大型锻件水溶性淬火剂的应用

第 l3卷 1992拒 第s期 国 外 金 属 热 处 理 6月 Ⅷ ．13 N93 JL『N lg92 0 一 六 ，／{陋 水 杀兜 辛 伽 J 大型锻件水溶性 淬火剂的应用 [日] 查查宣墨 等 铁道部天津机车车辆工厂 堇 些 译 f 6．j 1．绪 言 对大型锻件的淬火作业来说，采用一般 的矿物油系列的淬火油作 为淬火剂。但是 一 矿物油系的淬火剂，虽具有出色的冷却特 i 性，但另一方面，热处理作业时有发生火灾 的危险陛。由于油烟的产生，使作业环境恶 ¨。 化，公害问题以及产生油泥的处理问题等 等，多数的问题早已被指出 为改善这种作 业环境的卫生条件，要积极开发可替代的冷 却剂，应用各种水溶}生淬火剂。特别是最近， 甚至开发了经济性高的 并且非常近似淬火 油冷却能力的水络性浮I几剂。 本研究在测量这 水溶陛淬火剂适用 于大型锻件的同时．对在实际作业上的问 题，以及所处理材料的质量．进行了讨论，其 结果如下 2．水溶性淬火剂和淬火油 冷却特性的比较 淬火油的冷却过程，可分为三个阶段： (I)蒸气膜阶段；(2)沸腾阶段；(3)对流阶 段 对流阶段的开始温度是淬火油的沸点， 图 I示出淬火油的淬火冷却过程。 就淬火油而言．通过任意调整分子量． 能够调整对流阶段的开始温度．对一般淬火 油的冷却特性的设定，应使材料的马氏体相 50 囊区在冷却速度最小的对流阶段。 ￡ 疆 (辛却{度 图 I 淬火油的冷却过程 对于水溶性淬火剂，由于大半是水组成 的，其沸点变为 100 C．被处理材料的马氏 体相变区，处于冷却速度最大的 腾阶段。 因此．对于要求像大型锻件那样大的冷却性 能的材料，如果不选用，蒸气膜阶段短，并且 在沸腾阶段内的马氏体相变区域，冷却速度 小的溶性淬火剂，就会增大产生淬火裂纹、 变形的危险陛 3．水溶性淬火剂的冷却特性 水溶性淬火剂的冷却特性受浓度、液体 温度以及搅拌速度的影响如下： 3．1液体浓度的影响 改变淬火液的浓度，则冷却性发生很大 的变化。并且，浓度的变化将促使蒸气膜阶 段的时间，以及沸腾阶段的冷却速度发生显 著的变化。由此可见，控制水沿陛淬火剂的 维普资讯 http://www.cqvip.com 冷却挣陛，使之适合被处理材料的冷却性能 要求是可能的．因此，为保持一定的冷却特 性，液体浓度的管理是重要的。 3．2液体温度的影响 因为水溶性淬火剂主成分是水．按照水 温和蒸气压的关系．随着温度变化t蒸气压 变大．因而蒸气膜阶段的时间也随之变化。 为使冷却性能保持稳定．液体温度的管理也 是很重要的。 3．3搅拌速度的影响 搅拌速度对蒸气膜阶段有很大的影响t 因此对蒸气膜阶段【圭的水溶性}卒火剂，其影 响增大。正确的搅拌方法，是直使产生的蒸 气膜平稳地脱落。适当的控制以上液体浓 度，液体温度及搅拌速度三要素，能够从低 速到高速的淬火冷却，因而也能调节淬透深 度。要得到适合于大型锻件的冷却性能，可 采用低温一高浓度的方法，这是防止淬裂和 变形的有利措旗。图2示出水洛性{卒火剂特 性的主要因素。 日j闯 图 2 水溶性淬火剂的冷却特性的因素 4．确定水溶性淬火剂的基 本冷却性能 为了验证适用于大型锻件淬火的水溶 性淬火剂的基本特性，制作了淬火试验设 备．测定了实际尺寸处理材料的冷却速度 4．1淬火试验设备 淬火试验设备的淬火冷却槽的容量应 当是将被加热的钢材浸入到液体中时，能抑 制温度的上升，且可以充分搅拌的液体量． 并且被加热的钢材在足够深度的液体中充 分浸渍。淬火试验设备的示意图见图3。 图 3 试验淬火装置 4．2测定冷却速度用的试料 作为测定钢冷却速度用的试料，采用退 火粗车的 ~400rnm×410mmL的低碳 Ni— o钢棒料。 测定温度的位置，由表层到中心分为 9 个点，用中3．