水基淬火液冷卻性能及其在控時(shí)淬火技術(shù)上的應(yīng)用

山東思科工業(yè)介質(zhì)有限公司 山東德州 253000

1 序言

隨著熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展，熱處理冷卻的重要性日益凸顯，理想的冷卻速度和穩(wěn)定的冷卻性能成為淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具備的基本特點(diǎn)。為分析淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能，我們采用符合ISO 9950—1995標(biāo)準(zhǔn)的冷卻曲線測定儀對(duì)不同濃度的水基淬火液進(jìn)行測試。此外，控時(shí)淬火技術(shù)是山東思科工業(yè)介質(zhì)有限公司為擴(kuò)大水基淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)用范圍，多年來研究總結(jié)并在石油機(jī)械和大型鍛件中推廣應(yīng)用的淬火技術(shù)。本文以石油鉆井穩(wěn)定器的淬火為例，對(duì)其進(jìn)行闡述。

2 冷卻性能測試標(biāo)準(zhǔn)

思科淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能測試依據(jù)ISO9950—1995標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）1995年5月1日頒布的淬火油冷卻性能測定方法[1]。按照該標(biāo)準(zhǔn)的要求，測試內(nèi)容主要有三個(gè)部分，即冷卻曲線、冷卻時(shí)間和冷卻速度。其中冷卻曲線包括溫度-時(shí)間曲線和溫度-冷卻速度曲線；冷卻時(shí)間主要包括850～600℃、600～400℃以及400～200℃的冷卻時(shí)間；冷卻速度主要包括最大冷卻速度和300℃對(duì)應(yīng)冷卻速度，如圖1所示。

3 冷卻性能測試

淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)具備理想的冷卻速度，較高的穩(wěn)定性，良好的冷卻均勻性，無腐蝕，以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保和安全等基本性能，其中研究水基淬火液的冷卻性能是合理使用淬火液的基礎(chǔ)。為此，我們測試了senco-P75水基淬火液不同濃度對(duì)應(yīng)的冷卻性能指標(biāo)，并與水作比較，冷卻曲線對(duì)比如圖2所示，匯總測試報(bào)告數(shù)據(jù)見表1。

圖1 冷卻性能測試曲線

表1 水和不同濃度P75水基淬火液測試報(bào)告數(shù)據(jù)比較

圖2 測試?yán)鋮s曲線對(duì)比

4 水基淬火液在控時(shí)淬火技術(shù)上的應(yīng)用

4.1 控時(shí)淬火技術(shù)的定義

淬火冷卻介質(zhì)理想冷卻速度是在淬火冷卻時(shí)等溫轉(zhuǎn)變圖“鼻部”的冷卻速度大于臨界冷卻速度（保證工件能完成馬氏體轉(zhuǎn)變的最低冷卻速度），在其他溫度范圍，尤其是馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（Ms→Mf）則應(yīng)緩冷，即“高溫冷得快，低溫冷得慢”，如圖3所示?？貢r(shí)淬火技術(shù)是根據(jù)這一基本原理，結(jié)合工件的材質(zhì)、尺寸、力學(xué)性能要求和淬火液的冷卻速度等因素，綜合計(jì)算工件在水基淬火液中冷卻時(shí)間，達(dá)到既不開裂還必須符合力學(xué)性能要求的一種淬火冷卻方法。采用這一方法工件不需要反復(fù)出入淬火冷卻介質(zhì)，而是通過計(jì)算直接冷卻到Ms點(diǎn)以下[2]。

圖3 淬火液的控時(shí)淬火技術(shù)理論曲線

4.2 淬火液應(yīng)用控時(shí)淬火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

工件在水基淬火液中的冷卻時(shí)間過短會(huì)達(dá)不到性能要求，冷卻時(shí)間過長又會(huì)增大淬裂的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用控時(shí)淬火技術(shù)，冷卻時(shí)間則可以根據(jù)工件Ms點(diǎn)溫度、有效尺寸、力學(xué)性能要求，以及水基淬火液的冷卻能力等進(jìn)行計(jì)算。

采用這一技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：可以擴(kuò)大水基淬火液應(yīng)用范圍，滿足合金結(jié)構(gòu)鋼的淬火冷卻性能要求；不需要反復(fù)調(diào)整水基淬火液的濃度，可以滿足多種材質(zhì)在一個(gè)淬火槽中冷卻；有利于達(dá)到材料的最高冷卻性能。

