左永平 权纯逸
摘 要：本文介绍了航空工业常用淬火介质的种类，机械油和自来水正逐渐被专业淬火介质所替代。同时对航空工业使用的淬火介质相关标准进行解读和分析。
关键词：航空工业；淬火介质，淬火油；标准；HB5415
淬火介质作为一种工艺材料，是冷却路径控制的重要媒介，使材料获得期望的组织和性能，赋予材料极限服役性能。近年来我国航空工业取得了较大的技术进步，但在热处理领域同样存在的”重热轻冷“的现象，即重视加热装备和工艺而轻视淬火冷却的重要性。
淬火介质的种类有很多，根据其特性可分为两大类，类是发生物态变化的，第二类是不发生物态变化的。类常见的有水、盐或碱水溶液、高分子聚合物水溶液、乳化液(浆状液）、淬火油等；第二类常见的有盐浴、碱浴、金属浴、气体、金属板等。随着材料热处理以及化学工业的发展，各工业发达国家相继研究和发展了各种类型的一系列新型的淬火介质，以适应制造业发展的需要，并且对各种淬火的冷却特性及其物理、化学性能以及评价性能的装置和方法等方面逐步进行了比较系统的研究，有的已形成体系和规范。
01 淬火油的应用
淬火油存在植物油基和矿物油基两种，因植物油稳定性差，在航空工业中也早已被矿物油基所代替。我国从上世纪70年代以后，逐步开始对矿物基淬火油进行研究，参考先进工业国家在淬火冷却方面所做的工作，经过长时间的探索，基本填补了专用淬火油的空白。我国现有的热处理专用油主要有快速淬火油、光亮淬火油、快速光亮淬火油、真空淬火油、等温分级淬火油等多系列专用淬火油[1]。
●机械油的应用
我国航空工业的部分热处理车间，仍在采用N15和N32全损耗系统用油（机械油）做为淬火油。机械油主要用于机器润滑，不是热处理专用淬火油，在其它行业已基本淘汰。按照JB/T6955-2008《热处理常用淬火介质 技术要求》，表一摘取了N32、快速淬火油不同油温下的冷却特性：
从表一中对比发现，N32的冷却性能远远低于快速淬火油的冷却性能，在热处理实际生产中，冷却能力差会对产品的带来较为严重的影响，特别是对于有一定尺寸效应的产品，影响更为明显。
机械油的使用在一定程度上限制了热处理产品水平的提升，经过实践证明使用专业淬火油在实际生产中的效果，对于提高产品质量具有较为明显的效果，采用专业淬火油取代机械油是必然趋势。
近年来，越来越多的航空企业进行技改和工厂搬迁，逐渐将专业油品引人到生产实际中，代替传统的机械油。金城南京机电液压工程研究中心至03年起将快速淬火油引入多用炉生产线中，至今已稳定生产十多年，相对与原来所使用的机械油，工件表面硬度更为均匀，硬度值同比更高，同时处理产品的有效淬硬层深也有所提高；同时，油品的稳定作用、长时间使用仍维持了工艺的稳定性，得到了广泛认同。洪都航空工业集团、中航西安航空制动科技有限公司、鹰普航空铸件（无锡）有限公司、中国航发中传机械有限公司等企业，在设备革新及工艺改进过程中，逐步采用专业淬火油取代传统的淬火油，为整个航空工业的质量提升提供了基本的参考依据。[1]
●真空油的应用
真空油淬是目前真空热处理的主要工艺之一，目前国内主要航空企业都在大量使用，如沈飞、西飞、成飞、洪都等航空企业。真空油淬技术发展过程中曾遇到的技术难点是真空油淬增碳问题。上世纪七十年代我们的试验研究表明，真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能下降，近三十年解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术关键[2]。
淬火油受热分解会形成的活性碳原子，主要发生在蒸汽膜阶段，淬火温度越高越容易渗入，使工件表面形成增碳层；同时钢在真空高温加热时其表面被活化，加热室真空度越高表面活化程度越高，越容易出现增碳现象。为防止该现象的产生，应选择具有高饱和蒸汽压的真空淬火油和改进热处理工艺。例如，高速钢真空油淬可能在工件表面形成30~40μm的增碳白层，为防止增碳现象，可选择合适的加热真空度，采取先充气后入油或气—油两段冷却法等措施进行改善[2]。
