淬火介质冷却性能测试--南京淬火油张世祥

1.前言

我国淬火介质的测试开始于20世纪60年代末，最早采用的是Φ20mm的银球作为探头。20世纪70年代初，受日本工业标准JIS K2242的启发，改为Φ10×30mm的银柱探头。与日本不同的是采用K型热电偶代替Ag—NiA1，安装在银柱的心部，而不是在表面。这个方法就是现在的石化行业标准SH/T0220。最初采用X-Y函数计录仪记录冷却曲线(温度/时间曲线)。上个世纪80年代初我国开始采用计算机技术纪录冷却曲线(温度/时间曲线)和冷却速度曲线(冷却速度/温度曲线)。上个世纪90年代，随着国际标准ISO 9950的引入，我国也开始对镍合金探头的研究，即国际标准ISO 9950(JB/T7951)规定的Φ12.5× 60mm镍合金探头。

2.简短的历史的回顾

各国热处理工作者经过几十年的努力，制定了国际标准ISO 9950。初期的方法是采用冶金学方法，而不是热力学的方法。冶金学的方法是最基本的方法，也称为直接的方法。热力学的方法称为间接的方法。冶金学方法的基础是试样的硬度，可分为：直接硬度法、端淬试验法、硬度曲线法以及淬火强烈度方法等。热力学方法可分为：磁性淬火方法、热丝试验法、五秒钟试验法以及热电偶冷却曲线法等。

2.1冶金学方法   

直接硬度法：就是直接测定试样(或工件)硬度来确定淬火介质的冷冷却能力。这是最古老的方法，也是现在天天都在使用的方法。假设工艺条件不变，试样相同，则工件的硬度就代表了淬火介质的冷却能力。

端淬试验法：我国的国家标准是GB 225-63“结构钢末端淬透性试验法”在标准试验条件下，用水柱喷淬试样的下端，测量表面的硬度，绘制硬度/到淬火端面距离的曲线，称为端淬曲线。采用不同的淬火介质代替水喷射，测量的端淬曲线可用来评价淬火介质的冷却能力。不过现在已经很少没有人用端淬曲线来评价淬火介质，但它仍然应用于钢材的炼制。

硬度U曲线法：用长度五倍于直径的试样淬火后，从中间切取一段样块。在测定面上沿垂直直径方向测定硬度，以它们的平均值画出硬度/到样块中心距离的曲线，称为硬度U曲线。试样材料、尺寸不变，热处理工艺不变，用不同的淬火介质淬火，得到的硬度U曲线，就是评价淬火介质冷却能力的依据。该方法仍在广泛的使用中，尤其是进行淬火介质的工艺试验。

淬火强烈度方法：淬火强烈度的概念是由美国Grossman等人在1939年提出的，它首次定量地对淬火介质进行评价。淬火强烈度又称为H值。H值定义如下：

H＝C/2K

其中C为试样的散热系数，它的定义如下：

C＝Q/S(Tw—TL)△t

其中Q：在时间间隔△t内从试样向淬火介质移动的热量：S：试样与淬火介质接触的表面积；Tw：试样表面的温度；TL：淬火介质的温度；△t：时间间隔。C的单位为千卡/米²*小时*℃。K为试样的导热系数，对于碳钢和低合金钢K值几乎是下一个常数。从H值公式可以看到：试样的散热系数越大，即介质从试样表面带走的热量越多，H值越大。常用的淬火介质的H值如表1。

Grossman是从一组钢棒的淬透性导出H值的。后来各国学者又发展了很多方法计算H值。这里介绍一下日本阪大式H值的计算方法。上个世纪50年代，日本多贺谷和田村提出一个以JISK2242为基础的阪大式H值(大阪大学)。用Φ10×30mm的银柱探头测定800-300℃的冷却时间折算为H值。按照这个秒数在表2就可查出阪大式H值，记为H日。单位是cm－1。GrossmanH值记为H美单位为in－1。两者的换算关系如下：

