水空交替淬火技术在生产中应用的可行性分析

上海市质量监督检验技术研究院 孙晓莉 成强

水空交替淬火技术在生产中应用的可行性分析

上海市质量监督检验技术研究院 孙晓莉 成强

随着节能环保工作的大力开展，对热处理的要求也越来越高，传统的以柴油为淬火介质的淬火方法虽然一定程度上能满足零件的热处理性能，但是在淬火过程中油烟很大，产生大量有害气体严重污染环境，并危害工人的身体健康和增加了企业的成本。为此我们结合实际生产经验，提出了水空交替淬火技术[1,2]，该技术既能保证热处理的质量，而且实现节能环保，对企业实现节能降本有一定的指导意义。

热处理；水空交替淬火技术；节能降本

0 引言

随着机械的大型化、复杂化和对产品质量要求的不断提高，尤其是在工程机械领域对热处理提出了更高的要求，许多淬火引发的质量问题采用传统淬火加回火方法已无法解决，例如，在工程中遇到的中碳合金钢件，采用油淬，其力学性能往往不能满足设计指标，而且油淬污染环境和成本高；采用水淬加油淬或水淬加水溶性介质冷却会出现力学性能低于要求或出现开裂。这类低合金钢大工件既要淬火不开裂又要满足力学性能的问题在世界范围内尚未得到很好地解决，因此迫切需要新技术的问世以满足需求。

我们结合上海金泰工程机械有限公司生产车间具体现状来分析水空交替淬火技术的可行性。该公司许多零件都采用了42CrMo，35CrMo，40Cr等中碳合金钢材料，采用这些中碳合金钢材料的零件基本上采用柴油冷却淬火，而且都是大批量，鉴于以上现状我们从热处理的质量、降本、环保以及安全等方面考虑，提出“以水代油”淬火方案。所谓“以水代油”淬火实际指的是水空交替淬火冷却技术，该技术除具有环境友好与介质成本低的特点之外，其最大的优点就是通过多次水淬和空冷的交替方法缓解了淬火阶段产生的相变应力，有效地避免了开裂倾向，并获得满足性能要求的回火马氏体组织（或中心部位含少量下贝氏体组织），已在企业得到的应用，解决了困扰企业的难题。

1 水空交替淬火技术介绍

水空交替淬火技术其基本原理是在钢件先经奥氏体化后淬火至Ms～M f（Ms表示奥氏体开始向马氏体转变的温度线，M f表示奥氏体停止向马氏体转变的温度线）之间的某一温度，即形成一定数量的马氏体和残余奥氏体，再在该初始淬火温度或者Ms 以上某一温度停留一段时间，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，使残余奥氏体富碳并能稳定至室温，最后获得马氏体加奥氏体复合组织，从而全面提高钢材的性能。下面按照该技术所处理的材料类型，对该技术应用作一介绍。

（1）低碳钢应用

在莱钢的生产中，利用水空交替淬火技术，对Q 235H型钢实行了Q-P-T（Quenching-Partition -Tem per淬火-碳分配-回火）处理，使其硬度达到32HRC，提高了20HRC左右，屈服强度达到435MPa，抗拉强度达到615MPa，比Q235H型钢提高200MPa，同时具有非常好的可焊性（如图1），使原Q235钢达到400MPa级别，每吨至少增加500元，莱钢Q235H钢每年生产250万t，使其增值12.5亿元。该技术可同时应用于生产Q345 H型钢。

图1经水空交替淬火技术处理过的QPT235和一般Q235焊接接头拉伸曲线比较

（2）中碳钢应用

该技术在中碳钢应用最为广泛，同时取得了非常优异的效果，如中原特钢，大连特钢的大型风电轴的淬火，抚顺特钢模具钢的淬火和二重核电站热反应堆端盖的淬火处理等生产应用中都获得了认可。中原特钢风电轴（材料42CrMo）项目，就是首先通过计算机模拟拟定水空交替工艺如图2所示，再通过实验验证确定最终工艺，不但节省了成本，同时实现了材料质量的提高。实验证明水空交替代替油淬可行性很好，分别测定水空交替工艺和油淬过程的冷却曲线并进行比较如图3所示。两者拟合性好，同时测得力学性能比油淬更优，淬深更好。目前该技术正在运用到宁波海天集团、大连特钢、新冶特钢等大型钢厂和热处理公司。中原特钢风电轴水空交替代油以后，经济效益提高的同时，作业环境也有了极大改善，工作安全性有了极大提高。由于大型构件对热作用非常敏感，所以一般企业都是利用油淬，成本极高，该技术的运用直接为企业节省了成本。

（3）高碳钢应用

江西铜业集团球磨机用高Cr铸铁，成分为：2.5%C，13.4%Cr,0.6%Si,0.6%Mn，采用的是油淬工艺，其铸球硬度达到50HRC左右，标样冲击值为4J。经水空交替工艺处理，通过改变组织成分和晶粒，其硬度可达60HRC左右，同时其标样冲击值可到12J左右，大大提高了铸球使用寿命。由于水空交替工艺降低成本、几乎无污染、降低能耗、提高了零件性能和寿命、能够更安全等诸多优点。

图2计算机模拟冷却曲线与实测冷却曲线

图3 42CrMo棒料水空交替工艺和油淬过程的冷却曲线

2 降低成本

上海金泰公司主要生产SD、SH系列旋挖钻机，SG系列抓斗等产品，这几类产品由于主机结构相似，里面所需要用柴油淬火的零件基本一致，所以三种产品淬火所耗费的成本基本相同。下面我们以1台SD旋挖钻机为例把使用柴油作为淬火介质的传统技术和水空交替淬火技术所耗成本作比较分析：