4.3 在大型穩(wěn)定器調(diào)質(zhì)工藝的改進(jìn)應(yīng)用

石油鉆井穩(wěn)定器（見圖4）是鉆井作業(yè)的常用工具之一，應(yīng)具有較高的安全可靠性，尤其是綜合力學(xué)性能必須符合高要求。目前，許多大型穩(wěn)定器的體積和重量較大，增加了熱處理加工的難度。使用快速淬火油淬火經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)表面硬度低、心部硬度不達(dá)標(biāo)等問題，而使用水基淬火液冷卻常會(huì)出現(xiàn)淬火開裂的現(xiàn)象。為此，思科工業(yè)介質(zhì)經(jīng)過多年的探索總結(jié)，采用控時(shí)淬火技術(shù)解決了上述問題，使大型穩(wěn)定器的力學(xué)性能和硬度值均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，見表2。

表2 大型穩(wěn)定器的主要力學(xué)性能

圖4 穩(wěn)定器實(shí)物

由于大型穩(wěn)定器對(duì)所用鋼材的淬硬性和淬透性均有一定的要求，所以在生產(chǎn)中主要選用40CrMnMo、40CrNiMo、4145H三種材質(zhì)的鋼材，客戶生產(chǎn)中選用的種類為40CrMnMo。當(dāng)鋼材中的主要元素含量偏下限或處于下限時(shí)，熱處理性能會(huì)有顯著的差異，無法保證產(chǎn)品的力學(xué)性能和硬度，因此在原材料選擇時(shí)必須保證主要元素含量處于中上限。公司限于規(guī)模，無法從鍛造廠定制原材料，于是訂購了成分處于中限的毛坯料，見表3。

表3 試驗(yàn)用大型穩(wěn)定器毛坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

首先是調(diào)質(zhì)前毛坯的加工工藝。大型穩(wěn)定器的毛坯料一般都是采購于鍛造廠的鍛件，其外表面是經(jīng)過粗加工的。在調(diào)質(zhì)前要加工出中心孔，條件允許下應(yīng)加工出扣頭以減小零件的有效壁厚。另外，倒角應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡量大一些，以減少尖角效應(yīng)的不利影響。廠內(nèi)處理的穩(wěn)定器頸部外徑為292mm，中心孔直徑為76mm，重量為2.2t。在調(diào)質(zhì)處理前，為確保毛坯的綜合性能，消除可能存在的帶狀組織和鍛造缺陷，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織的目的，需要對(duì)毛坯進(jìn)行正火處理。

其次是調(diào)質(zhì)工藝。大型穩(wěn)定器各部位的橫截面積差異較大，在加熱時(shí)形成的熱應(yīng)力極易增加橫裂的危險(xiǎn)性，因此應(yīng)采用緩慢加熱的方式，加熱速度≤60℃/h，以降低表面和心部的溫差，減小熱應(yīng)力。保溫時(shí)間根據(jù)工件厚度確定，在850℃保溫4h。冷卻時(shí)使用水基淬火液，零件的淬硬性、淬透性與鋼材的合金成分與淬火液的冷卻能力密切相關(guān)?；鼗鹂筛鶕?jù)廠家的不同要求確定回火溫度。熱處理工藝如圖5所示。

在鋼材的合金成分確定后，通過調(diào)節(jié)淬火液的冷卻參數(shù)來提高零件的淬硬性和淬透性；同時(shí)對(duì)使用水溶性淬火液的種類、濃度、淬前溫度、循環(huán)流動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行了確定（見表4）。這樣既提高了零件的淬透性，使其表面和心部都獲得足夠的馬氏體組織，又確保其回火后的綜合力學(xué)性能。另外，根據(jù)控時(shí)淬火技術(shù)計(jì)算冷卻時(shí)間為11min，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)冷淬火，嚴(yán)格控制冷卻時(shí)間和出液溫度，避免了零件淬火裂紋的產(chǎn)生。調(diào)質(zhì)工藝經(jīng)正交試驗(yàn)得到驗(yàn)證，并投入批量生產(chǎn)，取得了良好的效果。

表4 淬火液的選用

5 結(jié)束語

本文分析了水基淬火液的測試標(biāo)準(zhǔn)及冷卻性能，并舉例說明使用水基淬火液淬火時(shí)，思科工業(yè)介質(zhì)多年來一直探索的“控時(shí)淬火技術(shù)”在石油機(jī)械領(lǐng)域上的推廣應(yīng)用，使工件既達(dá)到力學(xué)性能要求，又避免了開裂。