PAG淬火介質(zhì)在合金結(jié)構(gòu)鋼前軸余熱淬火中的應(yīng)用

湖北神力鍛造有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部（丹江口 442700）劉中陽 朱 誠(chéng)

在淬火熱處理工藝中采用的冷卻介質(zhì)稱為淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)可以是固體(借熱傳導(dǎo))、液體或氣體，它對(duì)保證淬火工藝實(shí)施有重要作用。普通淬火過程一般使用的淬火介質(zhì)是水和油，但這兩種介質(zhì)均存在各自的缺點(diǎn)，不能滿足合金結(jié)構(gòu)鋼前軸熱處理的生產(chǎn)要求。本文相繼介紹了合金結(jié)構(gòu)鋼前軸鍛件對(duì)淬火介質(zhì)本身的要求，傳統(tǒng)淬火介質(zhì)的局限性，新型PAG淬火介質(zhì)的優(yōu)良性能，最后結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，列出了PAG淬火介質(zhì)在我公司的使用情況和經(jīng)驗(yàn)。

一、介質(zhì)介紹

1.水和油普通淬火介質(zhì)性能

對(duì)于鍛件的淬火熱處理過程，最重要的是對(duì)淬火溫度和淬火介質(zhì)的控制，淬火介質(zhì)必須要有足夠的淬火能力或冷卻能力，其冷卻速度越快，越有可能獲得較大的淬硬深度，但過高的冷速又將增加工件截面溫差，使熱應(yīng)力與組織應(yīng)力增大，易引起變形開裂。因此，冷卻能力又不宜過于劇烈，其冷卻能力必須保證工件以大于臨界淬火冷卻速度冷卻，從而獲得較好的力學(xué)性能。理想的淬火介質(zhì)冷卻特性曲線見圖1，在過冷奧氏體分解最快的溫度范圍具有較強(qiáng)的冷卻能力，而在Ms點(diǎn)附近冷卻較緩慢。這樣，既可保持較高的冷速，又不致形成過高的淬火應(yīng)力。

圖1 理想淬火冷卻介質(zhì)的冷卻曲線

圖2 純水的冷卻特性曲線

水是一種汽化熱高，傳熱系數(shù)高，化學(xué)穩(wěn)定性好，以及便宜和使用方便的淬火介質(zhì)，是大部分廠家進(jìn)行普通碳鋼淬火熱處理時(shí)的選擇。但是水的冷卻速度會(huì)隨水溫的變化而產(chǎn)生較大的差異。650～550℃區(qū)間的冷卻速度小于300～200℃的區(qū)間，純水的冷卻特性曲線見圖2，當(dāng)水溫升高，冷卻能力急劇下降。水在高、中溫區(qū)的冷卻能力并不強(qiáng)，但是在300℃附近，其冷卻能力又很大，而該溫度正是大多數(shù)鋼的馬氏體相變范圍，因此，純水的冷卻特性與要求的理想淬火介質(zhì)的特性相反。在過冷奧氏體不穩(wěn)定區(qū)冷卻能力不強(qiáng)，而在低溫區(qū)又冷速很高，即使工件能淬硬，其熱應(yīng)力與組織應(yīng)力也很高，易造成工件變形和開裂。故一般只使用水作為碳素鋼鍛件的熱處理用淬火介質(zhì)，不用于合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件。

淬火礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎(chǔ)油，它具有閃點(diǎn)高，粘度低，油煙少，抗氧化性與熱穩(wěn)定性較好，以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，也是大多數(shù)工業(yè)淬火用油的選擇。但淬火油的中溫度區(qū)間的冷卻能力太小，僅為水的1/5～1/6，作為淬火介質(zhì)其冷卻速度較緩慢，特別在“鼻尖”（見圖2）溫度區(qū)域冷速較低，對(duì)截面較大的碳鋼及低合金鋼不易淬硬，而且淬油后工件表面易沾污，不夠光潔，油經(jīng)過長(zhǎng)期使用后會(huì)老化，需要定期更換，成本高；在淬火時(shí)產(chǎn)生的油煙污染空氣，不利于環(huán)保和操作工人的健康；而且，易著火是油在淬火時(shí)最大的安全隱患。所以，淬火油只適用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀簡(jiǎn)單、要求淬火變形小的工件。

2.PAG淬火介質(zhì)

PAG淬火介質(zhì)是由環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的無規(guī)共聚物制得，是一種水溶性淬火介質(zhì)，常用的品種中主要成分的分子量約為13000。當(dāng)溫度升高時(shí)，其溶解度反而會(huì)下降，乃至從水中析出（即逆溶性）。PAG淬火介質(zhì)在常溫下為均勻透明溶液，溫度上升到濁點(diǎn)時(shí)，溶液就從透明變?yōu)榛鞚帷．?dāng)溫度繼續(xù)上升到逆熔點(diǎn)時(shí)，其線型大分子就會(huì)從水中析出，并與水完全分離。當(dāng)溶液中PAG濃度小于5%時(shí)，淬火時(shí)在高溫區(qū)析出的聚合物能在工件表面起浸潤(rùn)作用，促使蒸汽膜較快破壞，因此PAG的冷卻能力接近于NaCl或堿的水溶液。當(dāng)PAG濃度增大時(shí)，在淬火過程中能在工件表面形成沉積膜，起著隔熱層的作用，使冷卻速度下降。沉積膜的厚度取決于PAG的濃度。因此，PAG溶液的冷卻速度是可以調(diào)節(jié)的，且沉積膜的存在使散熱較均勻，從而可消除軟點(diǎn)，并減小工件的內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形。當(dāng)淬火溫度下降到逆熔點(diǎn)以下時(shí)，已析出的PAG聚合物又會(huì)重新溶于水，其熱穩(wěn)定性良好，無毒，公害小，淬火后工件易清洗，可長(zhǎng)期使用。

