弹簧淬火油技术与应用

弹簧是机器和仪表中的重要零件之一，主要在冲击、振动或周期性弯曲、扭转等交变应力下工作，被用于吸收冲击能，缓和振动和冲击，或储存能量，以驱动机件。常用的各种弹簧有圆截面的小弹簧、弹簧圈、阀簧、汽车板簧、拖车弹簧、测力弹簧及耐热弹簧等等。
弹簧多数都要通过热处理来实现产品性能要求的。为了提高弹簧的力学性能，对热轧后大截面（厚度或直径5-40mm）钢料（圆钢、扁钢等）在热状态下经卷制成后，再进行淬火回火处理；对热轧后截面较小的钢料，经退火软化后，在冷状态下卷制成形，再进行淬火回火处理。
在热处理淬火工艺中，希望通过控制弹簧制品的冷却速率以得到较高的且均匀的硬度和足够的淬硬层深度，同时减少变形和防止开裂。为此目的，人们相继研究和发展了一系列的淬火介质，以适应机械工业发展的需要，其中目前使用较多的仍是淬火油。虽然有不少关于聚合物淬火介质能完全取代油的说法，但实际上由于油独具的某些特性和在特定条件下的不可替代性，在相当长的一段时间内绝对不可能完全替代。
在当前的弹簧企业的热处理生产中，作为淬火介质，据统计淬火油约占60%以上，可见淬火油用量仍占相当大比重。
定期检查淬火油的特性对控制热处理工艺及保证弹簧品质起着关键作用。然而，整个弹簧行业大多数企业对淬火介质的性能缺乏重视，即使投入大量资金改善设备和质量控制手段，却很少关心淬火介质的状态。往往一种淬火油使用很多年，仅用添加新油方法保持其状态。不出所料，弹簧制品热处理生产的质量问题几乎都与淬火介质有关，并且经常性的重复发生。对于汽车板簧等有特殊要求的产品来说，淬火介质的性能对热处理操作的成败起重要作用。
面对众多的淬火油品种，如何正确选择适合自己生产的产品的淬火油和使用、管理好淬火油以获得稳定的弹簧品质是新课题。
1、淬火油的特性
随着石油工业的技术发展，淬火油的发展也取得了长足进步，弹簧在一定热处理过程中，理想的淬火油应当具有如下的特性。
①合理的冷却速度分布，力求在达到最大硬化特性的同时，将弹簧制品潜在的变形和开裂降至最低；
②在钢铁弹簧上油渣形成量最小，油渣沉淀最低；
  ③尽可能低的粘度使弹簧制品表面带出油量的损失降低；
④尽量避免在受热处理过程中产生酸性物质，防止钢铁弹簧表面变色；
⑤不含并且在受热过程中不产生对人体健康和环境有害的物质；
⑥废油易于回收处理。
淬火油的功能是将赤热的钢铁弹簧的热量迅速带走，使之降至马氏体转变温度以下，获得高硬度的马氏体组织和硬化层深度，同时亦要兼顾减少弹簧的变形和防止开裂。因此，淬火油的基本特性就是“冷却特性”，其特点就是高温阶段的冷却速度较快；而在低温阶段冷却速度较慢，这一特性很适合弹簧制品的淬火要求。
2、淬火油的选择
目前实际生产中使用的淬火油可分为一般淬火油和专用淬火油。一般淬火油较多采用全系统损耗用油，以“L-AN+数字”表示，数字表示有的黏度值，有时用简称：“N+数字”表示，如N32等。此外，也有采用轻柴油等其他油。而专用淬火油是选用经多次精炼的基础油，加上特殊的复合添加剂所组成的淬火油。
弹簧生产企业大多数采用的是专用淬火油，包括普通淬火油、快速淬火油、等温淬火油和分级淬火油。它的热稳定性都较好，能更好地保证弹簧制品的淬火质量。当然，还必须考虑综合如下四个方面的因素。
2、1钢的临界冷却速度
连续冷却时，过冷奥氏体转变发生突变的冷却速度，称为临界冷却速度。钢淬火得到马氏体的临界冷速称为马氏体临界冷却速度，也就是钢在淬火时为抑制马氏体转变所需的最小冷却速度。临界冷却速度的近似计算公式如下：
