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硝盐浴在轴承热处理中的应用与管理

2006年国内轴承生产厂家开始采用低温硝盐替代淬火油作为淬火冷却介质,随着硝盐的投入使用,轴承零件的淬火方式实现了淬火冷却技术的跨跃式发展,目前低温盐浴淬火在轴承行业相当普及。我公司拥有多条氮基保护气氛的辊底式盐淬自动化生产线、辊底式马贝热处理生产线的热加工设备,其所用的淬火冷却介质大都实现了硝盐浴淬火代替淬火油,并积累了丰富的应用技术经验。


通过使用硝盐淬火冷却介质扩大了GCr15钢的应用范围,滚子由φ30mm扩大到φ40mm,钢球由φ42mm扩大到φ50.8mm,套圈有效壁厚由15mm扩大到24mm,为高碳铬轴承钢的材料代用降本增效,提供了强有力的技术保障工艺。硝盐溶液淬火过程中没有蒸气膜阶段,高温区冷却速度很快,所以对于厚壁工件可以获得优良的淬火组织,而在低温区等温时冷却速度近乎为零,所以淬火变形很小。硝盐的冷却速度可以通过变化含水量进行调节,十分简单方便。


随着低温硝盐的广泛使用,也存在着订货、验收及管理的规范性问题,若订货产品发生质量问题而后续的验收工作跟不上去,直接影响淬火冷却介质的冷却性能。近十年来,通过加强硝盐淬火冷却技术的应用及管理,轴承套圈的热处理内在质量得到了较好的控制,减小了产品的留量,提升了产品质量的层次和水平,不断满足主要主机配套轴承的精度、性能、寿命、质量稳定性及可靠性的要求,使得轴承零件的热处理质量大大提升。


1.硝盐订货技术要求

硝酸钾+亚硝酸钠的混合盐应用于金属材料热处理行业拥有多种的配比,对于高碳铬轴承钢制轴承零件而言,由于硝盐混合盐的配比为50%KNO3+50%NaNO2配比会更好控制,在轴承热处理行业比较常用;而且50%硝酸钾+50%亚硝酸钠的混合盐,属于低温盐浴系列,所以实际使用的生产厂家更多一些。为了保证进厂的硝盐质量,规定了相关的订货技术要求,该组分盐的熔化温度为140℃,考虑到仪器误差等因素,因此规定验收的混合硝酸盐熔点如表1所示。


第一种方式:单组分的盐采购标准执行《HB 5408 航空热处理用盐规范》,淬火用盐的成分为亚硝酸钠和硝酸钾,单组分要求如表2所示,自行配比按照各占50%进行配置。


第二种方式:生产厂家配制混合硝酸盐(或直接使用)的各单组分(硝酸钾、亚硝酸钠)也应符合《HB 5408航空热处理用盐规范》要求,最终提供各含有50%配比的亚硝酸钠和硝酸钾混合态淬火用盐,其组分要求如表3所示。若是自行配置,高碳铬轴承钢制轴承零件淬火用硝酸盐相应熔点及配比应符合表1、表2规定,若厂家直接提供混合硝酸盐时,其熔点及配比应符合表1、表3规定。

表1  混合硝酸盐熔点要求

配比(质量分数,%

熔点/

50%硝酸钾+50%亚硝酸钠

140145

表2  硝酸盐的化学成分

指标项目

指标要求(质量分数,%

硝酸钾

亚硝酸钠

纯度

98.7

99.0

硫酸根

0.18

0.10

碳酸根

0.05

氯离子

0.30

0.30

亚硝酸盐

0.05

钙镁铁总量

0.10

水不溶物

0.10

0.10

水分

0.50

0.50

表3  混合硝酸盐的化学成分及pH值

指标项目

指标要求

主含量(%

硝酸钾49.35亚硝酸钠49.5

水分(%

0.50

硫酸根(%

0.05

碳酸根(%

0.05

氯离子(%

0.30

钙镁铁总量(%

0.10

水不溶物(%

0.10

pH值(1%的水溶液)

6.58.5

2.淬火用盐验收

淬火用盐进厂后,对生产厂家提供的第三方检验出具的原件质量检验证明和供方出具的原件质量进行对标检验,并放置在特定的仓库予以保存管理;每批次应随机取样,取样重量为500g,放入容器内,注明生产厂家、产品名称、批号、数量、生产日期、进厂日期,相关部门按表1进行熔点的检验,合格后方可发货使用。生产现场领用的盐根据消耗量的多少随领随加,不准在生产现场存放;生产部门领用的盐在使用过程中发现颜色异常或其他异常问题时应停止使用,通知相关部门处理;该类材料在领用运输过程中应轻装轻卸,防止撞击,防止日晒、雨淋,不得与有机物、还原剂及易燃品等物质混运。


