45鋼制零件在箱式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線中純水淬火的工藝試驗

陳衛(wèi)東，薛元強，劉一華，王寧波，常佳鵬

江蘇金色工業(yè)爐股份有限公司 江蘇鹽城 224100

1 序言

箱式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線是江蘇金色工業(yè)爐股份有限公司開發(fā)的用于大型通用件調(diào)質(zhì)、正火等熱處理專用設(shè)備（見圖1）。該生產(chǎn)線由加熱爐、正火爐、回火爐、風(fēng)冷臺、淬火槽、循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(chǎn)效率高，可替代傳統(tǒng)的箱式爐、臺車爐、井式爐，大大減輕作業(yè)人員勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境。通過特別設(shè)計的淬火槽、循環(huán)冷卻系統(tǒng)，滿足工程機械、船舶和風(fēng)電行業(yè)的45鋼、40Cr鋼、42CrMo鋼等大型零部件的正火和調(diào)質(zhì)等熱處理。本文根據(jù)某45鋼工程零件的技術(shù)要求，通過選擇合理的熱處理工藝、零件裝掛方式、調(diào)整冷卻攪拌參數(shù)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(diào)質(zhì)生產(chǎn)線

45鋼工程機械零部件原來是在箱式爐、井式爐、臺車爐內(nèi)加熱，通過行車轉(zhuǎn)移到淬火水槽進行淬火。由于零件轉(zhuǎn)移時間長、淬火水槽沒有特別設(shè)計等原因，所以在水劑淬火冷卻介質(zhì)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(zhì)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(diào)質(zhì)生產(chǎn)線，對淬火冷卻系統(tǒng)進行特別設(shè)計，縮短從加熱爐轉(zhuǎn)移到淬火水槽的時間，在淬火工裝兩側(cè)及底部設(shè)置可變頻調(diào)速的強力攪拌系統(tǒng)，并且設(shè)置水流調(diào)節(jié)導(dǎo)向系統(tǒng)，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(xué)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(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)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(xué)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(fā)生的相變也越完全。常規(guī)淬火過程的傳熱會連續(xù)發(fā)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(tǒng)、大容量水槽及熱交換系統(tǒng)，保持水溫與環(huán)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(yīng)控制在40℃以下。我公司設(shè)計的淬火水槽，溫升控制在5℃以內(nèi)，可以滿足不同季節(jié)的生產(chǎn)需要。

2.1 試驗材料

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，作為一種典型的調(diào)質(zhì)鋼被廣泛使用。材料化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，見表1。力學(xué)性能指標見表2。

表1 45鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 45鋼的力學(xué)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(zhì)，通過快速轉(zhuǎn)移、淬火水槽兩側(cè)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(qū)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(tǒng)和裝爐方法如圖3所示。

圖3 試驗裝置

（3）箱式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的特點

1）爐體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移，可實現(xiàn)自動定位、裝料出料。

2）快速轉(zhuǎn)移及快速升降淬火系統(tǒng)，在較短的時間內(nèi)將料盤及零件快速轉(zhuǎn)移至升降淬火系統(tǒng)，實現(xiàn)快速淬火。

3）淬火水槽采用兩側(cè)加底部強力變頻攪拌系統(tǒng)，水流導(dǎo)向調(diào)節(jié)，水槽容積加大設(shè)計，以及快速循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保了使用純水的冷卻能力。

2.3 技術(shù)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(diào)質(zhì)處理后最終硬度201～285HBS。

1）淬火零件按前中后三區(qū)、每區(qū)取三件檢查，如圖4所示。前后區(qū)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(jù)G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度》規(guī)定，在45鋼φ50m m×50m m試樣上截取10mm×10mm試樣，一面經(jīng)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(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級》規(guī)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(guī)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(jié)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(xué)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(jié)果見表4、表5。

表4 淬火后零件表面硬度9點檢測結(jié)果 （HRC）

表5 回火后零件表面硬度9點檢測結(jié)果 （HBS）

根據(jù)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(jié)果見表6。零件力學(xué)性能檢測結(jié)果見表7。

表6 試樣硬度測試結(jié)果

表7 零件力學(xué)性能檢測結(jié)果

4 結(jié)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(zhuǎn)移時間等，可以用純水淬火來滿足產(chǎn)品熱處理技術(shù)要求。從試驗結(jié)果看，不僅產(chǎn)品的金相組織、力學(xué)性能均可滿足設(shè)計要求，而且使用純水成本低，無需特別的保養(yǎng)維護，不產(chǎn)生污染等。

2）叉車式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線能減輕作業(yè)人員勞動強度，提高工作效率，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，是替代箱式爐、井式爐的理想產(chǎn)品。