（℃/s）…………………（1）
式中  A1-----临界温度（平衡时）（℃）；
      Tm----等温转变曲线与切线相切处的温度（℃）；
      Tm----奥氏体最小稳定化的时间。
弹簧钢淬火时冷却速度必须躲过TTT图（过冷奥氏体等温冷却转变图）和CCT图（过冷奥氏体连续冷却转变图）上的“鼻子尖”部，所选择的淬火油的冷却速度能达到或高于临界冷却速度。
2、2钢的淬透性
淬透性又称可淬性，以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布来表征的材料特性。它是钢材本身所有的属性。
对于弹簧制品来说，对钢种的要求是保证含碳量0.50%-0.75%，对Mn元素则≥0.50%。碳和锰元素都是影响淬透性的元素。由于国产钢种的淬透性带较宽，应以淬透性最低的条件为准选择淬火油的冷却速度。
选择快速淬火油主要用于合金结构钢以及较小厚度或直径的碳素钢弹簧。弹簧企业都希望每台热处理炉可以处理比较多规格的弹簧。因此，多倾向于选用适应范围更广的淬火油。
2、3弹簧淬火的有效截面积大小
截面积越大的弹簧需选择冷却速度越大且对流阶段开始温度较低的淬火油，以保证弹簧制品的淬硬层深度和心部硬度；反之，厚度或直径较小的弹簧为减少变形和防止开裂宜选择对流开始温度稍高，冷却速度较慢些的淬火油。
快速淬火油（如KR118、KR128）的蒸气膜阶段短，也就是油的高温阶段冷却得快，这一特点有利于65Mn厚度或直径12-20mm弹簧;而对于60Si2Mn钢则减薄为厚度或直径10-16mm弹簧，才能保证心部硬度与表面硬度有较小的差异。从冷却速度分布分析，除中、高温阶段要求冷却得快以外，油的低温冷却速度高低对获得淬硬层作用更大，低温冷却速度较越高，淬硬层往往越深。这对于弹簧整个截面均匀承受载荷的要求，至少心部约95% 获得马氏体组织时，十分有利。
2、4淬火油的冷却特性曲线
每一种淬火油都具有较稳定的冷却特性，所测定的冷却特性曲线就是选择淬火油的重要依据。在具体针对弹簧制品某种钢（或几种钢）选择淬火油时，应选用TVP温度高于700℃，最大冷却速度对应的温度在600℃左右。
如KR118、KR128快速淬火油的TVP温度则高于720℃，最大冷速在615℃左右。据介绍是当前冷却速度最高的矿物油基淬火介质之一，可以满足较大厚度或直径的合金结构钢及低淬透性碳素钢淬火需要，获得高而均匀的表面硬度和足够的淬硬层深度，且保持长期稳定的冷却特性，是使用寿命较长的品种之一。
3、淬火油的基础油和添加剂
3．1基础油
基础油是淬火油最主要的成分，按淬火油质量百分含量计算，基础油占淬火油配方的95%以上。因此，基础油的质量优劣直接影响淬火油性能、使用寿命、人体健康和环境保护等。
基础油分为五类（见表1），其中：Ⅰ类为溶剂精制基础油；Ⅱ类和Ⅲ类为加氢制取基础油，具体工艺包括加氢裂解和加氢异构化等，通过现代加氢技术生产的Ⅱ类和Ⅲ类基础油几乎无色，所含杂质极低；Ⅳ类为PAO基础油，即聚a-烯烃；Ⅴ类包含不能包括在Ⅰ类～Ⅳ类中的其他基础油。
表1               基础油分类
种类硫含量 /PPm饱和烃含量粘度指数
Ⅰ类基础油300～300065%～85%95～105
Ⅱ类基础油5～30093%～99%95～118
