淬火油的選用與管理(五)-黃立燈
2007-08-05
淬火油的選用與管理(五)
黃立燈
曾經長期任職中油公司的黃立燈先生，浸研潤滑油知識多年，具有豐富的學養與實務經驗。此次經本社情商，將陸續在月刊中批露大作，敬請期待！
（一） 淬火油的選擇
如果淬火油的選用不正確，會導致工作之淬火硬度不均勻、變形、裂痕、淬火成品表面光輝不佳等情形。
1. 淬火油應具備的性能
（1） 冷卻性能：能獲得所需的硬度，須具有充分的冷卻性能。
（2） 工作淬火時不產生裂痕及變形。
（3） 不損害成品的光輝性。
以上三點為選用淬火油之要訣。
2. 冷卻性能
冷卻是傳熱的問題。傳熱的方式有傳導、對流、輻射等，實際上是這些基本傳熱現象的組合。冷卻過程分為三個階段。第一階段是蒸汽膜階段（vapor stage）。由於高溫而產生之蒸汽包圍著工作，因其熱傳導性緩慢，冷卻亦緩慢進行，溫度下降至某溫度時，蒸汽膜破裂，而進入第二階段，由第一階段移至第二階段之A點的溫度稱為“特性溫度”。第二階段是核沸騰階段（boiling stage）。由於蒸汽膜破裂時，油奪去了工作之熱而劇烈沸騰，使工作之冷卻急速進行，此階段稱為核沸騰階段。
冷卻性能是決定於第一階段與第二階段之過程，即為特性溫度越高，蒸汽膜階段越短；又核沸騰階段之形成越是急劇，則冷卻性能越好。優良淬火油之特性溫度約為600℃左右。
第三階段是對流階段（liquid convection stage）。在此階段因溫度下降而停止沸騰，此時之溫度約為300℃（此為對流階段開始溫度）成為只有“對流冷卻”，此時的冷卻速度慢，此一階段稱為對流階段。對流開始溫度務必低，且須繼續至更低溫度。此一點，對淬火油的冷卻性能來說雖然很好，但如果溫度過低，會增加工件產生裂痕或變形之危險，水淬火時，此種危險最大。除了上述的要素以外，要考慮的是淬火油的特性。淬火油需具備的特性是下述的四點：
•適當的黏度：在淬火浴（quench bath）溫度下循環良好，且能減低油被工件帶走（黏在工件表面），符合經濟效益，通常是100～200SUS at100℉。
•在淬火浴溫度下揮發性低，亦即閃火點和著火點要高。
•高溫穩定性要高，減少油的裂解與氧化而產生有害的淤渣，並有助於金屬的均勻硬化與淬火油的使用壽命。淬火油的冷卻性，雖然在使用之初期於各階段均呈理想的冷卻性能，如果經數月或一年之後，其冷卻性能就衰退是很不經濟的。衰退之原因是在高溫下反覆使用而氧化，油變稠黏度上昇與冷卻性能改進劑劣化等為其主要原因。於是在高溫淬火浴下反覆使用也不易氧化、劣化的“優異氧化穩定性”是淬火油的重要特性。
•在終階段有較低的冷卻速率，能防止或減少高碳鋼和期他鋼來自誘導應力的畸變。
綜合以上各點，淬火油必需具備的條件：
特性溫度高，而蒸汽階段短。
沸騰階段的急劇度要大。
對流階段開始溫度適當而短，且能繼續至更低溫度。
長期間使用亦不易劣化。
淬火油除了需滿足這些條件之同時，亦需考慮淬火加工鋼材之材質、形狀、要求硬度等等的條件來選擇具有適當冷卻性能的淬火油。
例如鋼材本身的硬化性低，或難予冷卻的黑皮鋼材及原鋼材等之淬火時，應選用低黏度且具能冷卻至低溫度性能之淬火油。又例如輸送網帶連續爐之單件淬火時，比蒸汽階段短，更為重要者是考慮鋼件的材質、形狀、要求硬度等因素來選用低黏度淬火油。
（二） 防止淬火變形的性能
選用淬火油的第二個重點是防止淬火變形之性能。圖14是以L型工件說明各部分的冷卻速度之情形。
平面的冷卻速度為“1”時，其他面的冷卻速度各為“3”倍“7”倍，或相反的“1/3”。防止淬火變形，有麻田散淬火法或麻回火法的處理方法。此與普通淬火時的急速冷卻不同，是在鋼材組織開始變化的溫度之稍前或即前，把工件於某一時間內，保持為一定的溫度，使工件之表面部分與中心部分之冷卻速度均勻，使鋼材組織緩慢地發生變化，因此，把淬火油加熱至100～180℃淬火，調整其冷卻速度來抑制變形的發生。把淬火油加熱至100℃以上的溫度使用，一般稱為熱浴淬火。在熱浴淬火時，其對流階段的溫度較高，因此，在低溫區域的冷卻緩慢進行，可使變形或破裂的情形減少至最低限度。但是，雖然防止了變形，如果未能達到所需硬度仍然無效。工件的硬度，還是以急速冷卻至低溫才能使工件中心部的硬度增加。因此，需要依所要求的中心部的硬度來調整淬火油溫度，如果需要使工件軟時，提高油溫淬火，需要硬時降低油溫淬火。
通常油溫是如下圖分為三個階段使用。
淬火油的冷卻性能不但與油有關，亦與黏度有關；黏度較低之淬火油，在低溫區域的冷卻性能較好。因此，如果需要減少發生變形，應使用高黏度之油，並以高油溫使用；在容許變形的範圍內，如需更高硬度時，相反的用低黏度油以低油溫使用。
想要減少變形之同時，又要使中心部硬度能達到所需硬度時，須依上述之方法調整淬火油之黏度與油溫。圖15是說明油溫與硬度，以及黏度與變形的關係。