一稍高，但其通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)淬火熱處理工藝過(guò)程能基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，保障員工安全。該方案缺點(diǎn)：淬火試樣的尺寸受穿水淬火設(shè)備的限制。對(duì)該公司目前淬火件而言可以通過(guò)設(shè)計(jì)設(shè)備尺寸，滿(mǎn)足各零件的淬火要求。

圖4淬火設(shè)備模型圖

5 綜述

水空交替淬火技術(shù)能夠保證零件淬火的質(zhì)量，降低成本，環(huán)保安全，完全可以應(yīng)用于上海金泰公司熱處理工藝，使零件的熱處理質(zhì)量?jī)?yōu)異，保證該公司工程鉆機(jī)質(zhì)量的可靠性，并大大節(jié)約了成本。水空交替淬火技術(shù)可供同行參政借鑒。

[1]宋冬利，陳乃錄，潘健生.預(yù)硬型塑料模具鋼大型模塊淬火冷卻虛擬生產(chǎn)的研究及應(yīng)用.第四屆中國(guó)熱處理活動(dòng)周暨第九屆江蘇省熱處理年會(huì)論文集.南京.2006(5)：14-19.

[2]徐駿，張偉民，陳乃錄，左訓(xùn)偉.塑料模具鋼大模塊的水冷復(fù)合間隙淬火技術(shù)[J].金屬熱處理，2006.31(10)：66-69.

嘉定區(qū)同君福大酒樓節(jié)約能源從點(diǎn)滴做起

今年來(lái)，同君福大酒樓在以往改造節(jié)能燈、加強(qiáng)包房開(kāi)關(guān)燈時(shí)間管理的基礎(chǔ)上，采取多項(xiàng)節(jié)能舉措，酒樓物耗能耗均得到了控制。

一是積極使用節(jié)能燈具。更換節(jié)能燈具近500套，改造后每月節(jié)電720度；二是修正熱水器、戶(hù)外液晶屏開(kāi)關(guān)時(shí)間。三是合理控制空調(diào)。嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑夏季空調(diào)室內(nèi)溫度不低于26度，冬季不高于20度的要求；四是在廚房沖洗房中新建了階梯水池，使上層至下層用水得到多次利用。

（區(qū)經(jīng)委）

The Feasibility Analysis of Water Space Gap QuenchingTechnology in Production

Sun Xiaoli,Cheng Qiang

With the developm ent of energy conservation and environmental p rotection,the requirem ents o f heat treatm ent are higher and higher.Conventiona l d iese l-quenching m ed ium quenching m ethod m eets heat treatm ent p ropertiespartialy,butit cou ld p roduce a lot o f harm fu l gas which wouldpollute environmentandharm the health of workers andincrease the cost of enterp rises.By com bining w ith ac tual p roduction experiences and p ropose water space gap quenching techno logy cou ldensure the qua lity o f heat treatm ent and achieve energy conservation and environm enta l p rotec tion.This techno logy p lays a ro le o fguidance on the energy cost reduc tion of enterp rises.

heat treatment；water space gap quenching technology；Energy cost reduction

孫曉莉（1987-）助理工程師，上海市質(zhì)量監(jiān)督檢技術(shù)研究院。成強(qiáng)（1983-）碩士，工程師，上海市質(zhì)量監(jiān)督檢技術(shù)研究院