（1）使用柴油作为淬火介质的传统技术的费用

该公司热处理车间目前一共有三个油池，具体尺寸为3.8m×3.8m×2.5m，2.0m×1.5m×2.5m， 2.5m×2.0m×2.5m。因为零件淬火前都处于高温状态，将其放入油池与柴油接触，而柴油遇到高温必然会加剧挥发，再加上零件从油池中取出时会携带一部柴油洒落池外，造成一定的浪费，为了弥补柴油挥发和柴油浪费，必须经常向油池加入柴油。据统计该公司每生产1台SD旋挖钻机淬火耗费的柴油大约为1吨，按目前柴油价格每吨9000元左右计算，生产1台SD旋挖钻机淬火所用柴油费用为9000元。由于SD、SH和SG三种型号机器主机结构大致相似，需要进行柴油淬火的零件基本一致，该公司大概每年生产SD旋挖钻机40台，SH旋挖钻机40台，SG抓斗100台，所以每年淬火所用柴油费用约为162万元。

（2）使用水空交替淬火技术的费用

由于水在常温下蒸发比柴油快的多，再加上将高温零件放入水中，水蒸发的会更快，所以水的用量会很大，同样生产1台SD旋挖钻机淬火所用水约为60t，水的价格按每吨2元计算，淬火所用水的费用为120元，同样每年生产SD旋挖钻机40台，SH旋挖钻机40台，SG抓斗100台，则每年淬火所用水的费用为216万元。

从以上两种技术所耗成本分析来看，很明显水空交替淬火技术在降低成本方面有着巨大优势，比起使用柴油作为淬火介质的传统淬火技术每年可以节约160万元左右，这对于一个每年净利润只有3000万左右的公司来说是非常宝贵的，而且随着公司规模越来越大，产品范围越来越广，所需要进行热处理的零件也越来越多，水空交替淬火技术比起传统淬火技术优势越来越明显，节约的成本也越来越多，使公司进入一个良性循环。

3 环保及安全

众所周知，柴油是有毒的，柴油的毒性与煤油相似，还有添加剂如硫化酯类的影响，有麻醉和刺激作用。柴油遇高温产生的蒸汽吸入后可致吸入性肺炎，皮肤接触柴油可致接触性皮炎，多见于两手、腕部与前臂。柴油废气中含有氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、醛类和不完全燃烧时的大量黑烟。黑烟中有未经燃烧的油雾、碳粒，一些高沸点的杂环和芳烃物质，并有些致癌物如3.4-苯并芘.，这些环境污染影响了热处理车间工人的健康。其次，将高温零件放入柴油中冷却时经常起火，严重时甚至引起火灾，操作工人将会处于危险的工作环境当中。采用水空交替淬火技术，以水代油，不但环保符合国家政策规定，而且彻底消除了安全隐患。

4 可行性方案

对上海金泰公司热处理车间现有设备进行考察分析后，确信该公司依靠热处理车间现有的设备完全可以实施水空交替淬火冷却技术来实现以水代油。具体有两套可行性方案：

方案1：（1）设计能够满足性能要求的试样工艺；（2）具体试样批量在炉内按照加热工艺进行加热保温；（3）保温工作完成后试样由桁车运送至水槽进行水空交替淬火工艺。公司不用在设备上投入资金，降低了成本，而且工人几乎可以在原来熟悉的环境下进行工作，只需要工人按照编订好的热处理工艺利用桁车控制零件在水中和空气停留时间，该种操作方式很容易被工人掌握，也不会给公司带来设备上的浪费。

方案2：改进设备，增加淬火设备，如图4所示。针对不同零件进行工艺设计，通过PLC控制试样行程，进而实现热处理工艺过程。该方案需购置穿水淬火设备和试样转移设备，成本较之方案一稍高，但其通过PLC控制实现淬火热处理工艺过程能基本实现自动化操作，保障员工安全。该方案缺点：淬火试样的尺寸受穿水淬火设备的限制。对该公司目前淬火件而言可以通过设计设备尺寸，满足各零件的淬火要求。

图4淬火设备模型图

5 综述

水空交替淬火技术能够保证零件淬火的质量，降低成本，环保安全，完全可以应用于上海金泰公司热处理工艺，使零件的热处理质量优异，保证该公司工程钻机质量的可靠性，并大大节约了成本。水空交替淬火技术可供同行参政借鉴。

[1]宋冬利，陈乃录，潘健生.预硬型塑料模具钢大型模块淬火冷却虚拟生产的研究及应用.第四届中国热处理活动周暨第九届江苏省热处理年会论文集.南京.2006(5)：14-19.

[2]徐骏，张伟民，陈乃录，左训伟.塑料模具钢大模块的水冷复合间隙淬火技术[J].金属热处理，2006.31(10)：66-69.

嘉定区同君福大酒楼节约能源从点滴做起

今年来，同君福大酒楼在以往改造节能灯、加强包房开关灯时间管理的基础上，采取多项节能举措，酒楼物耗能耗均得到了控制。

一是积极使用节能灯具。更换节能灯具近500套，改造后每月节电720度；二是修正热水器、户外液晶屏开关时间。三是合理控制空调。严格执行公共建筑夏季空调室内温度不低于26度，冬季不高于20度的要求；四是在厨房冲洗房中新建了阶梯水池，使上层至下层用水得到多次利用。

（区经委）

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

孙晓莉（1987-）助理工程师，上海市质量监督检技术研究院。成强（1983-）硕士，工程师，上海市质量监督检技术研究院