體積分數(shù)對淬火介質(zhì)BW冷卻速度的影響

趙快樂，閆焉服，宋克興，李永兵，王淼輝

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽471003;2.機械科學研究總院 先進制造技術(shù)研究中心，北京100083)

0 前言

淬火處理的主要指標是在高溫區(qū)具有足夠高的冷速，保證工件能夠獲得要求的表面硬度和淬硬層;在低溫區(qū)具有足夠低的冷速，保證淬火工件不致變形或開裂［1－2］。冷卻特性曲線是評價淬火介質(zhì)冷卻特性的有效工具。水是最常見的淬火介質(zhì)，這是因為水不僅保證足夠快的冷卻速度，而且價格低廉、來源廣泛，但是對大型鑄鍛焊件來說，冷卻速度過分迅速，特別是低溫階段冷卻速度過大，會造成嚴重變形和較大應力，甚至引起零件開裂［3－5］。油淬火雖然對減小工件變形和開裂很有利，但是在高溫區(qū)間冷卻能力低，鋼件的淬透性較差或尺寸較大的工件淬不硬，且環(huán)境污染嚴重，易發(fā)生火災。水溶性淬火介質(zhì)的主要成分是水溶性高分子有機聚合物，通過改變體積分數(shù)、溫度和攪拌方式能使其冷卻能力在很大范圍內(nèi)變化，具有介于水和油之間的冷卻能力［6］。水溶性淬火介質(zhì)與傳統(tǒng)的水和油相比具有以下優(yōu)點:淬火時無油煙，可以避免熱處理車間的臟、黑、煙、火等，大大改善工作條件;工件淬硬均勻、可明顯減少淬火變形和開裂傾向;可以節(jié)省工件清洗成本等，給工業(yè)生產(chǎn)帶來高效、節(jié)能及環(huán)保的效益［7－8］。

上海德潤寶特種潤滑劑有限公司提供的聚烷撐乙二醇類高分子化合物(BW)水基淬火液為黏性無毒的綠色溶液，不含亞硝酸鹽，與水混合后配制成一定體積分數(shù)的溶液即可使用。BW淬火介質(zhì)具有逆溶性，可以降低冷卻速度，在國外航空領(lǐng)域得到了廣泛的運用。在國內(nèi)，聚酰胺類有機高分子聚合物(F2000)淬火介質(zhì)已經(jīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機油用在鋼管熱處理、汽車輪轂管熱處理和預硬化模塊熱處理［9－11］等領(lǐng)域，但對BW淬火液在大型鍛件熱處理中應用研究較少。本文研究了液溫為30℃時，在不攪拌情況下，體積分數(shù)對BW淬火介質(zhì)冷卻性能的影響，并用42CrMo硬度進行驗證。

1 試驗

1.1 冷卻曲線測定

試驗根據(jù)ISO9950:1995標準，使用熱處理虛擬模擬儀，探頭為φ12.5 mm×60 mm圓柱體，材料為Inconel 600鎳鉻鐵合金，熱電偶焊在探頭的幾何中心。采用箱式電阻爐加熱合金探頭，加熱溫度為850℃。淬火時所用容器為1 000 mL玻璃杯，淬火介質(zhì)體積為850 mL。BW淬火液的體積分數(shù)分別為8%、10%、12%和15%，測量過程不攪拌，液溫為30℃。

1.2 硬度測定

將尺寸為φ35 mm×100 mm的42CrMo在箱式電阻爐中加熱到850℃保溫50 min，淬入液溫為30℃的體積分數(shù)為15%的BW。在淬火試樣長度1/2處鋸切成兩個φ35 mm×50 mm試樣，取其中一個在銑床上將切割面洗平，采取“十”形硬度測試法，利用HRD-150電動洛氏硬度計沿直徑方向從中心測量洛氏硬度，間隔為3 mm。

1.3 金相組織觀察

將鋸切的另一半試樣沿鋸切面磨平、拋光，采用體積分數(shù)4%的HNO3酒精溶液腐蝕，從表層到心部進行組織觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 體積分數(shù)對淬火介質(zhì)BW冷卻速度的影響