Ⅲ类基础油0～3095%～99%123～150
Ⅳ类基础油＜1≥99%120～130
Ⅴ类基础油无≥99%125～150

 
快速淬火油一般选用加氢基础油，具有如下优点：
①加氢裂化的基础油其芳烃含量特别低。在天然的润滑油馏分中芳烃是反应性最强的物质，芳烃的氧化将引发链反应。因此，芳烃含量高通常引起低闪点和高的成渣性。成渣将降低热交换效应，转而可能引起弹簧制品淬火硬化不足。油泥的增加，在淬火时使用的冷油在热交换时将降低油的流动性。
②加氢裂化的基础油纯度高。例如：仅含很少量的杂原子（如硫、氮和氯等），这样淬火油不会污染弹簧制品。高质量石腊基础油将使弹簧制品呈亮灰色，但如果基础油中硫成分较高将会使弹簧制品呈现不可接受的黑色污斑，尤其是真空淬火弹簧制品表面更不允许油中酸性组分、残碳和水份等使钢铁弹簧制品着色的重要因素存在。
③加氢裂化基础油将油中大分子破裂成小分子，化学稳定性高，抗氧化和热稳定性高，可使淬火油在保持长时间使用情况下，性能指标始终保持在合格范围内。
④加氢裂化可改善有品色调，去除臭味，改进紫外线稳定性，去除沥青及其他致癌物。因此，快速淬火油“像水一样的油”不仅有益于环境保护，更有利于长期在热处理机一线操作者的身体健康。
3．2添加剂
如果不利用现代添加剂技术，淬火油的基础油即使性能再好也满足不了热处理机工艺对淬火的全部要求。这其中包括合理的冷速分布、使用寿命要求以及安全要求等。添加剂是某类化学物质，对淬火油而言可提升其某些已有性能，消除不需要的性能。添加剂之间的某些相互间作用可导致协同效应，采用某些多功能添加剂可减晒添加剂相互间干扰的可能性。
通常淬火油性能变差并非全部是添加剂消耗或降解的结果，也可能是由于频繁使用或维护不当使基础油本身发生老化等。次时，加入添加剂即使短时间部分恢复了使用性能，也可能只是短时的“治标不治本”。另外，如果对淬火油原使用添加剂情况不了解，就更不应该贸然行事。即使是确实需要加入添加剂时，也最好请原供应商根据产品特点和实际需要来解决。总之，精心设计和优化的添加剂系统，可大大改善和提高淬火油使用性能，但优异的、高使用性能的淬火油配方，亦需要高品质的基础油。
①抗氧剂
抗氧剂分为主抗氧剂（自由基清除剂）和副抗氧剂（过氧化物分解剂）。自由基清除剂在链成长过程和活性自由基反应中能成功地与淬火油分子竞争，优先与自由基氧化产物反应，生成稳定的自由基，这些稳定的自由基可终止自动氧化过程的发展。过氧化物分解剂将过氧化物转变成非自由基产物，因而也就能制止链增长反应，从而可最大程度延缓淬火油的氧化。
常用的抗氧剂有酚类（2.6--二叔丁基对甲酚）、芬香胺（烷基化二苯基胺）抗氧剂以及含硫和磷的各类化合物，如：二硫代磷酸锌、三烷基亚磷酸盐等。胺类和酚类抗剂混合使用能产生协同效应。酚类抗氧剂（自由基清除剂）和亚磷酸盐（过氧化物分解剂）相互组合使用能起协同作用，也被认为是高效抗氧剂，特别适用加氢处理的基础油。
②增速剂（致冷剂）
弹簧淬火时，尤其是相对硬化能力较弱的碳素钢会出现珠光体，导致出现不可接受的低硬度。因此，在淬火时为避免出现珠光体转变，用一般的普通淬火油就很难满足要求，这就需要在油中加入多种增加冷却速度的添加剂。
在油中加入增速剂提高了油在钢中的湿润性，而淬火冷却速度随淬火油的湿润性提高而提高。液体在固体表面铺展开的性能即为湿润性，而其湿润性程度的量度即为接触角。若固体是亲液的则液体的α＜90℃，固体憎液则α＞90℃。