例如，日本的Gulf 70的H日为0.125 cm－1，则从表2即可查到该油800-300℃的冷却时间为4.7秒。在淬火油的冷却时间段内，我国SH/T0220与JISK 2242测试H值相差约0.015 cm－1。

例如，按SH/T0220测定800-300℃的冷却时间为6.5秒，从表2查出H中＝0.130 cm－1，则H日＝0.130＋0.015＝0.145 cm－1，相当于按JISK 2242测试的冷却时间为5.2秒。换算为H美＝0.368。上述修正方法是作者的经验数据，仅供参考使用。我国石化行业标准SH05《热处理油》的规定，超速淬火油800-300℃(按SH/T0220标准测试)的冷却时间的指标是不大于6秒。如按6秒计算超速淬火油的H日值应大于0.150 cm－1。我国淬火油的淬火强烈度如表3。由于我国淬火油的标准中除超速淬火油有800-300℃的规定外，其它油品没有规定，表3的数据是按目前通用的惯例计算的。

2.2热力学方法

磁性淬火方法；这是美国国家标准ANSI-D3520-76《热处理液淬火时间的标准试验方法(磁性淬火方法)》。将一个加热到885℃±6℃的镀铬的Φ22.22±0.13mm镍球投入到21-27℃的试液中，记录镍球从885℃冷却到镍的居里点354℃的时间，与标准液(USP美国药典白油)的冷却时间比较，求出相对冷却指数：

RCL%＝标准液的冷却时间/试液的平均冷却时间×100

热电偶冷却曲线法：这是目前公认的实验室最佳方法，它经过了60多年的历程，已经很完善，ISO9950就是在此基础上制订的。从1940年德国Rose最早使用Φ20mm的银球作为探头。后来各国又发展了许多探头，例如：法国的Φ8× 24mm，Φ16×48mm的银柱探头；日本西Φ10×30mm的银柱探头；美国Φ10×60mm的奥氏体不锈钢柱探头到英国Φ12.5mm的Inconel 600镍合金圆柱探头。选用这些材料，是因为它们在加热时不氧化，不起皮，冷却时无相变。热电偶除广泛采用的K型热电偶外，还有日本的Ag—NiA1，和德国的Ni--Ag热电偶。有铠装热电偶和热电偶丝的。有单一热电偶也有也有多支热电偶。记录仪有高速摄影机、X—Y函数记录仪、示波器以及计算机。热电偶信号的传送上有有线和无线传送。

3  温度传感器

我国目前有两个冷却性能测试标准：JB/T7951《测定工业淬火油冷却性能的镍合金探头实验方法》，该方法等效采用国际标准ISO 9950、《Industrial quenching oils-determination of cooling characteristics-Nickel-alloy    probe test method))。另一个是石化行业标准SH/T0220《热处理油冷却性能测定法》，它等效采用了日本工业标准JISK 2242《热处理油》。

JB/T7951和ISO 9950的温度传感器(探头)材质推荐为Inconel 600镍合金，它的标准成分为：镍和钴不小于72%；铬14-17%；铁6-10%；碳不大于0.5%；锰不大于1%；硫不大于0.015%；硅不大于0.5%：铜不大于0.5%。热电偶为K型Φ1.5mm的非接地型铠装热电偶。

这种Inconel 600镍合金探头比较昂贵。如果仅用于淬火介质的对比，使用中的监测和维护，也可以采用津霸牌镍合金探头。作者研制的这种探头材质为Ni80Cr20与Inconel 600镍合金的成分比较接近，而且易于获得。热电偶为Φ0.05mmK型偶丝。几年来经多个单位的试用效果很好。它与Inconel 600镍合金探头的测试数据相差不大，具有很好的实用性。这种探头价格仅是国产Inconel 600镍合金探头的1/5，是进口价格的1/10。

SH/T0220的温度传感器为Φ10×30mm的银柱探头，热电偶为Φ0.5mmK型偶丝。

原则上，这两个标准都是用来测试淬火油的，但是目前仍用它们测试水基淬火介质。普遍的观点认为：银探头测试淬火油精确些，合金探头测试水基淬火介质稳定些。

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