淬火介质冷却特性测试标准及现存问题修订方法

聂晓霖;左永平;王涛;赵晓博

【摘 要】介绍了淬火介质冷却特性测试的方法及相关标准.目前国内已广泛执行IS0 9950测试标准,实现了与国际接轨,但该标准在执行过程中存在诸多问题,导致国内不同实验室的测量结果不能进行对比,同时测试结果的重复性和再现性较差.本文对IS0 9950测试标准的部分问题进行了汇总,并针对性提出了标准修订的建议和方法.

【期刊名称】《热处理技术与装备》 【年(卷),期】2013(034)004 【总页数】6页(P41-46)

【关键词】淬火介质;冷却特性;JB/T 7951;IS0 9950;标准修订 【作 者】聂晓霖;左永平;王涛;赵晓博

【作者单位】南京科润工业介质股份有限公司,江苏南京211100;南京科润工业介质股份有限公司,江苏南京211100;南京科润工业介质股份有限公司,江苏南京211100;南京科润工业介质股份有限公司,江苏南京211100 【正文语种】中 文 【中图分类】TG154.4

根据目前热处理行业的发展状况，淬火介质主要采用淬火油和水溶性淬火介质，它们在使用过程中与高温工件直接接触，不可避免会发生理化性能的变化，因此在使

用过程中冷却性能均会发生一定程度的变化，需要进行有效地监控。这就对热处理行业提出了两个要求:一是要提高淬火介质的稳定性，保证淬火工件的性能和变形在可控的范围内;二是提供有效的冷却性能监控方式，同时根据工况条件“量身定做”淬火介质优化方法，以保证淬火介质长期稳定的使用。

淬火介质冷却性能测试的方法有很多种，如端淬试验法、硬度U曲线法、淬火烈度法、磁性试验法、热丝法、5 秒间隔试验法、冷却曲线法等［1－2］，其中冷却曲线法被公认为是最佳的实验室测定方法，因此应用也最为广泛。 1 国内外冷却特性测试标准概述

冷却特性曲线法是一种最为直观有效的反映淬火介质冷却能力的一种测试手段，从上世纪60年代开始，世界范围内开始进行冷却特性曲线法的试验，并致力于形成相关的标准。形成标准具有重要的意义，一是可以对淬火介质进行纵向性能比较，以便判断淬火介质使用过程中的性能变化;二是可以对不同试验室的测试结果进行横向比较，以便进行对比分析。

测试的标准有很多，其中最为关键的是测试探头。它需具有表面状态稳定，易于进行抛光、标定;测试的重复性、再现性优良;具有较高的使用寿命。不同的测试标准，其探头的材料、形状尺寸及测温点位置存在较大的区别，目前不同国家和国际组织的测试标准不完全相同，但主要采用银探头和镍合金探头(Inconel 600)。不同材料制作的探头测试结果比较，见图1。

图1 不同材料对测试结果的影响(中心测温探头φ25 mm×100 mm，30℃自来水)［3］Fig.1 Influence of different materials on test result(probeof center temperature φ25 mm ×100 mm steel bar，30 ℃water)［3］

日本是首先制定相关标准的国家(JIS K 2242)，采用的是银探头表面测温的形式，银探头虽然灵敏度高，但是最大的缺点是探头的表面状态难以保证，测试的重复性、再现性差。为了提高测试结果的稳定性，能够接近钢的热传导性能，英国的

Wolfson热处理中心首先提出了Inconel 600探头。Inconel 600属于高温合金，热导率与钢较为接近，同时其抗氧化性能比银好，探头表面状态更为稳定，测试的重复性、再现性较好。见表1。

表1 不同材料在室温的热导率(近似)比较［3］Table 1 Comparision of thermal conductivity(approximate values)of different materials at room

temperature［3］工业纯铁热导率/J·(s·m·K－1)材料 银 Inconel 600 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 1040 407 15.0 15.0 19 55 75

当前，使用较多的探头有美国、瑞典、英国的镍合金中心测温探头，日本的表面测温银探头，法国的中心测温银探头，其中镍合金探头已经被国际标准化组织(IFHT)推荐为国际标准，即ISO 9950:1995《Industrial quenching oil-Determination of cooling characteristics-Nickel-alloy probe test method》。不同测试标准对比如表2所示。

