水溶性淬火介質(zhì)KR9180在彈條扣件淬火中的工藝試驗(yàn)

劉 輝

(南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司， 江蘇 南京 211100)

彈條扣件是由彈條、螺栓和擋板組合而成，其作用是使鋼軌與軌枕聯(lián)結(jié)在一起，起到固定鋼軌，使其處于正確的位置，阻止鋼軌移動(dòng)，防止鋼軌發(fā)生傾翻的效果。同時(shí)還能提供必要的彈性和絕緣性能，對(duì)軌距、軌道水平有一定的調(diào)整能力。因此，彈條扣件是保證鐵路安全的重要部件[1]。

淬火油是彈條熱處理時(shí)常用的淬火冷卻介質(zhì)，具有淬火開(kāi)裂傾向小、易維護(hù)、不腐蝕產(chǎn)品和設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，但是使用淬火油時(shí)有油煙大、清洗難、安全風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，淬火油帶來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越凸顯[2]。繼續(xù)擴(kuò)大推廣使用水性淬火介質(zhì)替代油性淬火介質(zhì)是熱處理行業(yè)“十四五”發(fā)展論壇提出的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，尋找新型環(huán)保的水性淬火介質(zhì)成為當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)之一。

水性淬火介質(zhì)具有成本低，無(wú)油煙，不燃燒，無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)，勞動(dòng)環(huán)境好等優(yōu)勢(shì)，目前能夠替代油性淬火介質(zhì)的水性淬火介質(zhì)主要有無(wú)機(jī)類、聚烷撐二醇(PAG)類和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類淬火介質(zhì)等[3]。筆者通過(guò)走訪多家企業(yè)了解到，無(wú)機(jī)類淬火介質(zhì)具有工藝控制難度大、工件開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)高、淬火劑腐蝕性強(qiáng)(尤其是對(duì)設(shè)備)等缺點(diǎn)，而PAG類淬火介質(zhì)的耐腐蝕性能較好，但依然存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題[4]。鑒于此，本文研究了PVP類有機(jī)淬火介質(zhì)替代油性淬火介質(zhì)在鐵路彈條上的應(yīng)用，以期解決油性淬火介質(zhì)及其他類水性淬火介質(zhì)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 KR9180淬火液的冷卻性能

KR9180淬火液是一款成熟的環(huán)保型水溶性PVP類淬火劑，無(wú)逆溶性，其最佳使用溫度為10～50 ℃，具有對(duì)工件、淬火槽、冷卻循環(huán)系統(tǒng)有良好的防銹、防腐能力，不易老化變質(zhì)，使用壽命長(zhǎng)，使用過(guò)程中沒(méi)有煙氣產(chǎn)生，安全環(huán)保等特點(diǎn)。與其他聚合物淬火液一樣，通過(guò)調(diào)整淬火液的濃度、液溫和攪拌程度，可以獲得不同的冷卻速度，以滿足不同產(chǎn)品的淬火需求[5]。

PVP類淬火劑具有優(yōu)異的分子鏈長(zhǎng)和抗剪切強(qiáng)度，其冷卻性能與淬火油類似，廣泛應(yīng)用于中、高淬火透性材料[6]。圖1為濃度為10%、15%的KR9180淬火液、濃度為10%的PAG淬火液及無(wú)機(jī)淬火液的冷卻性能對(duì)比。通過(guò)圖1可以看出，KR9180淬火液濃度達(dá)到15%時(shí)，最大冷速可以控制到120 ℃/s以下，低溫冷速(300 ℃)也只有17.2 ℃/s，冷卻速度已經(jīng)十分接近于油，與PAG淬火液、無(wú)機(jī)淬火液相比冷速更慢，因此，KR9180淬火液作為中、高淬透性材料的淬火介質(zhì)時(shí)優(yōu)勢(shì)更明顯，在保證工件淬火硬度的均勻性和淬硬層深度的同時(shí)能夠更好地控制產(chǎn)品開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同淬火液的冷卻曲線Fig.1 Cooling curves of different quenching liquid