圖1為30℃時不同體積分數(shù)BW冷卻過程曲線，從圖1可以看到:30℃時，隨著BW體積分數(shù)的增加，淬火介質(zhì)的冷卻曲線逐漸向左移動，即隨著體積分數(shù)增加，BW淬火介質(zhì)最大冷卻速度逐漸減小;在較高溫度和較低溫度的冷卻速度曲線幾乎重合。為了更好的了解體積分數(shù)對BW冷卻曲線的影響，BW冷卻曲線特征參數(shù)如圖2和圖3所示，從圖2和圖3可以看出:預熱溫度為30℃時，隨著BW淬火介質(zhì)體積分數(shù)的增加，最大冷卻速度逐漸降低。BW體積分數(shù)為15%時，最大冷卻速度為107.3℃/s，較水最大冷卻速度減少了46.2%;300℃時的冷卻速度也隨濃度增大而減少，當BW體積分數(shù)為15%時，300℃時冷卻速度較水減少了22.4%，但下降幅度較最大冷卻速度小。

圖1 30℃時不同體積分數(shù)BW冷卻過程曲線

圖2 不同體積分數(shù)BW冷卻速度曲線

圖3 不同體積分數(shù)BW冷卻時間曲線

Ni探頭加熱到850℃放入BW淬火介質(zhì)，淬火開始。由于Ni探頭的溫度高于淬火介質(zhì)BW的沸點，在Ni探頭周圍形成一層蒸汽膜，此時的熱量逸出僅靠Ni探頭表面通過蒸汽膜向周圍淬火介質(zhì)輻射和對流傳熱，BW淬火介質(zhì)體積分數(shù)越大，蒸汽膜厚度越寬，冷卻的速度越慢。

蒸汽膜爆裂后，Ni探頭與BW淬火介質(zhì)直接接觸，熱傳輸主要表現(xiàn)為對流傳熱，此時熱交換速度高，介質(zhì)冷卻速度最快。根據(jù)牛頓冷卻公式，Ni探頭放出的熱量為:

式中，Q為探頭放出的熱量;H為換熱系數(shù);A為Ni探頭的接觸面積;△T為探頭與淬火介質(zhì)的溫度差。在同一預熱溫度下，探頭與淬火介質(zhì)的溫度差△T相同，Ni探頭的面積A恒定，BW體積分數(shù)越大，其導熱系數(shù)越小，換熱系數(shù)也就越小，相同的時間內(nèi)釋放的熱量越少，最大冷卻速度也就越慢。體積分數(shù)為15%的BW吸收的熱量最少，所以體積分數(shù)為15%的BW最大冷卻速度最慢。

Ni探頭冷卻到300℃的冷卻速度隨著冷卻介質(zhì)BW體積分數(shù)的增加逐漸降低，這與400℃冷卻到200℃的時間間隔逐漸增加相一致，并且300℃冷卻速度最低為76.4℃/s，最大為100.1℃/s;當BW體積分數(shù)為8%時，從850℃冷卻到600℃、400℃和200℃所用時間較短，當BW體積分數(shù)大于8%時，其所用時間逐漸增加。

由圖2可以看出:隨著BW體積分數(shù)的提高，淬火介質(zhì)最大冷卻速度和300℃冷卻速度均呈下降趨勢，其中體積分數(shù)15%BW淬火介質(zhì)的最大冷卻速度和300℃冷卻速度最小，分別為107.3℃/s和76.4℃/s，較水的最大冷卻速度(約為199.4℃/s)和300℃冷卻速度(約為98.4℃/s)小，因此冷卻時間長(如圖3所示)。推理可知:在保證淬透性前提下，如果采用體積分數(shù)15%BW淬火介質(zhì)代替水對大型鑄鍛件進行淬火處理，殘余應力和變形相對較小，這對提高大型鑄鍛件精度具有一定實際意義。

2.2 硬度和變形驗證

液溫為30℃的體積分數(shù)為15%的BW淬火介質(zhì)和液溫為30℃的水淬火后所得硬度分布曲線如圖4所示，從圖4可以看出:體積分數(shù)為15%的BW淬火介質(zhì)和水經(jīng)850℃淬火后，42CrMo硬度都在48HRC以上，工件表面硬度高，心部硬度低，硬度由表面向心部逐漸降低，大致呈拋物線形狀;在42CrMo表面和心部，水淬硬度略高于體積分數(shù)為15%的BW淬火;在表面和心部之間，兩者淬火硬度相當;水淬比體積分數(shù)為15%的BW淬火硬度變化略大一些。

