一種無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)冷卻特性的研究和應(yīng)用

任園春，劉海燕，李丹

第一拖拉機(jī)股份有限公司齒輪傳動(dòng)公司 河南洛陽(yáng) 471000

1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)的“和興H X-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”，是由遼寧和興熱科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)，該公司從日本引進(jìn)當(dāng)今最先進(jìn)的納米級(jí)無(wú)機(jī)水基淬火冷卻介質(zhì)的生產(chǎn)技術(shù)和工藝，在此基礎(chǔ)上加以改善，成功研發(fā)出“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”。該淬火冷卻介質(zhì)適用于滲碳淬火、調(diào)質(zhì)、表面感應(yīng)淬火等熱處理方式。我廠主要用于調(diào)質(zhì)處理。

1）“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”的物理特性，見(jiàn)表1。

表1 物理特性

2）“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的有機(jī)淬火冷卻介質(zhì)在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)老化、變質(zhì)，甚至失效的問(wèn)題，存在很大的質(zhì)量隱患；并且隨著季節(jié)的變化，淬火液的濃度也會(huì)隨之改變，不易保存和控制。“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”配比單一，易保存，操作簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的PAG淬火冷卻介質(zhì)的物理特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 物理特點(diǎn)對(duì)比

2 冷卻特性檢測(cè)

在試驗(yàn)前，對(duì)“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”進(jìn)行冷卻特性檢測(cè)，并選取我廠正在使用的某有機(jī)淬火劑進(jìn)行對(duì)比分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從表2中的參數(shù)可以看出，兩者達(dá)到最大冷卻速率的時(shí)間為0.99s，時(shí)間極短，即“蒸汽膜破膜”時(shí)間短，有利于提高零件淬火質(zhì)量；但“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”在300℃時(shí)冷卻速度達(dá)到了96.93℃/s，而有機(jī)淬火介質(zhì)此時(shí)的冷卻速度為52.03℃/s，相比之下，低溫冷卻速度大，對(duì)大尺寸工件的淬硬層深度有所保證。

表3 冷卻特性參數(shù)對(duì)比

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)研究對(duì)象：和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)（淬火劑原料∶水=1∶2）。

試驗(yàn)加熱設(shè)備：小型馬弗加熱爐。

試驗(yàn)材料：不同直徑的45鋼、40Cr鋼、42CrMo鋼、55Si2Mn鋼等棒料。

淬火冷卻介質(zhì)溫度：20℃（室溫）。

無(wú)損檢測(cè)設(shè)備：通用磁粉探傷機(jī)。

（1）第一次試驗(yàn) 試驗(yàn)的材料為：①φ40mm的40C r鋼棒料。②φ40m m的42C r M o鋼棒料。③φ60mm的42CrMo鋼棒料。試驗(yàn)所用工藝：840℃保溫60min，“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”冷卻120s。試驗(yàn)對(duì)象①的試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)對(duì)象①的試驗(yàn)過(guò)程

②和③的試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)條件與①相同。試驗(yàn)后，對(duì)試樣進(jìn)行切檢，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，金相組織如圖2、圖3所示。

第一次試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”能否滿足直徑60m m以下的40Cr鋼、42CrMo鋼的工藝要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該水基淬火劑可以滿足此直徑要求。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 40Cr鋼試樣心部組織：馬氏體+屈氏體（500×）

圖3 42CrMo鋼試樣心部組織：馬氏體+屈氏體（500×）

（2）第二次試驗(yàn) 試驗(yàn)材料為：④55Si2Mn鋼板材（100mm×100mm×20mm）。⑤45鋼撥叉。第二次的試驗(yàn)對(duì)象是我廠長(zhǎng)期以來(lái)難以解決的實(shí)際零件，如圖4、圖5所示。

圖4 55Si2Mn鋼板材

圖5 45鋼撥叉

第二次試驗(yàn)所用工藝：810℃保溫60min，“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”淬火冷卻120s。試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)條件與第一次相同。試驗(yàn)后，對(duì)④和⑤試驗(yàn)材料進(jìn)行切檢，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，金相組織如圖6、圖7所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 55Si2Mn鋼心部組織：馬氏體+少量屈氏體（500×）

圖7 45鋼撥叉心部組織：馬氏體+少量屈氏體（500×）

第二次試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證55Si2Mn鋼和45鋼兩種材料，用“和興H X-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”淬火后是否會(huì)出現(xiàn)裂紋，結(jié)果顯示無(wú)裂紋。

試驗(yàn)小結(jié)：通過(guò)兩次試驗(yàn)表明，“和興H X-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”可以滿足直徑60mm以下的40Cr鋼和42CrMo鋼對(duì)硬度及金相組織要求，也可用于55Si2Mn鋼和45鋼的調(diào)質(zhì)處理。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)油煙產(chǎn)生，淬火后淬火介質(zhì)呈透明色，無(wú)明顯宏觀變化，無(wú)異味，滿足環(huán)保要求。

4 實(shí)際應(yīng)用

基于試驗(yàn)結(jié)果，我公司于2018年6月將“和興H X-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”投入實(shí)際生產(chǎn)，至今，已使用此淬火劑生產(chǎn)大量零件，生產(chǎn)材料包含45鋼、40Cr、42CrMo、35CrMo等中碳鋼，也有55Si2Mn、60Si2Mn等彈簧鋼，其中最大尺寸為直徑65mm的42CrMo鋼棒料，經(jīng)切檢，硬度以及金相組織均滿足工藝要求。在使用過(guò)程中，幾乎無(wú)油煙產(chǎn)生，且在日常維護(hù)方面，只向淬火液中添加過(guò)5次純凈水，達(dá)到規(guī)定比例（原料∶水=1∶2）即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

“和興HX-2000無(wú)機(jī)水基淬火介質(zhì)”相比傳統(tǒng)有機(jī)淬火劑，配比單一，易保存和維護(hù)，不易變質(zhì)，同一種濃度適用于多種材料，且淬火質(zhì)量高；在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，產(chǎn)生的油煙量極少，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，對(duì)企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。