图1 某模具材料真空油淬增碳现象
02 水溶性淬火介质及其它淬火油介质的应用
水及水溶性淬火介质的应用在航空工业?也很广泛，水溶性淬火介质一般分为盐碱类水溶性淬火介质和聚合物类水溶性淬火介质。盐碱类水溶性淬火介质以NaCl和CaCl2水溶液Z为常见，在航空企业中应用也很多，例如一些厚大碳素钢工件都在采用水淬油冷工艺。聚合物水溶性淬火介质种类也很多，常见的有聚二醇 (PAG)、聚乙烯醇 (PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮 (PVP)、聚丙烯酸钠 (ACR)等，这些介质通过改变浓度、温度和搅拌方式能使其冷却能力在很大范围内变化，具有介于水和油之间的冷却能力。
聚合物水溶性淬火介质以PAG 类应用Z为广泛，在汽车、工程机械等行业应用非常普遍，PAG淬火液已经成熟替代水淬油冷工艺，在保证不开裂的情况下具有更深的淬硬层。但因航空工业小批量多品种的行业特点，传统多采用盐浴炉加热，限制了PAG淬火液的推广。但随着盐炉被底装料等设备取代，PAG淬火液也逐渐应用于黑色金属。
PAG淬火液还有少部分企业应用于铝合金固溶，例如成飞、西飞和商飞。PAG淬火液可有效减小铝合金变形50%以上，国外应用比较普及，具有成熟应用工艺和标准体系[3,4]。虽然聚合物淬火剂价格比水贵，但由于能减少变形，减少校正工时，降低产品报废率，使总成本大幅度降低。例如波音公司采用聚合物溶液淬火，几乎消除了淬火畸变，一年总共节省的校正费用超过60万美元[3]。
图2 2A12板材采用PAG和自来水淬火变形对比
航空工业中熔盐、熔碱、铅浴也有一定应用，其中熔盐应用Z为常见，主要用于马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火及“索氏体淬火”。这些淬火介质属于没有物态变化的介质，根据产品的某些特殊技术需求，还很难被其它淬火介质所替代。
03 航空行业使用相关标准分析
目前淬火油的国家及行业标准主要有GB/T 7631.14、GJB 509B、SH/T 0564、HB 5415、JB/T 6955、JB/T 13026、JB/T 13347、TB/T 2748等，航空工业中主要采用GJB 509B与HB5415两个标准，其淬火油的分类存在明显的差异甚至矛盾，淬火油粘度分类对比如表二所示。
基于航空行业标准体系的问题，北京航空材料研究院佟小军研究员从2015年起组织对HB 5354、HB 5415进行修订，笔者有幸参与淬火介质相关内容的修订工作，推进GJB 509B和HB5415标准中不科学和矛盾的技术内容进行完善。
全损耗系统用油行业通俗上称为普通淬火油，也就是常用的N15和N32（机械油），但普通淬火油的称呼并不规范。HB 5415和GJB 509B中也称为普通淬火油，其中GJB 509B将N15和N32整合在一起，不利于油品选型和规范使用。
超速淬火油在HB 5415没有列出，统一归属在快速淬火油中。随着行业发展，超速淬火油的应用越来越广泛，可作为独立的类型，其中GJB 509B也已经规定了超速淬火油做为独立的油品类型。超速淬火油主要应用于低淬透性的碳素结构钢或淬硬层要求高的产品，其典型的特点是粘度低，低温冷速快。GJB 509B规定的粘度为13－21mm2/s，但实际行业中常见的超速淬火油的粘度一般在8－13mm2/s之间，其指标要求不合理。建议参照SH 0564修订，粘度≤17mm2/s。