1.2 彈條產(chǎn)品及技術(shù)要求

試驗(yàn)采用兩種常用的彈條產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，分別為φ13 mm的60Si2CrA鋼制彈條和φ18 mm的60Si2MnA鋼制彈條，如圖2所示。產(chǎn)品技術(shù)要求為淬火后硬度≥60 HRC；淬火組織主要為馬氏體，有少量粒狀或小塊狀殘留鐵素體和小塊狀貝氏體，并符合TB/T 2478—1993《彈條金相組織評(píng)級(jí)圖》規(guī)定的組織級(jí)別；按照TB/T 2329—2002《彈條I型、11型扣件彈條疲勞試驗(yàn)方法》測(cè)試，彈條經(jīng)500萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后不得折斷，且殘余變形≤1 mm。

圖2 60Si2CrA彈條(a)和60Si2MnA彈條(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the 60Si2CrA spring rod(a) and 60Si2MnA spring rod(b)

根據(jù)彈條材質(zhì)、尺寸大小及相關(guān)的技術(shù)要求，結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，配制濃度為15%的KR9180淬火液進(jìn)行工藝試驗(yàn)，即將KR9180原液與自來(lái)水按照15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配制，使用前應(yīng)確保淬火液攪拌均勻，同時(shí)避免其他化學(xué)品的混入。

彈條的生產(chǎn)流程為自動(dòng)送料→感應(yīng)加熱→成形→余熱淬火→回火，試驗(yàn)過(guò)程中控制加熱溫度為980～990 ℃，KR9180淬火液液溫控制在20～50 ℃。按照此方案試生產(chǎn)了一批彈條產(chǎn)品，兩種型號(hào)產(chǎn)品均未發(fā)生淬火開(kāi)裂現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.1 硬度檢測(cè)

隨機(jī)抽取兩種型號(hào)彈條產(chǎn)品各1件，采用200HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行淬火硬度檢測(cè)，檢測(cè)方法按照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在每個(gè)試件斷面的圓心至1/2半徑范圍內(nèi)測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，并取算術(shù)平均值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知，兩種彈條產(chǎn)品的硬度均滿足技術(shù)要求。

表1 彈條產(chǎn)品的淬火硬度(HRC)

2.2 組織檢測(cè)

采用AE2000MET光學(xué)顯微鏡觀察兩種彈條產(chǎn)品淬火件斷面的圓心至1/2半徑范圍的顯微組織，如圖3所示。可以看出，60Si2CrA鋼彈條的顯微組織為針狀馬氏體，組織評(píng)級(jí)3級(jí)；60Si2MnA鋼彈條的顯微組織為針狀馬氏體，組織評(píng)級(jí)3級(jí)。兩種彈條產(chǎn)品的顯微組織均滿足技術(shù)要求。

圖3 60Si2CrA彈條(a)和60Si2MnA彈條(b)的淬火態(tài)顯微組織Fig.3 Microstructure of the quenched 60Si2CrA spring rod(a) and 60Si2MnA spring rod(b)

2.3 疲勞檢測(cè)

隨機(jī)抽取兩種型號(hào)彈條產(chǎn)品各6件(其中3件為備用試樣)，采用鐵路彈條疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞性能檢測(cè)，檢測(cè)方法按照TB/T 2329—2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗(yàn)方法》執(zhí)行。兩種型號(hào)彈條試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)500萬(wàn)次以上疲勞試驗(yàn)后均未發(fā)生折斷現(xiàn)象，且殘余變形≤1 mm，符合技術(shù)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1) KR9180淬火劑的冷卻特性更接近于淬火油，無(wú)逆溶性，具有防腐能力強(qiáng)，不易變質(zhì)的特點(diǎn)，是一種新型環(huán)保的淬火介質(zhì)。

2)采用濃度為15%的KR9180水溶性淬火劑代替油淬時(shí)，60Si2CrA和60Si2MnA彈條產(chǎn)品的硬度、顯微組織及疲勞性能均能滿足技術(shù)要求。