表2 不同测试标准比较［4］Table 2 Comparison of different test standards［4］中国材料 Inconel 600 银 银 Inconel 600Inconel 600标准 ISO 9950国际标准 NFT－60778法国 JIS K 2242日本 ASTM D 6200美国 JB/T 7951中国 SH/T 0220银探头尺寸/mm φ12.5×60 φ16×48 φ10×30 φ12.5×60 φ12.5×60 φ10×30标定液 ISO 9950标定液 ISO 9950标定液 邻苯二甲酸二辛酯 ISO 9950标定液 ISO 9950标定液 邻苯二甲酸二辛酯测试容器/mm φ115±5 φ99×138 300 ml烧杯 φ115±5 φ115±5 300 ml烧杯介质体积/ml 2000 800 250 2000 2000 250介质温度/℃ 40±2 50±2 80/120/160 40±2 40±2 80±2探头温度/℃ 850±5 800±5 810±5 850±5 850±5 810±2

在1988年，我国也颁布了2个标准，即GB 9449《淬火介质冷却性能试验方法》和SH/T 0220《热处理油冷却性能测定法》，它们均采用银探头，其中石化标准SH/T 0220借鉴了日本工业标准JIS K 2242《热处理油》。国标GB 9449于

1995年调整为行业标准JB/T 7951，1999年又对JB/T 7951做了修订。为了与国际接轨，2004年将JB/T 7951修订为JB/T 7951－2004《测定工业淬火油冷却性能的镍合金探头实验法》，该标准等量转换了国际标准ISO 9950，它们采用镍合金探头，目前该标准已沿用至今。因此，目前国内并行两个标准JB/T 7951－2004和SH/T 0220－92，其中JB/T 7951－2004应用最为广泛。国内淬火介质生产企业绝大部分采用ISO 9950标准进行冷却特性测试，而且部分热处理生产单位也配备了冷却特性测试仪，这对镍合金探头标准的推广具有很大的推动作用。 虽然ISO 9950标准在国内的推广取得了很大的进步，实现了与国际标准的接轨，但在执行过程中存在诸多问题，在解读冷却曲线时存在很多误区，不能有效发挥冷却特性测试的作用。因此应该完善相关检测标准及规范，为淬火介质的研发、生产及使用维护提供技术保证。

2 ISO 9950测试标准存在的部分问题及修订建议

为了提高国内淬火介质冷却性能监控的水平，南京科润工业介质有限公司从2006年开始自主研发冷却特性测试仪，但在研发和调研过程中发现ISO

9950(JB/T7951－2004)在执行过程中还是存在诸多问题，例如不同单位研制的冷却特性测试仪所推荐采用的标准液不同，都没有按照ISO 9950推荐的标准液执行;即使采用同样的测试仪器及标准液，不同使用单位的操作规范也很不一致，导致同一样品会产生完全不同的测试结果。从某种意义上讲，虽然都是采用ISO 9950标准，但不同测试单位的测试结果并不能做相互比较。

为了摆脱目前冷却特性检测混乱的状况，能够在热处理行业内量化分析淬火介质性能，实现对热处理工艺的精确控制。建议对ISO 9950标准中的部分检测内容进行规范。

2.1 水溶性淬火介质测试标准的缺失

目前水溶性淬火介质在国内的普及程度越来越广，例如大型铸锻件、热作模具钢、

马氏体不锈钢等类型的产品都在尝试采用水溶性淬火介质，而且工艺控制的经验也越来越成熟，但是对于水溶性淬火介质浓度的控制往往会存在偏差，导致各种热处理质量问题。

ISO 9950标准是在实验室测量静止状态下淬火油冷却性能的测试标准，目前国内还没有针对水溶性淬火介质冷却特性检测的方法。国内一直采用ISO 9950来对水溶性淬火介质进行检测，但是其测试曲线的中高温阶段冷速重复性、复核性很差，对于实际生产中浓度的控制参考意义不大。通过大量的实践证明，水溶性淬火介质的低温冷速相对稳定，目前行业内主要采用ISO 9950标准监控水溶性淬火介质的低温冷速，以对其进行浓度的有效控制。首先采用新液配置不同浓度的淬火液，通过冷却特性测试仪测试不同浓度下淬火液的300℃冷速，从而建立不同浓度与冷速的标准表格或图谱。

