PAG溫度及攪拌速度對40Mn鋼帶性能影響研究

康泰宇 ，郭 純 ，營 夢 ，李 云 ，劉武猛 ，吳隨松

1.安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000

淬火工藝中除淬火溫度及保溫時間外，淬火介質的選擇也尤為重要。淬火介質的類型很多，其中近幾年興起的聚合物淬火介質PAG 的應用越來越廣泛。PAG 屬于環保型的淬火介質，且生產成本低［1］。冷軋40Mn 鋼帶作為生產長尾夾的原材料之一，其熱處理工藝的好壞直接決定了長尾夾的性能及生產成本。目前針對40Mn 鋼帶的研究主要為熱軋40Mn 鋼淬回火溫度對其性能的影響，以及零件經熱處理后的金相組織對其失效形式的影響等［2-5］。冷軋40Mn 鋼帶的研究，以及淬火介質的選擇、淬火介質的狀態等研究暫無報道。

PAG 是國外率先開發的環保水溶性淬火介質，現已廣泛應用于合金鋼、鋁零件及金屬零件的熱處理［6-7］。水的冷卻速度太快，油的冷卻速率過慢，而PAG 在與水混合使用時，可通過調節其濃度的方式，靈活地獲得不同的冷卻速率。經測試，低溫時PAG 與水混合后有分層現象，攪拌能促進其溶于水；同時，由于PAG 獨特的逆溶性，當溫度高于74 ℃時又會從水中析出，所以在實際使用過程中，這一特性可能會造成PAG 淬火液的局部濃度發生變化。文獻［8］、文獻［9］分別研究了PAG 淬火液的冷卻特性及其熱化學溫度行為，以及使用中的污染因素對PAG 淬火液的冷卻特性的影響，但有關PAG 淬火液的使用溫度及攪拌速度的研究未見報道，故研究合適的PAG 淬火液使用溫度及攪拌速度對實際生產應用具有重要意義。

1 實驗材料與實驗方案

實驗用40Mn 鋼帶為冷軋鋼帶。實驗用試樣尺寸約為100 mm×25 mm×0.2 mm。每組實驗3個試樣以防止數據異常。依據前期實驗的結果設定淬火溫度為840 ℃，保溫時間為8 min。查閱資料并結合先前的實驗研究確定PAG 淬火液的質量分數為13%， 因PAG 有逆溶性，結合前期實驗結果設定PAG 淬火液的溫度研究區間為20～40 ℃，攪拌速度為0～1 500 r/min。采用控制變量法進行PAG 淬火液的溫度及攪拌速率對長尾夾性能的影響研究。

試樣淬火后，依次進行拉伸測試和硬度測試，最后觀察金相。

實驗設備包括箱式淬火爐、拉伸試驗機（UTM-5105）、顯微維氏硬度計（HV-1000Z）、金相顯微鏡（4XC）。蝕刻劑為4%硝酸酒精溶液。 實驗方案如表1所示。

表1 實驗方案Table 1 Experiment scheme

2 結果與分析

2.1 實驗結果

不同的PAG 淬火液溫度、不同攪拌速度下，淬火后試樣的拉伸性能數據及硬度數據如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2 可知，試樣性能提升明顯的有20 ℃、500 r/min 時， 拉伸強度為1 542.8 MPa，硬度為647.4 HV0.2；25 ℃、0 r/min 時，拉伸強度為1 418.9 MPa，硬度為723.8 HV0.2；25 ℃、500 r/min時，拉伸強度為1 456.5 MPa，硬度為689.5 HV0.2；25 ℃、1 000 r/min 時，拉伸強度為1 725.8 MPa，硬度為634.1 HV0.2；25 ℃、1 500 r/min 時，拉伸強度為1 210.1 MPa，硬度為405.8 HV0.2；30℃、0 r/min時，拉伸強度為1 393.7 MPa，硬度為476.4 HV0.2；35 ℃、1 000 r/min 時，拉伸強度為1 640.5 MPa，硬度為512.2 HV0.2；40 ℃、1 500 r/min 時，拉伸強度為1 384.2 MPa，硬度為56.4 HV0.2。

圖2 不同PAG溫度及攪拌速度的試樣硬度Fig. 2 Sample hardness of different PAG temperature and stirring speed

