  在熱處理行業(yè)，根據(jù)組份和配比，鹽浴可用來對工件進行加熱，能起到防止工件氧化脫碳的作用，也可用于工件的淬火冷卻，如ADI球鐵的淬火處理、軸承的貝氏體等溫淬火處理等，能夠使工件獲得優(yōu)異的性能。 作為滲碳齒輪，其淬火冷卻介質(zhì)最常用的是淬火油，其缺點是淬火時產(chǎn)生油煙，損耗量較大，生產(chǎn)成本高。鹽浴作為滲碳齒輪淬火冷卻介質(zhì)在國外（特別是歐美等工業(yè)發(fā)達國家）于上世紀六十年代就獲得應用并推廣，該技術(shù)于八十年代在國內(nèi)開始應用，但一直未獲得推廣。 本文對滲碳齒輪的鹽浴淬火技術(shù)進行了系統(tǒng)的介紹，對其中的關(guān)鍵問題進行了探討。 2.1鹽浴淬火機理 滲碳齒輪典型的鹽浴淬火工藝如圖1。 圖1 滲碳齒輪的鹽浴淬火工藝 上述工藝中，鹽浴溫度設(shè)定稍高于材料的Ms點（注：該Ms點指的是齒輪滲碳后表層材料的Ms點），一般在145~170℃之間。表1顯示了幾種典型齒輪材料的Ms點和鹽浴溫度。因此，從本質(zhì)上來講，滲碳齒輪的鹽浴淬火為“鹽—空”分級淬火。齒輪加熱奧氏體化后，先進行鹽浴冷卻，心部將在鹽浴中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而滲碳表層材料的馬氏體轉(zhuǎn)變將在空冷時進行。由于空氣是緩和的冷卻介質(zhì)，因此采用鹽浴淬火會降低齒輪的淬火應力，從而減少齒輪的淬火變形。 表1 典型滲碳齒輪鋼的Ms點及鹽浴溫度 2.2鹽浴的成分與配比 滲碳齒輪的淬火鹽浴屬于低溫鹽浴，因此，應選用熔點低的硝鹽來配置。表2是幾種鹽浴的熔點和常用溫度。 表2 幾種鹽浴熔點與常用溫度 根據(jù)表2， 50%KNO3+50%NaNO2和55%KNO3+45%NaNO2這兩種配方的鹽浴是適合滲碳齒輪的淬火鹽浴。 2.3鹽浴淬火的成本 相對于淬火油來講，齒輪采用鹽浴淬火可降低生產(chǎn)成本。一方面，從一次性投資來講， KNO3價格約0.70萬元/噸，NaNO2價格約0.35萬元/噸，故上述配方的鹽浴價格約0.525萬元/噸，而專業(yè)熱處理用淬火油價格約1.4萬元/噸，因此，采用鹽浴的一次性投資遠低于淬火油。另一方面，淬火油屬于有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)，易老化，損耗大，需要補充和維護，來滿足淬火冷卻的要求；而鹽浴屬于無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)，不易老化，并且由淬火工件帶出的鹽可回收利用，因此，鹽浴的維護成本遠低于淬火油。從上述兩方面來說，齒輪采用鹽浴淬火可降低生產(chǎn)成本。 2.4鹽浴淬火的控制 2.4.1滲碳齒輪采用鹽浴淬火后的組織與性能 為考察滲碳齒輪采用鹽浴淬火后的質(zhì)量，用典型的滲碳齒輪鋼20CrMnMo、17CrNiMo6制成齒輪實物（模數(shù)10），滲碳后分別采用油、鹽浴淬火，經(jīng)處理后解剖，檢驗其組織與性能。檢驗結(jié)果見表3、4。從檢驗結(jié)果來看，滲碳齒輪采用鹽浴淬火后的組織和性能均滿足要求，并且鹽浴淬火齒輪的心部強度高于油淬齒輪，其主要原因是鹽浴高溫區(qū)（心部Ms點以上溫度區(qū)）的冷卻能力高于淬火油。 表3 滲碳后油、鹽浴淬火的組織 表4 滲碳后油、鹽浴淬火的性能 2.4.2滲碳齒輪鹽浴淬火的變形及控制 前面已提到，滲碳齒輪采用鹽浴淬火可減少其淬火變形。統(tǒng)計結(jié)果表明，在其它參數(shù)相同情況下，相對于淬火油，滲碳齒輪采用鹽浴淬火可降低30%左右的淬火變形。淬火變形的降低可減少淬火后的機加工量，提高齒輪精度。這里要介紹的是通過調(diào)整鹽浴的冷卻能力來控制齒輪的淬火脹縮。 無水的鹽浴冷卻能力較差，還不如普通淬火油，因此不能滿足滲碳齒輪淬火冷卻的要求。通過向鹽浴中加入水則可大幅度提高其冷卻能力，特別是高溫區(qū)的冷卻能力，這正是理想化淬火介質(zhì)所需要的。圖2顯示了無水鹽浴、加1%wt水鹽浴的冷卻能力及與淬火油的比較。 圖2 無水鹽浴、加1%wt水鹽浴與淬火油的冷卻特性 在允許范圍內(nèi)，鹽浴的冷卻能力隨著水含量的增加而提高。利用該特性，就可以通過控制鹽浴的水含量來控制鹽浴的冷卻能力，從而控制滲碳齒輪淬火時的脹縮。 圖3是某公司要求進行滲碳淬火的一種齒輪，模數(shù)為12，材料為17CrNiMo6。為保證磨削量，要求齒輪經(jīng)滲碳淬火后的頂圓脹量在2~3mm。為此，進行了試驗。
