45鋼制零件在箱式調質生產線中純水淬火的工藝試驗

陳衛東，薛元強，劉一華，王寧波，常佳鵬

江蘇金色工業爐股份有限公司 江蘇鹽城 224100

1 序言

箱式調質生產線是江蘇金色工業爐股份有限公司開發的用于大型通用件調質、正火等熱處理專用設備（見圖1）。該生產線由加熱爐、正火爐、回火爐、風冷臺、淬火槽、循環冷卻系統及叉車式移動料車組成，裝爐、出爐均由移動料車完成，自動化程度、生產效率高，可替代傳統的箱式爐、臺車爐、井式爐，大大減輕作業人員勞動強度，改善作業環境。通過特別設計的淬火槽、循環冷卻系統，滿足工程機械、船舶和風電行業的45鋼、40Cr鋼、42CrMo鋼等大型零部件的正火和調質等熱處理。本文根據某45鋼工程零件的技術要求，通過選擇合理的熱處理工藝、零件裝掛方式、調整冷卻攪拌參數等進行純水淬火試驗，最終獲得滿足圖樣要求的金相組織和性能要求。

圖1 箱式調質生產線

45鋼工程機械零部件原來是在箱式爐、井式爐、臺車爐內加熱，通過行車轉移到淬火水槽進行淬火。由于零件轉移時間長、淬火水槽沒有特別設計等原因，所以在水劑淬火冷卻介質中一般會加入PAG、氯化鈉、氫氧化鈉等來提高其冷卻能力。但加入淬火冷卻介質均存在成本增加、廢液需達標排放要求等問題，增加了運行成本。該客戶通過采用我公司制造的箱式調質生產線，對淬火冷卻系統進行特別設計，縮短從加熱爐轉移到淬火水槽的時間，在淬火工裝兩側及底部設置可變頻調速的強力攪拌系統，并且設置水流調節導向系統，僅使用純水淬火，即可滿足該公司45鋼制工程機械零件的金相組織及力學性能要求。

2 試驗材料與方法

強烈淬火是一種特別的鋼件硬化方法，它在馬氏體轉變溫度范圍內提供了極高的冷卻速率，零件表面冷卻速度很快，可以避免蒸汽膜和沸騰階段，傳熱模式基本上就是簡單的對流。材料的力學性能也會隨冷卻速度的提高而提高，冷卻速度越快，硬化層越深，鋼件中發生的相變也越完全。常規淬火過程的傳熱會連續發生4種模式的傳遞：沖擊核沸騰、膜沸騰、核沸騰及對流。而強烈淬火工藝只有兩種熱傳遞：核沸騰和隨后的對流冷卻。其原因就在于淬火槽中提供了強有力的攪拌系統、大容量水槽及熱交換系統，保持水溫與環境溫度接近[1-3]。

研究表明，純水淬火時，水溫對冷卻速度的影響是隨著水溫的升高，其特性溫度越來越低，冷卻時間越來越長。水溫為20～40℃時最大冷卻速度下降緩慢，在40～50℃最大冷卻速度則迅速下降[4-6]。因此，在對淬火槽水溫進行控制時，最高溫度應控制在40℃以下。我公司設計的淬火水槽，溫升控制在5℃以內，可以滿足不同季節的生產需要。

2.1 試驗材料

45鋼是一種優質碳素結構鋼，作為一種典型的調質鋼被廣泛使用。材料化學成分符合GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》的規定，見表1。力學性能指標見表2。

表1 45鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 45鋼的力學性能

45鋼采用強烈水淬后的性能指標見表3[1]。

表3 45鋼強烈水淬后的性能指標

2.2 試驗方法

（1）淬火工藝 45鋼制工程機械零件的純水淬火、回火工藝如圖2所示。使用純水冷卻，不加其他淬火冷卻介質，通過快速轉移、淬火水槽兩側及底部強力攪拌，來滿足零件的淬火冷卻要求。

圖2 淬火、回火工藝

（2）零件純水淬火試驗裝置 將零件分三層裝在底料盤上，前區中心位置零件插入心部熱電偶，測量升溫加熱及淬火冷卻時零件心部溫度的變化，快速淬火冷卻系統和裝爐方法如圖3所示。

圖3 試驗裝置

（3）箱式調質生產線的特點

1）爐體結構采用全纖維爐襯，叉車式裝料，激光測距定位，料盤通過叉車轉移，可實現自動定位、裝料出料。

2）快速轉移及快速升降淬火系統，在較短的時間內將料盤及零件快速轉移至升降淬火系統，實現快速淬火。

3）淬火水槽采用兩側加底部強力變頻攪拌系統，水流導向調節，水槽容積加大設計，以及快速循環冷卻系統，確保了使用純水的冷卻能力。

2.3 技術要求和檢驗方法

45鋼制工程機械零件淬火后表面硬度≥37HRC，調質處理后最終硬度201～285HBS。

1）淬火零件按前中后三區、每區取三件檢查，如圖4所示。前后區各放置一個φ50mm×50mm試樣，測試從表面至心部的硬化層變化。

圖4 硬度檢測示意

2）根據G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度》規定，在45鋼φ50m m×50m m試樣上截取10mm×10mm試樣，一面經打磨拋光和15%的鹽酸乙醇溶液腐蝕后在金相顯微鏡下測定晶粒度。

3）按照JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級》規定，打磨拋光和4%硝酸乙醇溶液腐蝕后對試樣進行淬火組織評級。

4）按照G B/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》、G B/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規定，分別在零件上截取φ20m m×150m m拉伸試樣和55mm×10mm×10mm U型缺口沖擊試樣，進行拉伸、沖擊試驗。

3 試驗結果與分析

（1）金相組織檢查 剖切零件檢查金相組織（見圖5），晶粒度為6～7級（≥5級），淬火、回火后的金相組織為馬氏體4級（1～4級合格）。

圖5 45鋼淬火、回火后的金相組織

（2）力學性能檢查 為了驗證本試驗裝爐情況下零件淬火硬度的均勻性，分別測試了淬火和回火后的硬度分布。零件表面淬火、回火硬度9點測試的結果見表4、表5。

表4 淬火后零件表面硬度9點檢測結果 （HRC）

表5 回火后零件表面硬度9點檢測結果 （HBS）

根據客戶要求，在φ50mm×50mm試樣高度25mm處橫向剖切，測量從表面到心部的硬度分布，測試結果見表6。零件力學性能檢測結果見表7。

表6 試樣硬度測試結果

表7 零件力學性能檢測結果

4 結束語

1）通過改善45鋼制工程零件淬火冷卻條件、縮短零件轉移時間等，可以用純水淬火來滿足產品熱處理技術要求。從試驗結果看，不僅產品的金相組織、力學性能均可滿足設計要求，而且使用純水成本低，無需特別的保養維護，不產生污染等。

2）叉車式調質生產線能減輕作業人員勞動強度，提高工作效率，實現自動化生產，是替代箱式爐、井式爐的理想產品。