水基淬火液冷卻性能及其在控時淬火技術上的應用

山東思科工業介質有限公司 山東德州 253000

1 序言

隨著熱處理技術的不斷發展，熱處理冷卻的重要性日益凸顯，理想的冷卻速度和穩定的冷卻性能成為淬火冷卻介質應具備的基本特點。為分析淬火冷卻介質的冷卻性能，我們采用符合ISO 9950—1995標準的冷卻曲線測定儀對不同濃度的水基淬火液進行測試。此外，控時淬火技術是山東思科工業介質有限公司為擴大水基淬火冷卻介質應用范圍，多年來研究總結并在石油機械和大型鍛件中推廣應用的淬火技術。本文以石油鉆井穩定器的淬火為例，對其進行闡述。

2 冷卻性能測試標準

思科淬火冷卻介質的冷卻性能測試依據ISO9950—1995標準，該標準是國際標準組織（ISO）1995年5月1日頒布的淬火油冷卻性能測定方法[1]。按照該標準的要求，測試內容主要有三個部分，即冷卻曲線、冷卻時間和冷卻速度。其中冷卻曲線包括溫度-時間曲線和溫度-冷卻速度曲線；冷卻時間主要包括850～600℃、600～400℃以及400～200℃的冷卻時間；冷卻速度主要包括最大冷卻速度和300℃對應冷卻速度，如圖1所示。

3 冷卻性能測試

淬火冷卻介質應具備理想的冷卻速度，較高的穩定性，良好的冷卻均勻性，無腐蝕，以及經濟環保和安全等基本性能，其中研究水基淬火液的冷卻性能是合理使用淬火液的基礎。為此，我們測試了senco-P75水基淬火液不同濃度對應的冷卻性能指標，并與水作比較，冷卻曲線對比如圖2所示，匯總測試報告數據見表1。

圖1 冷卻性能測試曲線

表1 水和不同濃度P75水基淬火液測試報告數據比較

圖2 測試冷卻曲線對比

4 水基淬火液在控時淬火技術上的應用

4.1 控時淬火技術的定義

淬火冷卻介質理想冷卻速度是在淬火冷卻時等溫轉變圖“鼻部”的冷卻速度大于臨界冷卻速度（保證工件能完成馬氏體轉變的最低冷卻速度），在其他溫度范圍，尤其是馬氏體轉變溫度區間（Ms→Mf）則應緩冷，即“高溫冷得快，低溫冷得慢”，如圖3所示。控時淬火技術是根據這一基本原理，結合工件的材質、尺寸、力學性能要求和淬火液的冷卻速度等因素，綜合計算工件在水基淬火液中冷卻時間，達到既不開裂還必須符合力學性能要求的一種淬火冷卻方法。采用這一方法工件不需要反復出入淬火冷卻介質，而是通過計算直接冷卻到Ms點以下[2]。

圖3 淬火液的控時淬火技術理論曲線

4.2 淬火液應用控時淬火技術的優點

工件在水基淬火液中的冷卻時間過短會達不到性能要求，冷卻時間過長又會增大淬裂的風險。應用控時淬火技術，冷卻時間則可以根據工件Ms點溫度、有效尺寸、力學性能要求，以及水基淬火液的冷卻能力等進行計算。

采用這一技術具有以下優勢：可以擴大水基淬火液應用范圍，滿足合金結構鋼的淬火冷卻性能要求；不需要反復調整水基淬火液的濃度，可以滿足多種材質在一個淬火槽中冷卻；有利于達到材料的最高冷卻性能。

4.3 在大型穩定器調質工藝的改進應用

石油鉆井穩定器（見圖4）是鉆井作業的常用工具之一，應具有較高的安全可靠性，尤其是綜合力學性能必須符合高要求。目前，許多大型穩定器的體積和重量較大，增加了熱處理加工的難度。使用快速淬火油淬火經常會出現表面硬度低、心部硬度不達標等問題，而使用水基淬火液冷卻常會出現淬火開裂的現象。為此，思科工業介質經過多年的探索總結，采用控時淬火技術解決了上述問題，使大型穩定器的力學性能和硬度值均達到標準要求，見表2。

表2 大型穩定器的主要力學性能

圖4 穩定器實物

由于大型穩定器對所用鋼材的淬硬性和淬透性均有一定的要求，所以在生產中主要選用40CrMnMo、40CrNiMo、4145H三種材質的鋼材，客戶生產中選用的種類為40CrMnMo。當鋼材中的主要元素含量偏下限或處于下限時，熱處理性能會有顯著的差異，無法保證產品的力學性能和硬度，因此在原材料選擇時必須保證主要元素含量處于中上限。公司限于規模，無法從鍛造廠定制原材料，于是訂購了成分處于中限的毛坯料，見表3。

表3 試驗用大型穩定器毛坯化學成分（質量分數） （%）

首先是調質前毛坯的加工工藝。大型穩定器的毛坯料一般都是采購于鍛造廠的鍛件，其外表面是經過粗加工的。在調質前要加工出中心孔，條件允許下應加工出扣頭以減小零件的有效壁厚。另外，倒角應在合理范圍內盡量大一些，以減少尖角效應的不利影響。廠內處理的穩定器頸部外徑為292mm，中心孔直徑為76mm，重量為2.2t。在調質處理前，為確保毛坯的綜合性能，消除可能存在的帶狀組織和鍛造缺陷，達到細化晶粒、均勻組織的目的，需要對毛坯進行正火處理。

其次是調質工藝。大型穩定器各部位的橫截面積差異較大，在加熱時形成的熱應力極易增加橫裂的危險性，因此應采用緩慢加熱的方式，加熱速度≤60℃/h，以降低表面和心部的溫差，減小熱應力。保溫時間根據工件厚度確定，在850℃保溫4h。冷卻時使用水基淬火液，零件的淬硬性、淬透性與鋼材的合金成分與淬火液的冷卻能力密切相關。回火可根據廠家的不同要求確定回火溫度。熱處理工藝如圖5所示。

在鋼材的合金成分確定后，通過調節淬火液的冷卻參數來提高零件的淬硬性和淬透性；同時對使用水溶性淬火液的種類、濃度、淬前溫度、循環流動速度等參數進行了確定（見表4）。這樣既提高了零件的淬透性，使其表面和心部都獲得足夠的馬氏體組織，又確保其回火后的綜合力學性能。另外，根據控時淬火技術計算冷卻時間為11min，通過適當的預冷淬火，嚴格控制冷卻時間和出液溫度，避免了零件淬火裂紋的產生。調質工藝經正交試驗得到驗證，并投入批量生產，取得了良好的效果。

表4 淬火液的選用

5 結束語

本文分析了水基淬火液的測試標準及冷卻性能，并舉例說明使用水基淬火液淬火時，思科工業介質多年來一直探索的“控時淬火技術”在石油機械領域上的推廣應用，使工件既達到力學性能要求，又避免了開裂。