水溶性淬火介质不同于淬火油，搅拌强度对其冷却性能的影响较大，为了准确评价水溶性淬火介质的冷却性能，国内外相关工作者都在致力于设计介质搅动的专用测试设备。H.M.Tensi首先向ISO提出了采用搅拌器测定水溶性淬火介质的标准草案，但目前还没有被采纳，该建议采用螺旋桨对待测介质进行搅拌(Tensi装置)。经相关工作者的努力，美国材料与试验协会先后制定了用于水溶性淬火介质的ASTM D 82《Standard Test Method for Determination of Cooling Characteristics of Aqueous Polymer Quenchants by Cooling Curve Analysis with Agitation(Tensi Method)》和 ASTM D6549《Standard Test Method for Determination of Cooling Characteristics of Quenchants by Cooling Curve Analysis with Agitation(Drayton Unit)》。［4］

建议参考ASTM标准制定相应的水溶性淬火介质冷却特性检测标准，同时对浓度控制的方法进行规范。 2.2 标定液使用混乱

探头在加工制作过程中不可能完全一样，总会存在一定的偏差，导致其心部的冷却过程存在一定的差异，因此需采用一种标准液对探头进行修正。虽然ISO 9950对标定液(参考液)进行了规范，但目前在国际范围内绝大部分的冷却特性测试仪生产单位均没有采用，包括瑞典IVF仪器。而是采用自主配制的标定液、75SN、100SN或机械油等［2］。关键的问题是ISO标准液通用性差，不能得到有效普及，因此导致冷却特性检测的混乱，不同实验室的测试结果及不同淬火介质供应商提供的淬火介质检测数据存在较大的偏差。

原ISO 9950的标定液是一种非调和直接提炼的、未加任何添加剂的高粘度指数石蜡基矿物油，但是在国内难以获得这种标定液，因此很多单位采用类似的75SN或100SN等基础油。基础油的特点是比其它油品测试的重复性、再现性好，能够保持长期使用的稳定性。采用科润公司KR-SQT冷却特性测试仪检测的某基础油冷却曲线见图2，测试曲线的重复性较好，几乎完全重叠，可见ISO 9950标准选定基础油作为标定液还是有其合理性的。

图2 某基础油测试曲线(5组数据，粘度18.84，测试油温60℃)Fig.2 Cooling curve of a base oil(5 sets of data，viscosity 18.84，oil temperature 60 ℃) 为了便于国内不同实验室的测试结果进行比较，首先需统一标定液。由于ISO 9950标定液在国内难以获得，因此需选择一种能够有效代替原标定液的介质。基础油作为淬火油冷却性能测试的标定液有其科学性和合理性，但关键的是不同生产厂家的基础油存在一定的差别，并不能保证“参照物”的一致性。若采用类似ISO 9950标定液的基础油作为标定液，需固定相关的生产厂家并对其理化性能指标做严格的规范。

与我国类似，美国材料与试验协会相关标准ASTM D 82、ASTM D 6549和ASTM D 6200也完全采用了ISO 9950标定液。但由于该标定液冷速偏慢(47～53℃/s)，在测量冷速较快的介质时会存在偏差放大的问题，如测量快速油、水溶

性淬火介质、盐浴等，目前瑞典IVF选择了自己配制的快速油作为标定液(最大冷速108℃/s左右)。同时具有物态变化的介质其冷却过程存在较大的不确定性，特别是蒸气膜冷却阶段。目前使用的标定液均为油基，在淬火冷却过程存在汽化过程，其冷却特性测试存在较大的波动范围。标定液选择不当不仅不能实现“参照物”的统一，还会导致其测试系统误差的增大，建议寻找一种易于获得、通用性好、冷速较快的标定液，以修正测试探头的系数。基于上述考虑，本文进行了大量测试研究，如去离子水、不同比例KNO3和NaNO2熔盐、KOH和NaOH熔碱等。通过实验发现，35%NaOH和65%KOH熔碱的冷却性能测试重复性较好，同时随着温度的变化其最大冷速的变化不明显。如图3所示。

图3 同一探棒不同温度下熔碱的冷却特性曲线(1000 ml，静止)Fig.3 Cooling curve of alkali in different melting temperaturesby same probe(1000 ml，still)

为了验证熔碱作为标定液的可行性，采用两个不同系数的探棒在同一条件下测量上述熔碱，采用基础油标定的两个探棒系数如表3所示。测试曲线如图4所示，可以看出熔碱所测结果与基础油测试的规律性基本一致。

表3 两个不同探棒的系数Table 3 Coefficients of two different probe序号 探棒1 探棒2探棒系数0.982 1.060 2.3 操作规范需具体化