增速剂对提高弹簧淬火油冷却速度有着显著效果。首先是提高了基础油的湿润性，这个效果的大小由加入的添加剂或添加剂的组合和浓度所决定。同时，添加剂也可影响淬火油的其他性能，如成渣、着色等。这是因为添加剂的作用原理是提高了油在钢表面的湿润性。在使用过程中由于淬火油不断地与炽热的弹簧制品接触，所以淬火油中的添加剂将有可能会降解或减少。因此，要随时监测淬火油在使用过程中的变化。
③光亮剂
光亮的弹簧制品淬火油冷后仍能保持光亮表面。这种淬火油称为光亮淬火油。但要保证弹簧制品表面光亮，必须要保证弹簧制品表面在热处理加热过程中表面不氧化、不脱碳且无污染。因此，光亮淬火油一般被使用在有可控气氛、或真空加热条件下的淬火。
除此以外，淬火油基础油不被污染。油中酸值、残碳和水份等都是使弹簧制品表面着色的重要因素，应使之降至最低。这样在淬火油中加入光亮剂，弹簧制品热处理后，方能取得满意的光亮效果。
淬火油光亮剂通常具有洁净（除垢）和分散作用，能使淬火油中不溶性燃烧产物处于悬浮状态，还能预防氧化产物富聚成固体颗粒。添加剂中起分散作用的物质将固体污垢物封裹形成胶态分子团，预防烟垢粒子粘附在钢铁弹簧制品表面上以及富聚成大粒子，从而达到清除钢铁表面污垢物，达到光亮淬火目的。
4、淬火油的使用与维护
4．1淬火油的使用
①首先应根据标准、技术条件对淬火油的物理化学性能如运动粘度、闪点、水份、酸值等以及相互稳定的其他指标进行验收。
②对淬火油所要求的冷却特性如特性温度假、特性时间等，或直接要求提供冷却曲线进行验收。
③外观检查：加氢基础油其外观均无色透明。因此，用此类基础油制造的淬火油，加之优异的添加剂，那么热处理淬火油应该无悬扶、无沉淀，油色应该清澈透明。淬火油外观不单单是为了好看而已，它至少也可部分地板说明淬火油基础油的质量，所使用的添加剂的质量，这也为淬火油在验收时提供了简便可行的考核方法。
4．2淬火油的维护
为了保证淬火油在生产中能长期稳定使用，对淬火油及其冷却系统均应进行严格的检查和良好的维护。对使用中的淬火油除了要定期地按要求进行物理化学性能、冷却性能检查外，对冷却系统的维护也是不可缺少的。由于淬火冷却系统在设计、形状、大小以及淬火方法均可有较大变化，很难对淬火冷却系统建立起标准程序。但一些大型淬火炉典型的维护方法还是可以根据企业自身生产和管理的情况参照选择执行。
①每天工作：检查淬火槽的油液位线；检查淬火油的使用温度；检查淬火油的油泵及流动情况。
②每周工作：在生产过程中检查淬火油流速；检查有温控制仪表及控制装置。
③每月工作：排干淬火油，清除沉渣。
④每年工作：检查油冷却系统管道及泵：需要时更换油过滤器：检查储存槽中沉渣、水泄露和总体状况；检查油的污染情况。
对以上检查均应作好记录，记录包括日期、检查项目、问题及采取措施等。
5、结束语
淬火油的冷却特性对弹簧制品淬火质量影响至关重要。对弹簧企业应建立一套完整的淬火油管理制度，完善和保持淬火油槽有良好的搅拌、加热和冷却系统，以保证淬火油处于工艺控制状态。根据热处理产量多少，每半年或一年清理油槽一次，过滤油污，清洗槽底的残渣杂物，及时补充新油。
淬火油技术的发展和应用的发展还需要产品供应商和弹簧制品热处理工作者的共同努力去完成，才能保证弹簧制品的品质。
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