42CrMo在水和體積分數(shù)為15%的BW兩種介質(zhì)中淬火硬度都呈拋物線形狀，這是因為工件截面上各處冷卻速度是不同的。本次試驗中采用的試樣為圓棒試樣，所以在淬火時，其表面冷卻速度最大，心部冷卻速度小。因此，工件由表至里馬氏體的數(shù)量逐漸減少，硬度分布逐漸降低。而水的最大冷卻速度大于體積分數(shù)為15%的BW的最大冷卻速度，并且都大于臨界淬火溫度，所以42CrMo整體硬度都在48HRC以上且水淬硬度略大于體積分數(shù)為15%的BW淬火硬度。

圖5和圖6分別為42CrMo在850℃下淬火金相組織。從圖5可以看出:42CrMo采用30℃的水淬火，心部組織大小均勻且很細小，其組織有針狀馬氏體和細小碳化物，其心部硬度達到51HRC，說明淬透能力比較強;表面組織更為細小，有大量馬氏體存在，硬度達到54HRC，且心部與表面硬度變化不大，說明42CrMo用水能夠完全淬透。從圖6可以看出:42CrMo采用液溫30℃、體積分數(shù)為15%的BW介質(zhì)淬火，心部組織大小比較均勻且大小中等，組織有馬氏體可能還有一些小的碳化物，表面組織顯微組織細小，很均勻，有大量細小的針狀馬氏體。42CrMo鋼心部的硬度48HRC，表面硬度最低也達到52HRC，可見采用體積分數(shù)為15%的BW也能完全淬透，可以保證鑄件淬硬性。

圖4 42CrMo硬度分布曲線

圖5 水作為介質(zhì)42CrMo的淬火組織

圖6 體積分數(shù)15%BW作為介質(zhì)42CrMo的淬火組織

某單位生產(chǎn)的大型軸類零件，材質(zhì)為42CrMo鋼，該鍛件質(zhì)量為24 t，最大直徑為800 mm，長度為2 800 mm。采用水進行淬火時，抗拉強度為1 163 MPa，沖擊韌性為63 J，心部的硬度達到35HRC，表面硬度達到53HRC，基本滿足要求。但由于淬火后殘余應力較大，零件同軸度往往有10% ～20%工件超標。據(jù)統(tǒng)計，采用水作為淬火介質(zhì)，因該零件變形導致零件同軸度超差的零件返修率約達18%;采用市售體積分數(shù)為15%的BW作為淬火介質(zhì)，不僅抗拉強度大于1 080 MPa，沖擊韌性大于80 J，心部的硬度達到39HRC，表面硬度達到52HRC，而且因零件變形導致同軸度超差的零件返修率下降至2.3%。圖7為42CrMo不同長徑比的軸類零件采用水和體積分數(shù)為15%的BW淬火返修率的統(tǒng)計結(jié)果，從圖7可以看出:對長徑比大于3的軸類零件，采用BW水溶性淬火介質(zhì)進行淬火，可以有效減少變形，保證零件同軸度精度不大于0.5 mm。

3 結(jié)論

(1)預熱溫度為30℃時，隨著BW體積分數(shù)的增加，最大冷卻速度逐漸降低，300℃時的冷卻速度逐漸降低，最低為82.2℃/s;BW體積分數(shù)為8%時，從850℃冷卻到600℃、400℃和200℃所用時間較短，當BW體積分數(shù)大于8%時，其所用時間逐漸增加。

(2)42CrMo在水和體積分數(shù)為15%的BW兩種介質(zhì)中淬火硬度都呈拋物線形狀，最低硬度為48HRC。

(3)對于尺寸精度要求較高的大型軸類零件，采用體積分數(shù)為15%的BW替代水進行淬火，可以有效降低零件殘余應力，從而減小變形。

圖7 長徑比對42CrMo軸類零件返修率的影響

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