圖3 滲碳淬火齒輪簡圖 淬火鹽浴溫度設(shè)定在150~170℃之間，在此溫度下，鹽浴中的水含量可在0~3%wt之間變化。由于含1%wt水的鹽浴的冷卻能力與淬火油接近，首先用接近該含量的鹽浴進行淬火。淬火后進行變形測試，結(jié)果見表5。 表5 0.98%wt（實測）水的鹽浴淬火后齒輪變形數(shù)據(jù)
從表5可看出，采用該水含量的鹽浴淬火后，齒輪的平均脹量在3.2mm，上部的平均脹量為3.7mm，超過了允許范圍，同時，產(chǎn)生了較大的錐度畸變。因此，該結(jié)果不甚理想。為此，重新調(diào)整了鹽浴的水含量，進行了試驗。同時，關(guān)于錐度畸變的改進，也進行了試驗，這里不進行討論。表6是改進方案的結(jié)果統(tǒng)計。 表6 改進方案：鹽浴水含量及淬火后齒輪變形數(shù)據(jù)（部分）
注：同時進行了錐度畸變改進試驗。 從表6的結(jié)果可看出，采用0.77%wt水含量的鹽浴淬火后，齒輪的平均脹量在2.25mm，符合要求；而采用采用0.59%wt水含量的鹽浴淬火后，齒輪的平均脹量在1.76mm，低于允許范圍。 將上述數(shù)據(jù)處理后，可得到該齒輪頂圓脹量與鹽浴水含量的關(guān)系，如圖4。根據(jù)圖4，認為：將鹽浴中的水含量控制在0.65~0.85 % wt之間，對該齒輪采用鹽浴淬火，可滿足要求。采取該方案后，處理了180只左右的齒輪，統(tǒng)計結(jié)果證實了其可行性。 上述例子說明鹽浴淬火具有的另一優(yōu)勢：冷卻能力可調(diào)節(jié)，從而控制滲碳齒輪的淬火質(zhì)量（如調(diào)整齒輪心部硬度和脹縮變形等）。該點對于淬透性波動大的滲碳鋼淬火尤其適用，期望對生產(chǎn)者能有所啟發(fā)。
圖4 齒輪頂圓脹量與鹽浴水含量的關(guān)系  3.1鹽浴的溫度 鹽浴的溫度可在一個很寬的范圍內(nèi)變化，對于滲碳齒輪，主要根據(jù)鋼種的Ms點來確定鹽浴的溫度，該點前面已經(jīng)提及。需提醒的是：滲碳齒輪在淬火時，在Ms點以上適當提高鹽浴的溫度對工件進行等溫處理，可獲得馬氏體+下貝氏體的混合組織，使齒輪表面具有適當?shù)挠捕群透叩捻g性。這也是鹽浴淬火的一個優(yōu)勢。 3.2危險性 鹽浴淬火時，熾熱的工件進入會導致熔鹽的飛濺，操作者應注意避讓，同時注意不要吸入鹽蒸汽。 生產(chǎn)中，還應注意硝鹽超過一定溫度會發(fā)生著火和爆炸。因此，硝鹽的溫度不應超過允許的最高工作溫度。另外，應特別注意硝鹽溶液中不得混入木炭、木屑、炭黑、油和其它有機物質(zhì)，以免硝鹽與炭結(jié)合形成爆炸性物質(zhì)，而引起爆炸。 3.3水含量的測定與控制 前面論述了如何控制鹽浴的水含量來調(diào)節(jié)鹽的冷卻能力，這就涉及到如何測定鹽浴中的水含量。方法如下：首先從攪拌均勻的鹽浴中取出適量熔鹽，測定其重量W1，再采用加熱保溫的方法去除掉鹽浴中的水份，測定殘鹽重量W2，按公式（1--W2/W1）′100%計算，就可得到水含量。 鹽浴在高于水的沸騰點以上保溫，隨著時間的延續(xù)，其中的水將逐漸減少。圖5顯示了溫度、保溫時間與水含量的關(guān)系。因此，實際生產(chǎn)中要注意測定并調(diào)整鹽浴中的水，建議每次淬火前2小時測定水含量，根據(jù)測定結(jié)果及工藝要求來確定需要向鹽浴中填加水量。添加水后，應開啟鹽浴攪拌使混合均勻。
圖5 鹽浴溫度、保溫時間與水含量的關(guān)系 3.4工件上殘留鹽的處理 齒輪采用硝鹽淬火后，其表面有硝鹽殘留物。因此，齒輪冷卻到室溫后需采用50℃以上的熱水進行清洗。對于有螺紋孔的齒輪，要將螺孔堵塞，否則其中的殘留熔鹽凝固后將難以清理。堵塞螺孔最好用螺栓，不要用石棉，否則石棉與熔鹽混合后更難以清理。 3.5鹽的回收 硝鹽是致癌物，因此，清洗殘鹽的水不允許直接排放，這在一定程度上限制了其使用?，F(xiàn)在，以專用的鹽蒸發(fā)器對鹽水進行處理就可以解決該問題，并且蒸發(fā)結(jié)晶出來的鹽還可以重新投入使用，減少鹽浴的淬火損耗。 綜合上述，結(jié)論如下： （1）滲碳齒輪采用鹽浴淬火污染小，損耗少，成本低。 （2） 鹽浴淬火介質(zhì)具有一定程度的可調(diào)性，從而能在更大程度上控制滲碳齒輪的淬火質(zhì)量。 由于解決了殘鹽的回收問題，鹽浴的環(huán)境污染問題已得到根本解決，其它相關(guān)的問題（如安全等）也有相應的解決方案。因此，鹽浴淬火值得在滲碳齒輪上推廣使用。 -- end -- 文章來源：齒輪傳動 |
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