2ram铠装热电偶固定在各点， 进行测定．图 4为测定冷却速度用试样的示 意图。 图 4 冷却速度测定用试料的略图 4．3水溶性淬火剂的配制 考虑到被处理材料是大型敬件，材质为 高碳，高合金系等情况，从已经实用的 各种 水涪陛淬火剂中，选择了冷却能力与淬火油 极近似的PAG系列的聚合物，表 1示出其 基本杼陛。 水溶性淬火剂的液体浓度高．有利于防 止淬火开裂、变形 但淬火时，被处理材料要 51 r -¨ 。．L ～ 一；一 一愁 ．．～ 维普资讯 http://www.cqvip.com 表 l 水溶性淬火剂的基本性能 4．4冷却速度的测定结果 为了把水溶性淬火剂的冷却性能与现 行的淬火油进行对比研究，测定了各种冷扣 剂的冷却速度。使用上述的试验材料测定冷 却速度，加热温度为850'C~ 1050"C．其结 王 臣￡ m ^ 兰{ ： i l^j 冷却速 度测定的结果．从加热温度 850℃及 lO]5'c开始冷却，到 45o'c附近 因 黼 三 譬 “ 圉 6 冷却速度测定结果(加热温度 10]5'C) 为淬火油、水溶性淬火剂两者都处于沸腾阶 段，冷却速度的梯度没有显著的差别 但继 续进行冷却，在 450~C~0 150'C左右之间时， 两者冷却速度梯度差别明显。就是说，淬火 油终止了沸腾阶段，进入对流阶段，冷却速 维普资讯 http://www.cqvip.com 度梯度变小。水涪陛淬火剂依然继续在沸腾 阶段，冷却速度不变。这样一来，两者的冷却 速度产生差别。若从被处理材料的内外温差 来看，用冷却速度大的水溶性淬火剂淬火， 材料内外的温差变小。 从这些结果可以判断，在使用水涪陛淬 火剂的实际作业中，如果考虑淬火前的形状 及尺寸对于Ml点较低的钢种可以进行充分 冷却，但对于 点高的钢种以及实施贝氏 体淬火的钢种，浸没时间应比油淬的短，而 且必须严格进行温度管理。 5．用实物淬火的准确性试验 选定目前进行油淬的大型锻件的五个 钢种为对象，示于表 2，五个钢种各制造 2 个近似于实物尺寸的锻件，各钢种都进行了 油淬件和水溶性淬火剂淬火件的比较试验。 5．1试验材料的热处理方法 每4-~：R产品的试验材料，分别放于批 帮件点1 量产品的热处理炉中，采用与制品所的 相同的热周期进行加热，一个是用与通常的 批量产品相同的冷却条件实施油淬，另～个 使用试验淬火设备，用水溶性淬火剂淬火。 水溶性淬火剂情况下的浸渍时间和出 水温度，是根据从前的油淬时的出油温度以 及按 4．4的冷却速度测定结果设定的。 5．2试验结果 舯 “ ^ 咐 盯 十- 竹 ^ 图 7 断面硬度测定结果 (1)断面硬度的测定 试抖 科 (mm， [kg， 捌 量 tl亿羊成甘 箍造 寸(mm) 牛∞ 。 L々 j 牛口j t口。L R 性 }】 00o^ n 】蕾 m 4M i 赴 曲 齄{ 日A 抖 ．^ r．D E} ■ lm 疽一定 H J． ． 的 孟《电3^ 氏{凄 H)( § 5m，m’ 雪_● 《走 定 i e 田 自 十 、 * __T l一 曲 A 击． 鞋直 #砷L 自． 自i ． 固 九让砬#(J 号)2十 啦 I5 t自# 上日辜】 回里 囊 一0哥 ■ } ‘×】OD．x●DD) 维普资讯 http://www.cqvip.com 为了比较油淬火件 及用水溶性淬火 剂处理材料的淬透性．把表 2所示的热处理 后材料的中央部位切断．测定其断面硬度分 布。其结果示图7，两者硬度大体上相同．没 有特殊的差异。 (2)机械性能 ● 一 享 0’～ 曹 f 。一 一 。。 ～ — j0 0 4 J—一 言 ～^ 20 一0 · ／ L 自 ． 图 8 拉伸试验结果 包括两个钢种在内的表面部位，采用水 溶性淬火剂淬火，并在同～回火条件下回火 时．抗拉强度和屈服强度都较高。