水溶性淬火介質KR9180在彈條扣件淬火中的工藝試驗

劉 輝

(南京科潤工業介質股份有限公司， 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結在一起，起到固定鋼軌，使其處于正確的位置，阻止鋼軌移動，防止鋼軌發生傾翻的效果。同時還能提供必要的彈性和絕緣性能，對軌距、軌道水平有一定的調整能力。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常用的淬火冷卻介質，具有淬火開裂傾向小、易維護、不腐蝕產品和設備等優勢，但是使用淬火油時有油煙大、清洗難、安全風險高等缺點，隨著國家對環境保護的日益重視，淬火油帶來的問題也越來越凸顯[2]。繼續擴大推廣使用水性淬火介質替代油性淬火介質是熱處理行業“十四五”發展論壇提出的重點發展方向之一，尋找新型環保的水性淬火介質成為當前發展的趨勢之一。

水性淬火介質具有成本低，無油煙，不燃燒，無火災危險，勞動環境好等優勢，目前能夠替代油性淬火介質的水性淬火介質主要有無機類、聚烷撐二醇(PAG)類和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)類淬火介質等[3]。筆者通過走訪多家企業了解到，無機類淬火介質具有工藝控制難度大、工件開裂風險高、淬火劑腐蝕性強(尤其是對設備)等缺點，而PAG類淬火介質的耐腐蝕性能較好，但依然存在開裂風險高的問題[4]。鑒于此，本文研究了PVP類有機淬火介質替代油性淬火介質在鐵路彈條上的應用，以期解決油性淬火介質及其他類水性淬火介質帶來的一系列問題。

1 試驗材料及方法

1.1 KR9180淬火液的冷卻性能

KR9180淬火液是一款成熟的環保型水溶性PVP類淬火劑，無逆溶性，其最佳使用溫度為10～50 ℃，具有對工件、淬火槽、冷卻循環系統有良好的防銹、防腐能力，不易老化變質，使用壽命長，使用過程中沒有煙氣產生，安全環保等特點。與其他聚合物淬火液一樣，通過調整淬火液的濃度、液溫和攪拌程度，可以獲得不同的冷卻速度，以滿足不同產品的淬火需求[5]。

PVP類淬火劑具有優異的分子鏈長和抗剪切強度，其冷卻性能與淬火油類似，廣泛應用于中、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淬火液及無機淬火液的冷卻性能對比。通過圖1可以看出，KR9180淬火液濃度達到15%時，最大冷速可以控制到120 ℃/s以下，低溫冷速(300 ℃)也只有17.2 ℃/s，冷卻速度已經十分接近于油，與PAG淬火液、無機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時優勢更明顯，在保證工件淬火硬度的均勻性和淬硬層深度的同時能夠更好地控制產品開裂風險。

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

1.2 彈條產品及技術要求

試驗采用兩種常用的彈條產品進行試驗，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。產品技術要求為淬火后硬度≥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《彈條金相組織評級圖》規定的組織級別；按照TB/T 2329—2002《彈條I型、11型扣件彈條疲勞試驗方法》測試，彈條經500萬次疲勞試驗后不得折斷，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)

根據彈條材質、尺寸大小及相關的技術要求，結合應用經驗，配制濃度為15%的KR9180淬火液進行工藝試驗，即將KR9180原液與自來水按照15%質量分數進行配制，使用前應確保淬火液攪拌均勻，同時避免其他化學品的混入。

彈條的生產流程為自動送料→感應加熱→成形→余熱淬火→回火，試驗過程中控制加熱溫度為980～990 ℃，KR9180淬火液液溫控制在20～50 ℃。按照此方案試生產了一批彈條產品，兩種型號產品均未發生淬火開裂現象。

2 試驗數據及結果

2.1 硬度檢測

隨機抽取兩種型號彈條產品各1件，采用200HRS-150數顯洛氏硬度計進行淬火硬度檢測，檢測方法按照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準執行，在每個試件斷面的圓心至1/2半徑范圍內測試3個點，并取算術平均值，測量結果如表1所示。由表1可知，兩種彈條產品的硬度均滿足技術要求。

表1 彈條產品的淬火硬度(HRC)

2.2 組織檢測

采用AE2000MET光學顯微鏡觀察兩種彈條產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，組織評級3級；60Si2MnA鋼彈條的顯微組織為針狀馬氏體，組織評級3級。兩種彈條產品的顯微組織均滿足技術要求。

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

2.3 疲勞檢測

隨機抽取兩種型號彈條產品各6件(其中3件為備用試樣)，采用鐵路彈條疲勞試驗機進行疲勞性能檢測，檢測方法按照TB/T 2329—2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗方法》執行。兩種型號彈條試驗件經過500萬次以上疲勞試驗后均未發生折斷現象，且殘余變形≤1 mm，符合技術要求。

3 結語

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

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