ISO 9950对于检测的规范不够具体，检测的一些外界条件和装置的较小区别对于检测的结果也会产生影响。探头温度和油温对于冷却时间影响较大，例如，850℃冷却到600、400和200℃的时间;油温、油的体积、探头在容器中的位置会明显影响最大冷速;探头在容器中的深度对于最大冷速所在温度影响较大［5］。鉴于边界条件对于测试结果的影响，需要在实验室中对检测的各个边界条件进行严格的规范，具体细节如下:

图4 不同探棒采用熔碱的测试曲线比较(1000 ml，220℃，静止)Fig.4 Comparison of cooling curves of molten alkali with different probe(1000 ml，220 ℃，still)

(1)测试容器的深度、待测介质的容积需具体规范化，可参考ASTM D 6200; (2)探棒加热温度、保温时间做更严格的规范; (3)探头在测试容器中的几何位置做具体规范; (4)探棒修磨方式及表面状态做具体规范。

探棒表面状态是决定测试稳定性的关键因素，不同的表面粗糙度和表面氧化状态对于淬火油润湿的过程有较大的影响，因而导致其冷却特性曲线存在不同程度的差别［3，6－7］。如图 5、图 6 所示。

虽然ISO 9950标准规定需采用600目的金刚砂砂纸进行抛光，但是目前瑞典IVF仪器规定使用320目的砂纸进行抛光。经过大量试验验证，采用320目砂纸抛光校准的探棒，其测试的重复性比600目砂纸要好，这种现象值得我们去深入研究。 2.4 待测介质的温度需具体规范化

ISO 9950对不同介质的测试温度没有做详细的规范，导致不同测试单位千差万别，实践证明待测介质温度的不同对于测试结果存在较大影响。油温的不同对于探棒表面的换热能力产生明显的影响，对此Renata Neves Penha等人做了深入的研究，建立了探棒表面不同温度下换热系数的函数关系［7］，其曲线与冷却特性非常相似，如图7所示。随着测试油温的提高，最大冷速和最大冷速所在温度会相应提高，但300℃冷速几乎不受影响，同时油温提高还可以提高油品流动性，增强其换热能力［8］。本文选用快速油和等温分级淬火油在不同油温下进行试验，也验证了上述结论。如图8、图9所示。

图5 CrNi钢探头表面氧化层对润湿过程的影响(试样φ15 mm×45 mm;CrNi探头，较小的棱角半径:5 mm，回火条件:920 ℃，0 s ≤t≤ 3 h，无保护气氛)［6］Fig.5

Influence of oxide coatings to CrNi steel probe on the wetting during immersion cooling in water(Specimens:φ15 mm×45 mm，CrNi probe，lower edge radius:5 mm;annealing condition:920℃，60 s≤t≤ 3 h in unprotected atmosphere)［6］

图6 探头表面粗糙度对润湿过程的影响［6］Fig.6 Influence of probe surface roughness Rton the wetting time(tf － ts)［6］

图7 探头表面换热系数随温度的变化曲线［7］Fig.7 The variation curve of heat transfer coefficient to temperature［7］

图8 某快速油不同油温冷却性能(粘度21.5)Fig.8 Cooling property of a rapid oil in different temperature(viscosity 21.5)

图9 某等温分级油不同油温冷却性能(粘度78.5)Fig.9 Cooling property of a isothermal oil in different temperature(viscosity 78.5)

鉴于测试温度对测试结果的影响，可参照日本JIS K 2242标准，根据介质的粘度区别采用不同的测试温度，本文建议测试温度如表4所示。

由于上述冷却特性检测存在的问题，虽然很多热处理生产单位采用冷却特性曲线法监控淬火介质，但是从某种程度上讲，还是停留在定性分析的层面上，检测数据存在较大的偏差。不同试验室的测试结果不能进行比较，同时国内也没有相关的仲裁检验部门，导致整个淬火介质行业冷却性能测试非常混乱。目前国内冷却特性检测标准亟需规范化，能够实现统一的量化分析和量化管理。

表4 不同粘度介质推荐测试温度Table 4 Recommended test-temperature for different viscosity quenchant粘度范围 水溶性淬火介质 ≤40 Cst40～90 Cst≥90 Cst推荐温度/℃ 30 60 80 100 3 结论

本文详细介绍了国内外淬火介质冷却特性测试的方法及相关标准。目前国内已广泛

执行ISO 9950测试标准，实现了与国际接轨，但该标准在执行过程中存在诸多问题，导致国内不同实验室的测量结果不能进行对比分析，同时测试结果的重复性和再现性较差。本文对ISO 9950测试标准的部分问题进行了汇总，并针对性提出了标准修订的建议和方法。 参考文献

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