用淬遗性 较好尺寸较小的 E钢种，也看到同样的倾 向。 另一方面，在此试料E钢淬透性稍低， 而且质量较大的试料 D钢的情况下，用水 溶性淬火剂处理的材料，中心部位的强度水 平变低，这是因为浸渍时间的差别，使中心 部位与贝氏体鼻子相交所致 这次试验是参考以前的用油淬火操作 的冷却时间，根据 4．4实际效果的数据，算 出中心部位冷却到同一温度所需要的水溶 性淬火剂的浸渍时间，而后进行操作的，像 这样以内外部位的强度差工作为校正方法， 在实际作业中，进行充分冷却是重要的。作 热处理后，由表 2所示的试验材料的表 层和中心部位，切取 T方向和 L方向的抗 拉试样，进行了 对比试验。作为一般使用的 模块材料，淬透性不同的两个钢种，其拉伸 试验结果示于图 8和图 9。 图9 拉伸试验结果 为实际的防止淬裂的措施，淬火后到回火处 理的恰当 的加热操作是必要的。 (3)显微组织试验 在第(2)项所取抗拉试样的相同位置， 进行两者的显微组织试验，照片 1、2示出组 织观察的结果，表层和中心部位有特殊的组 织差异，均属正常的调质组织。 ( )淬裂敏感性试验 为了确认淬裂敏感性试验，将有表面缺 陷(裂纹性的锻造折迭)的处理材料进行淬 火，观察热处理前后的表面缺蹈的扩展情 况。照片 3示出外观状况。从表面观察，几 乎没看出裂纹的扩展，另外通过超声波擦伤 试验．也没有发现裂纹内部的显著扩展。 水溶性淬火剂每每应用于小型零件的 热处理，但有淬裂敏摩隍增大的问题，大型 维普资讯 http://www.cqvip.com 锻件的情况，在最终的冷却阶段，变为热应 力分布型．表面部位变为压缩应力，我们认 菇 r 一 ． ’ ’ { 一 ， ． ， 一 l^ — 照片 1 试料的 D钢的显微组织 6．淬火处理的作业环境 目前使用的淬火油和水溶性淬火剂的 优缺点示于表 3，另外照片 4(略)表示油淬 表 3 淬火油和水溶性淬火荆的优缺点 为，这是不致助长表面裂纹扩展的主要原因 之一。 ， 、 轰 一 照片2 试料E钢的点微组织 时被处理材料浸渍时发生的着火、冒烟的状 况，以及用水溶性淬火剂淬火作业时的状 况。用水溶性淬火剂完全投有发火、冒烟现 象， 很清楚地确认材料的浸渍状态。 淬 火 油 ( 现 状 ) 水 溶 性 淬 火 剂 · 有大火的危险 ·投有起火性，没有大火的危险 · 产生烟 (公害 作业环境) ·产生一些蒸气-马上消失 · 在热交换器上附着油泥 ·不产生油泥 · 四周由于油的污染，容易打滑，危险 ·四周的污染少 · 混入水时，影响油的性能 ·没有承混入的闻题 · 油温可能到 120c ·有热气分离的问题。在50℃以下应用， 有必要进行管理 · 油的氧化等老化管理(定期分析) ·有 -要对浓度进行频繁的管理 7．结束语 为确认水溶性淬火剂的基本冷却特性， 对 前实施油淬的大型教件的代表钢种．使 用水溶性淬火剂，进行了用实体尺寸的热处 理，以及质量确认试验。其结果摘要如下： (1)用 ~400mm级的锻件，在水溶性淬 火剂的沸腾阶段，连续实测 450～150~C的 冷却速度的梯度，和油淬火的比较，看到两 者速度的差别，冷却速度大的水溶性淬火剂 被处理材料rN~'l-温差较小。 (2)对实际作业来说，地 点越高的锕 种，越有必要严格管理冷却时的出水温度 (3)进行了水涪眭淬火剂的淬裂敏感性 试验，大型锻件的情况，对表面缺陷引起的 裂纹敏感性较小。 (4)水溶性淬火剂淬火时，确实没有见 到着火、冒烟等现象，大大改善了淬火作业 的环境。 以上对大型锻件成功地应用水溶性淬 火剂，进行了各种准确性试验，确认了几个 现场作业上应该注意的事项。我们认为今后 对质量高的锻件，也应进一步研究。(译自日 本《三菱制钢技报》 VOL．23 NO．1，2 1989) 维普资讯 http://www.cqvip.com