2.2 試樣性能分析

2.2.1 PAG淬火液溫度對試樣性能的影響

如圖1可知，不同PAG淬火液溫度，不同攪拌速度下試樣的拉伸性能折線圖各不相同，其中，500 r/min與1 500 r/min的折線圖變化趨勢較為相似，500 r/min 下30 ℃時試樣拉伸強度達到最大值，1 500 r/min 下35 ℃時試樣拉伸強度達到最大值。觀察0 r/min 折線圖可知，在無攪拌的情況下，試樣的拉伸性能隨PAG 淬火液溫度的升高而下降。觀察500 r/min 折線圖可知，低速攪拌時，試樣的拉伸性能在PAG淬火液溫度20～35 ℃區間變化不大，由35 ℃提升至40 ℃時拉伸性能明顯下降，下降約20.9%。觀察1 500 r/min 折線圖可知，高速攪拌下，試樣的拉伸性能隨PAG 淬火液溫度的升高先上升再下降。

圖1 不同PAG溫度及攪拌速度的試樣拉伸性能Fig. 1 Tensile properties of samples with different PAG temperature and stirring speed

由圖2 可知，PAG 淬火液溫度為25 ℃時，試樣的硬度隨攪拌速度的升高而降低；PAG 淬火液溫度為35 ℃時，試樣的硬度隨攪拌速度的升高變化不大；其余溫度下試樣的硬度均隨攪拌速度升高而先升后降。

試樣的拉伸強度和硬度數據表明，在有攪拌的狀態下，PAG 淬火液溫度的升高對試樣的性能提升有正向促進作用；在無攪拌狀態下，PAG 淬火液溫度升高，僅增加了PAG 淬火液中PAG 的活性，對溶液的均勻性無提升，溫度的升高會使PAG 從水中析出所需時間更短，從而降低了PAG淬火液的冷卻速度，使得試樣性能隨溫度的升高而降低。

2.2.2 攪拌速度對試樣性能的影響

觀察圖1 可知，PAG 淬火液溫度為25 ℃時，試樣的拉伸性能總體上隨著攪拌速度的增加而降低；其余溫度下試樣的拉伸性能均隨攪拌速度的升高而先上升后下降。

這是因為在無攪拌狀態下，淬火過程中PAG淬火液獨特的逆溶性會使PAG 從水中析出并附著于試樣表面，隔絕試樣與水，從而使試樣的冷卻速度降低；淬火過程中，附著層厚度逐漸增加直至達到平衡，同時不斷降低零件的溫度。

在有攪拌的狀態下，淬火過程中PAG 隨溫度升高而析出附著，同時附著層又在攪拌力的作用下不斷剝離降溫溶解，兩種過程不斷重復。攪拌剝離使得PAG 附著層的厚度低于無攪拌狀態時的厚度，同時攪拌使得PAG 在水中的溶解更加均勻，從而使試樣表面的附著層相較于無攪拌狀態下更加均勻。攪拌速度的提高使得試樣表面的PAG 附著層剝離速度加快，試樣淬入時的熱量傳遞更加均勻，PAG 淬火液的冷卻速度隨攪拌速度的提高而加快。

由拉伸性能數據和硬度數據可知，不論有無攪拌，40 ℃都不是適宜的PAG 工作溫度。在有攪拌狀態下，適宜的PAG工作溫度區間為25～35 ℃，攪拌速度為500～1 500 r/min。

2.3 試樣顯微組織分析

結合實驗數據及金相情況，選擇部分試樣進行分析，試樣顯微組織如圖3所示。

圖3 試樣顯微組織Fig. 3 Microstructure of the sample

圖3 a 中，試樣的金相組織主要為馬氏體，對比圖3c 中試樣的金相組織為板條狀馬氏體，晶粒大小均勻程度較好，說明低速攪拌下溫度升高使PAG 淬火液冷卻速度提升。兩兩對比圖3b 和圖3f以及圖3d 和圖3g，說明溫度的升高降低了PAG溶液的冷卻速率，形成的金相為珠光體。圖3b分別與圖3c、圖3d、圖3e兩兩對比，說明攪拌速度的提高提升了PAG 淬火液的冷卻速率，使得試樣的金相組織晶粒大小均勻，板條狀馬氏體明顯。觀察圖3h可知，較高的PAG淬火液溫度及攪拌速度下，試樣生成的金相組織為片狀馬氏體，試樣性能有所提升，但提升有限。

3 結論

（1）PAG 淬火液溫度的提升會降低其冷卻速率。PAG適宜的工作溫度區間為25～35 ℃。

（2）在適宜的溫度條件下，攪拌速度為 500～1 500 r/min 時，攪拌可加快PAG 淬火液的冷卻速度。

（3）P A G 淬火液溫度為2 5 ℃， 攪拌速度為1 000 r/min 時，淬火的40Mn 鋼帶試樣綜合性能最好，拉 伸 強 度 為1 725.8 MPa， 硬 度 為634.1 HV0.2，金相組織為板條狀馬氏體。