在20世紀(jì)80年代中期，PAG水溶性淬火介質(zhì)已開始進(jìn)入我國(guó)熱處理行業(yè)，但由于難以控制其濃度變化導(dǎo)致的工件淬裂，最終不得不停用，究其原因，是不了解PAG淬火介質(zhì)在使用中的變化規(guī)律，因而沒能采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

二、鋼鍛件PAG淬火濃度試驗(yàn)

我公司生產(chǎn)的汽車前軸是汽車上的關(guān)鍵安保件，其形狀復(fù)雜，承受多向負(fù)荷，特別是沖擊負(fù)荷，其強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命等指標(biāo)的好壞直接影響著汽車的安全性，而這些力學(xué)性能指標(biāo)很大程度上取決于前軸毛坯的熱處理工藝。

1.工藝試驗(yàn)

采用我公司生產(chǎn)的42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼大型前軸鍛件作為樣件，其技術(shù)要求：淬火硬度2.5～3.0dB，抗拉強(qiáng)度900～1100MPa，屈服強(qiáng)度≥650MPa，伸長(zhǎng)率≥12%，斷面收縮率≥55%，無變形、開裂、氧化和脫碳等熱處理缺陷。使用不同濃度的PAG介質(zhì)分別進(jìn)行淬火熱處理試驗(yàn)，檢測(cè)設(shè)備為一臺(tái)冷速測(cè)定儀或折光儀。

試驗(yàn)和制造過程：坯料加熱→鍛造→余熱控溫→淬火→回火。工藝參數(shù)見表1。

因42CrMo屬于中等程度淬透性的鋼，淬透性較好，很容易出現(xiàn)開裂，故試驗(yàn)的PAG介質(zhì)濃度選擇較高，主要是為控制淬火件的冷卻速度。

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PAG淬火介質(zhì)最關(guān)鍵的參數(shù)是淬火鍛件在300℃時(shí)的冷速，一般V300控制在50～60℃/s為宜。每批次生產(chǎn)前都做一次冷速測(cè)定。折光儀在PAG使用初期測(cè)得還比較準(zhǔn)確，但隨著PAG的使用時(shí)間越來越長(zhǎng)，介質(zhì)中的高分子斷鏈、F離子和雜質(zhì)濃度的提高，折光儀所測(cè)值越來越不準(zhǔn)確，因此以冷速測(cè)定儀的數(shù)據(jù)最為真實(shí)。如表2所示，當(dāng)PAG的濃度控制在8%～11%時(shí)，鍛件的淬火硬度已經(jīng)滿足了技術(shù)要求。

表1 工藝參數(shù)

分別選取了三個(gè)樣件取樣，進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果如表3所示。

由上述三組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，第一次和第二次的抗拉強(qiáng)度未達(dá)到要求，在通過對(duì)調(diào)質(zhì)工藝及淬火介質(zhì)濃度進(jìn)行調(diào)整后，第三次取樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到要求。

在三次調(diào)試過程中，還逐步解決了鍛件出水后煙霧過大，鍛件表面附著PAG介質(zhì)過多造成浪費(fèi)，鍛件大小和淬火時(shí)間之間的關(guān)系，并且制定了適合本公司使用的PAG淬火介質(zhì)的管理辦法。

PAG的日常養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：遠(yuǎn)離油、油漆，淬火槽和儲(chǔ)液槽內(nèi)不能刷漆，因PAG會(huì)和油、漆發(fā)生反應(yīng)；長(zhǎng)時(shí)間不使用的情況下，每隔3～4天攪拌一次，攪拌時(shí)間2～3h，防止腐敗發(fā)臭，淬火槽表面蓋上石棉瓦等防塵裝置；長(zhǎng)時(shí)間使用后，PAG淬火介質(zhì)的顏色一般會(huì)按照半透明→發(fā)紅→紅褐色→發(fā)黃→土黃色的順序變化。期間如有異常，應(yīng)檢查有否是油進(jìn)入或其他情況發(fā)生。

3.幾種淬火介質(zhì)的使用對(duì)比

在進(jìn)行多次PAG調(diào)試后，我公司正式采用PAG淬火介質(zhì)作為大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件熱處理淬火介質(zhì)，使用兩年多以來，鍛件調(diào)質(zhì)質(zhì)量和PAG淬火介質(zhì)質(zhì)量均未出現(xiàn)過問題，一直很穩(wěn)定。現(xiàn)將幾種介質(zhì)的使用優(yōu)劣做一個(gè)對(duì)比，如表4所示。

三、結(jié)語

新型PAG水溶性淬火介質(zhì)的使用，滿足了生產(chǎn)需要，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，節(jié)約了能源，建議大量推廣使用。

（1）通過試驗(yàn)分析與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用,PAG型水溶性淬火介質(zhì)完全可以代替油,且其淬火冷卻速度可通過濃度來調(diào)整。

（2）PAG型水溶性淬火介質(zhì)的冷卻速度隨其濃度的增加而減小，但要控制在一定范圍內(nèi)。

（3）濃度測(cè)試操作簡(jiǎn)單，容易掌握。

（4）節(jié)能、降耗、高效、環(huán)保。

表2 濃度和冷速

表3 力學(xué)性能

表4