快速淬火油的粘度不同标准差异较大，GJB 509B规定为21－29mm2/s，HB5415为≤20mm2/s，行业中快速淬火油的粘度一般在12－25mm2/s，GJB 509B的指标要求不合理，不利于油品选型。建议快速油粘度指标参照SH 0564和JB/T 6955，规定为≤26mm2/s。
快速光亮淬火油是一种常见的淬火油类型，适用于气氛保护状态下工件淬火。GJB 509B中粘度规定为35－44mm2/s，HB 5415中规定≤38mm2/s。市场上常见的光亮油粘度一般在15－35mm2/s，GJB509B的粘度规定不合理，实际指导意义不大。因此，建议快速光亮油粘度指标参照HB5415、SH0564和JB/T 6955，规定为≤38mm2/s。
光亮淬火油适用于对产品光亮性要求较高的工况，目前在汽车工业、软氮化等领域有一定的应用，但在GJB 509B并没有规定该类型。随着行业的发展及需求的多样化，光亮淬火油有其特定的应用领域，应保留该类型，参照HB 5415、JB/T 6955执行相关指标。HB 5415中规定了两种光亮淬火油，分别为≤18mm2/s、≤38mm2/s，但实际的工程指导意义不大，建议按JB/T 6955相关指标执行。
真空淬火油在航空企业应用比较广泛，仍沿用原来的分类方式快速真空淬火油和真空淬火油。但HB 5415中粘度测试采用50℃，并无实际工程意义，且不利于不同类型油品的横向对比。因此，按同GJB 509B、SH 0564和JB/T 6955一样采用40℃检测粘度。HB 5415中真空油的粘度在25-50mm2/s（50℃）存在空白，同样GJB 509B在粘度30-35mm2/s（40℃）存在空白，但行业中均存在上述真空油，HB 5415和GJB 509B均存在不足。因此，快速真空淬火油和真空淬火油的粘度指标借鉴JB/T 6955和SH 0564执行。建议修订快速真空淬火油粘度20－35mm2/s，真空淬火油粘度35－70mm2/s。
等温（分级）淬火油不同标准的称呼不同，目前行业上均称呼为等温分?淬火油。GJB 509B称为低温分级淬火油和高温分级淬火油，SH 0564称为1号等温分级淬火油和2号等温分级淬火油，而HB 5415中没有规定等温（分级）淬火油。为了统一称呼，且易于在行业中达成共识，建议执行JB/T6955中的规定，分别为快速等温（分级）淬火油和等温（分级）淬火油。快速等温（分级）淬火油粘度为40－70mm2/s，等温（分级）淬火油粘度为＞70mm2/s。
HB 5415冷却特性测试采用的是银探头标准，GJB 509B采用镍合金探头，因银探头和镍合金探头是两个独立的标准体系，相互之间的数据没有线性关系或换算关系。镍合金探头评价的方法同银探头有很大区别，银探头通过特性温度和特性秒来评价，而镍合金探头标准主要通过上特性温度、Z大冷速、下特性温度来评价。目前国内绝大部分镍合金探头标准，为了便于贯彻实施，建议冷却特性测定采用GB/T 30823镍合金探头标准。
04 小结
航空工业属于高端装备制造业，目前我国仍部分采用传统的淬火介质，如机械油和自来水等，新型淬火介质的应用和普及程度同其它工业领域有一定差距。同时航空工业使用的淬火介质相关标准体系也不完善，存在诸多不科学和矛盾的问题，亟需进行标准的修订，以推进航空工业高质量发展。
参考文献：
[1]郄小龙, 谭砚, 金军兵. 专业淬火油与全损耗系统用油冷却性能对比，《金属加工-热加工》[J]. 2012，2:167-169.
[2]王广生.航空热处理技术改造，《热处理技术与装备》[J]. 28 (2):1-10
[3]吴瑞豪,冯敏.B-757飞机铝合金零件聚合物淬火,《金属热处理》[J].2001,1:48-50
[4]史春玲,李海琴.铝合金淬火使用聚合物淬火剂的应用研究,《材料工程》[J].2010,1:5-8
（来源：南京科润工业介质股份有限公司）
