PAG淬火冷卻介質(zhì)對(duì)40CrNiMoA鋼組織與性能的影響

那艷會(huì)

通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 遼寧大連 116000

1 序言

40C r N i M o A鋼屬于鉻鎳鉬系調(diào)質(zhì)鋼，C r、Ni、Mo的加入可顯著地提高淬透性和抗回火軟化能力，使其具有優(yōu)良的綜合性能，主要應(yīng)用于高負(fù)荷、大截面軸類以及承受沖擊載荷的構(gòu)件，如大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)、噴氣渦輪機(jī)軸，以及噴氣式客機(jī)的起落架和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等[1]。某廠對(duì)于40CrNiMoA鋼大截面工件采用油淬，但由于油的淬火冷卻能力有限，因此有時(shí)會(huì)出現(xiàn)油冷“淬不上火”、調(diào)質(zhì)處理力學(xué)性能不合格的情況。針對(duì)這種情況，一般采用水淬油冷的方式，對(duì)于工件水冷時(shí)間，由于操作人員的水平、水溫的高低、工件的大小及表面狀態(tài)等原因，因此很難保持淬火質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，現(xiàn)在很多廠家都是采用淬火液作為冷卻介質(zhì)，穩(wěn)定性很高。

本文重點(diǎn)研究PAG淬火冷卻介質(zhì)對(duì)40CrNiMoA鋼組織和力學(xué)性能的影響，以提高大截面40CrNiMoA鋼零部件調(diào)質(zhì)處理一次合格率的問(wèn)題，克服傳統(tǒng)淬火冷卻介質(zhì)的不足，有效提高工件淬火質(zhì)量及性能穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為4 0 C r N i M o A 鋼，試棒尺寸為φ120mm×100mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。該材料經(jīng)電爐冶煉、鍛造成形，并經(jīng)超聲波檢測(cè)合格。依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在RSA250拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)；采用夏比U型標(biāo)準(zhǔn)試樣（GB/T 229—2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》），在JWB-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（結(jié)果取3個(gè)試驗(yàn)的平均值）；使用Axiovert200MAT型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。熱處理工藝試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 40CrNiMoA鋼試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同淬火冷卻介質(zhì)對(duì)40CrNiMoA鋼力學(xué)性能的影響

本試驗(yàn)采用了3種工藝方法進(jìn)行比較（見(jiàn)表2）。由表2可見(jiàn)，a試樣采用常規(guī)油冷調(diào)質(zhì)工藝；b試樣采用雙液冷卻（水淬＋油冷）調(diào)質(zhì)工藝；c試樣采用采用5%PAG淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)工藝方法。其中，c試樣采用的PAG淬火液，仍是屬于水類性質(zhì)，選擇的淬火溫度比正常的溫度要低10～20℃，因此選擇淬火溫度為840℃，回火溫度為640℃，主要目的是看水基淬火液的淬透能力。不同熱處理工藝下40CrNiMoA鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。三種工藝參數(shù)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度等都是上升的，其中以采用5%PAG淬火液工藝參數(shù)處理獲得的性能最優(yōu)。從表2、表3還可看出，5%PAG淬火液處理淬火溫度最低，回火溫度最高，由此可見(jiàn)，40CrNiMoA鋼調(diào)質(zhì)處理采用PAG淬火冷卻介質(zhì)有助于提高材料的強(qiáng)韌性指標(biāo)。

表2 熱處理工藝參數(shù)

表3 40CrNiMoA鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3.2 不同淬火冷卻介質(zhì)對(duì)淬硬層硬度分布的影響

40CrNiMoA鋼經(jīng)不同淬火冷卻介質(zhì)淬火后，淬硬層硬度分布曲線如圖1所示。從圖1可看出，在距離表面40mm區(qū)域內(nèi)，三種淬火冷卻介質(zhì)所得到的硬度變化趨勢(shì)都比較平緩；在距離表面40～80mm區(qū)域內(nèi)，采取油冷和雙液淬火（水轉(zhuǎn)油）所得到的硬度變化趨勢(shì)下降明顯，而采用PAG淬火介質(zhì)所得到的硬度變化趨勢(shì)依舊平緩；在距離表面80～120mm區(qū)域內(nèi)，三條硬度分布曲線趨勢(shì)相近。淬火分為三個(gè)階段，即蒸汽膜階段、沸騰階段、對(duì)流階段。PAG無(wú)機(jī)淬火冷卻介質(zhì)能很好地濕潤(rùn)熾熱金屬表面，使核沸騰快速均勻和劇烈，膜層的存在使沸騰減弱，因此會(huì)出現(xiàn)與一般淬火油不同的冷卻機(jī)制，淬火冷卻介質(zhì)的冷卻速度越大，表面越容易淬硬[2]。因此，使用PAG淬火冷卻介質(zhì)時(shí)，工件表面硬度分布平緩，馬氏體組織分布均勻，有利于延長(zhǎng)工件使用壽命。

圖1 經(jīng)不同淬火冷卻介質(zhì)淬火后淬硬層硬度分布

3.3 淬火冷卻介質(zhì)對(duì)40CrNiMoA鋼金相組織的影響

40CrNiMoA鋼調(diào)質(zhì)處理經(jīng)三種不同淬火介質(zhì)冷卻的顯微組織如圖2所示。從圖2可看出，采用三種淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后得到的金相組織主要為索氏體。但使用5%PAG淬火冷卻介質(zhì)冷卻時(shí)，顯微組織更加細(xì)小且彌散分布，馬氏體形態(tài)細(xì)小。馬氏體相變速率僅取決于由冷卻速度決定的馬氏體形核率，而與馬氏體晶體的長(zhǎng)大速度無(wú)關(guān)[3]。在不同的冷卻速度下，隨冷卻速度的增加，馬氏體板條越來(lái)越細(xì)小。使用PAG淬火冷卻介質(zhì)冷卻，工件的冷卻速度要高于在油冷和雙液淬火冷卻介質(zhì)中的冷卻，因此在PAG淬火冷卻介質(zhì)中淬火后得到的馬氏體尺寸會(huì)更加細(xì)小。

圖2 40CrNiMoA鋼調(diào)質(zhì)處理經(jīng)三種不同淬火冷卻介質(zhì)冷卻的顯微組織

4 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)于大截面工件，40C r N i M o A鋼采用5%PAG淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)的熱處理工藝所得的綜合力學(xué)性能優(yōu)于采用普通油冷調(diào)質(zhì)處理所得的力學(xué)性能。

2）40CrNiMoA鋼采用5%PAG淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理時(shí)，考慮減少淬火應(yīng)力和變形傾向的因素，淬火溫度可以選用比正常溫度降低10～20℃，仍能獲得較高的淬后硬度和力學(xué)性能。

3）5%PAG淬火冷卻介質(zhì)完全適用40CrNiMoA高淬透性中碳合金鋼。