軸承零件熱處理淬火介質冷卻特性測定方法的對比分析

耿偉，王敏，王智勇，扈林莊，張春寶

(1.常州龍邦潤滑油有限公司，江蘇 常州 213100；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.浙江為尚機械有限公司，浙江 湖州 313005)

1 引言

目前，軸承行業熱處理中所使用的淬火介質主要有淬火油、PAG水基淬火液、淬火硝鹽等。熱處理過程中淬火介質與高溫工件直接接觸，理化性質會產生一定的變化，從而導致使用性能發生改變，最終影響熱處理質量。因此，提供一種有效的監控淬火介質冷卻性能的檢測方法十分重要，可以為淬火介質提供及時、有效的解決方案，并保證其長期穩定性。

目前，軸承行業主要使用2種檢測儀器測量淬火介質的冷卻性能，即瑞典的IVF冷卻性能測定儀(圖1)以及國產SYQ-2淬火介質冷卻特性測定儀(圖2)。下面從測定原理、標定以及實測數據對比等方面探討這2種儀器的檢測方法與優缺點，以期為軸承熱處理提供一定的參考。

圖1 IVF冷卻性能測定儀Fig.1 Cooling characteristic tester IVF

圖2 SYQ-2淬火介質冷卻特性測定儀Fig.2 Quenching media cooling characteristic tester SYQ-2

2 測定方法及標定

2.1 測定方法

關于淬火油冷卻特性測定方法，我國現行有2個標準：1)GB/T 30823—2014 《測定工業淬火油冷卻性能的鎳合金探頭試驗方法》，等同ISO 9950:1995；2)SH/T 0220—1992《熱處理油冷卻性能測定法》，源自日本工業標準JIS K 2242:1980。相應地，IVF測定儀遵循GB/T 30823，SYQ-2測定儀遵循SH/T 0220。

IVF測定儀的探頭是由幾何中心裝有熱電偶的鎳合金圓柱體及安裝在上面的鎳合金支架組成，SYQ-2測定儀則采用了ZJY-10整體擠壓銀探頭，兩者所用探頭的材質、規格見表1。

表1 測定儀所用探頭的對比Tab.1 Comparison between probes used by testers

IVF測定儀可表征以下特征參數：最大冷卻率，最大冷卻率出現時的溫度，在300 ℃時的冷卻率，冷卻至600，400，200 ℃時的時間，從氣態轉換到沸騰狀態的溫度，從沸騰狀態轉換到對流狀態的溫度。

SYQ-2測定儀可表征的特征參數為：特性溫度，特性時間，最大冷速溫度，最大冷速，在300 ℃時的冷速，冷卻至600，400，300，200 ℃的時間。

2.2 標定

2.2.1 IVF測定儀的標定

GB/T 30823—2014對標定液冷卻特性的要求見表2，目前我國與該標定液物理特性接近的油有N22，N32，100SN和150SN。其中，100SN最接近，其次是N22，然后是性能接近的N32與150SN。但不同廠家生產的100SN，150SN存在一定的差別，N22則不易獲得，因此N32一直作為淬火油在國內廣泛使用，通常選擇N32做為標定液。

表2 標定液的物理特性Tab.2 Physical properties of calibration fluid

標定步驟為：

1)啟動SQ軟件及加熱爐，加熱爐溫度設置為850 ℃；將1 L標定液倒入介質杯中并用加熱器加熱至(80±2)℃。

2)當探頭溫度加熱至(850±5)℃時，按下手持單元的ENTER鍵，迅速將探頭插入標定液中，待數據采集完畢后輸入曲線名稱并保存。

3)將手持單元的數據導入SQ軟件，獲得此次標定液的IVF曲線，將其與標定液參數進行對比分析。

2.2.2 SYQ-2測定儀的標定

SH/T 0220—1992采用鄰苯二甲酸二辛酯(化學純)作為標定液，標定液的冷卻性能應符合下列要求：1)特性溫度為(510±10)℃；2)從800 ℃冷卻到400 ℃的時間為(5.3±0.3)s。