3.硝盐浴管理使用

硝盐浴是指亚硝酸钠和硝酸钾混合盐加热熔化后形成液态介质,属于低温盐浴。开炉前,检查淬火槽是否需要添加淬火冷却介质,根据消耗量的多少确定添加量。添加时应从熔盐槽装料口加入,禁止从淬火槽中添加;熔盐和打盐应保证浓度的均匀性:起动熔盐槽后,当盐浴温度达到150℃以上时开起搅拌机,保证使用盐浴浓度的均匀性。当熔盐槽的温度达到工艺要求时结束熔盐,将熔盐槽中的盐打入到淬火槽中,并开起其中的搅拌装置,淬火槽达到工艺要求温度时方可加工产品。不允许在淬火盐槽或熔盐槽中放入其他物品。


高碳铬轴承钢制轴承零件淬火用硝盐浴工艺要求温度控制在(160±5)℃~(240±5)℃,根据不同的组织和性能要求,选择不同的淬火冷却介质使用温度。对于风电及铁路轴承零件等重点产品正常生产时,盐浴介质冷却性能应采用淬火烈度测试仪实时在线监测。要求采用失重法对淬火烈度测定仪按照相关规定进行定期校验。根据产品的型号按工艺要求选择不同的淬火烈度值和不同的含水量控制,按照作业规范进行水量添加。加工轴承零件的纯盐浴冷却能力不足,需要向淬火槽中加入自来水,将淬火烈度控制在工艺要求范围内,淬火烈度用淬火烈度测试仪实时在线监测,并建立相关台帐记录。若连续淬火,盐浴中水含量应及时补充:水的添加量及添加频率按相关规定执行。若不能达到工艺要求的盐浴温度和淬火烈度时,应查清原因,给予调整;当淬火烈度达到稳定及盐浴温度满足工艺要求后方可进行淬火;若发现水含量严重超标,应查明原因,及时调整,方能继续生产。当淬火槽中盐浴液面低于下限时,应停止淬火,并向淬火槽中加入适量淬火冷却介质,待盐浴温度和淬火烈度达到工艺要求,且盐浴温度和淬火烈度稳定后方可继续淬火。短期停炉时,需将淬火槽保温,防止熔盐凝固;长时间停炉或设备维修时,需将淬火槽中的熔盐全部返回到熔盐槽。


依据《JB/T 10175—2008,热处理质量控制要求》,结合生产实际,淬火冷却介质混合硝盐浴在生产使用过程中每半年检验其总碱度≤0.05%;硫酸根离子含量≤0.2%,氯离子含量≤0.50%。取样时应开起淬火槽搅拌装置,检验结果符合要求时可使用,否则应进行调整或更换盐浴。从盐水分离器中分离的盐应每天按要求定时添加到淬火槽中,进入盐浴中的零件清洗工序必须保证清洗干净,若工件达不到清洗要求,应停止加工。


4.硝盐浴定期过滤

当氮基保护气氛的辊底式盐淬自动化生产线连续工作一定时间后,应对封闭的盐槽中的硝盐进行定期过滤,由于工件清洗不干净或炉内氮基气氛过高所导致的炭黑难免使得硝盐浴中带入一些杂质。我公司曾对使用约一年的生产线采用过滤机进行了现场过滤,将低温硝盐浴通过抽盐泵从槽液中抽取送入可移动的过滤机中进行过滤,最终可发现在过滤袋中的凝固盐块中含有不少的黑色杂物,连续过滤16h后,约有将近20kg的杂物出现。附图为现场过滤机的安装使用场景,附图a为过滤机以及连接的管道,附图b为连于过滤机的管道以及抽盐泵。从熔盐槽将其盐浴抽出后经过滤机过滤后,进入熔盐槽的另一槽口。抽盐泵固定于熔盐槽一入口的上方。

(a)过滤机

(b)抽盐泵

辊底炉生产线现场过滤

5.环保方面

首先采用了独特的废气处理技术使硝盐蒸气的排放量为零。其次硝盐槽的加水系统中,所加水从清洗机初洗槽引入,降低了清洗机清洗水中盐的浓度,而且清洗机配有盐浓度自动监测装置和盐水自动分离装置,盐浓度超过设定上限时盐水自动分离装置自动开起,分离后的盐可以回收并放入硝盐淬火槽重新利用,可使含盐废液排放为零,符合环保要求。作为一种简单的离子结晶体比淬火油化学结构稳定,永远不会变质,可无限期使用,带到清洗机中的盐经盐水分离后可以放回淬火槽重新利用。

作者:李昭昆、董汉杰、张玲

单位:洛阳LYC轴承有限公司、航空精密轴承国家重点实验室

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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