標定步驟為：

1)打開測試軟件，設定測試參數，爐溫設置為810 ℃。

2)加熱標定液以及銀探頭，探頭溫度高于最高溫度并延時5 s將報警。

3)當探頭到達溫度且報警后，迅速將探頭放入標定液中，由便攜式測試儀開始測試。由于初始測試階段由溫度控制，如果動作慢導致探頭在空氣中冷卻時間長，冷卻曲線上可能出現一段較平緩的部分，測試完成后應使用編輯屬性中的“刪除部分測試數據功能”將該段數據刪除。

4)標定結果如達不到上述要求，應對銀探頭重新拋光，進行再次標定。

3 實際應用

3.1 實測數據分析

分別用IVF和SYQ-2測定儀對水、PAG類水性淬火液及某品牌淬火油進行檢測(淬火油進行重復試驗)，測定曲線如圖3所示，淬火介質冷卻性能數據見表3。

圖3 不同淬火介質的冷卻特性測定曲線Fig.3 Measuring curves for cooling characteristics of different quenching media

表3 不同淬火介質冷卻性能的測定結果Tab.3 Measuring results for cooling characteristics of different quenching media

由表3可知，因所用探頭的材質、尺寸、熱電偶位置不同，遵循不同測量標準測得的冷卻特性曲線也不同。對于同一種淬火介質，用不同標準檢測所得的冷卻特性曲線之間沒有固定關系的可比性，即不同標準檢測的冷卻特性之間沒有通用、規律的換算關系。但2種測定儀的靈敏度、重復性都非常高，圖3所示曲線均能夠表征出不同溫度區間內淬火介質的冷卻能力，可以根據淬火介質在冷卻全過程中的分布特點來判斷其是否滿足熱處理工件的淬火要求。

3.2 應用場景分析

冷卻曲線可用于評價淬火介質的冷卻性能，具有測試簡便，數據重復性好的優點。冷卻特性反映了淬火介質冷卻特性的穩定性和變化程度，可以對淬火介質進行定性、定量的分析，對于熱處理生產單位的質量管理以及分析解決工件熱處理技術和質量問題有著很大的應用價值。

IVF測定儀的手持式數據接收器直接與探頭連接，能夠存儲20組測量數據，并可通過無線傳輸保存到計算機中；使用者可以通過數據接收器上的按鈕設定測量時間、采樣頻率和測量模式，包括自動記錄開始溫度以及測試探頭的校準等；采用藍牙進行無線數據傳輸，可在淬火槽任意位置進行測試，操作方便且減小了由于探頭接地不好帶來的測量誤差；具有強大的冷卻曲線分析軟件，可記錄大量的測量數據并進行后續分析計算，測量重復性高。IVF測定儀的缺點是測量成本高，探頭損耗快。對于聚合物水性淬火介質，探頭大約可用150次，在淬火油中大約可用300次。

SYQ-2測定儀在探頭溫度高于最高溫度并保持5 s將報警，避免探頭溫度過高減少使用壽命；配套軟件具有刪除部分測試數據的功能，可將初始測試點歸一化到相同的溫度；另外，測試的最高溫度可以適當提高，當實際測試溫度高于標準溫度時，使用該功能將高出的溫度刪除。SYQ-2測定儀的缺點是，對于已使用過淬火油的測量重復性不好。

4 結束語

IVF和SYQ-2測定儀雖然在參照標準、探頭、測量方法上存在一定的差異，但測量的準確性、靈敏度都非常高。檢測所得的冷卻特性曲線之間雖然沒有固定關系的可比性，但由于鎳合金探頭相比銀探頭的材質更加接近實際淬火工件，更能模擬實際淬火過程，所以IVF測定儀在實際生產中使用更為廣泛。