左永平 林天泉 鄭 益 王 濤 周起光

(南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)有限公司，江蘇211100)

大型鍛件常用的淬火冷卻方式有很多，如靜止空氣冷卻、鼓風(fēng)冷卻、噴霧冷卻、油冷、水冷、噴水冷卻及水淬油冷、空-油冷卻(延遲淬冷)、水-油雙介質(zhì)淬火、油-空雙介質(zhì)淬火等。而這些冷卻方式并不能完全滿足大型鍛件的淬火要求，需要相應(yīng)的淬火介質(zhì)和冷卻方式配合完成大型鍛件的淬火目的。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研制開(kāi)發(fā)了一批新的淬火介質(zhì)，其中主要是水溶性有機(jī)聚合物類。如聚二醇(PAG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸鈉(ACR)和羧甲基纖維素(CMC)等。這些介質(zhì)通過(guò)改變濃度、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[1-4]。其中KERUN?系列水溶性淬火介質(zhì)即是這類開(kāi)發(fā)產(chǎn)物。

1 大型鍛件原材料對(duì)鍛后熱處理的要求

大型鍛件在服役環(huán)境下大多承受較大的應(yīng)力，對(duì)工件的綜合力學(xué)性能要求較高，一般選擇淬透性較好的合金鋼，如40Cr、50Mn、35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、42CrMo4、34CrNiMo6、5CrNiMo、H13(4Cr5MoSiV1)等。為充分發(fā)掘材料的潛力，大型鍛件一般都需要進(jìn)行熱處理。但由于大型鍛件都是由鋼錠直接鍛造而成的，所以在熱處理過(guò)程中必須考慮冶煉、鑄錠、鍛造等過(guò)程對(duì)鍛件內(nèi)部質(zhì)量的影響[1]。其主要影響因素有：化學(xué)成分不均勻與多種冶金缺陷的存在，如偏析等；晶粒粗大且不均勻；較多的縮孔、縮松與夾雜物；較大的鍛造應(yīng)力。

一般來(lái)說(shuō)，工件尺寸和重量越大、鋼中的合金成分含量越高，存在上述問(wèn)題可能性就越大。如果組織存在嚴(yán)重的偏析、鑄態(tài)樹(shù)枝晶、硫化物等，在淬火時(shí)很容易發(fā)生淬火裂紋或崩角的熱處理缺陷，直接造成工件的報(bào)廢。因此，大型鍛件一般需進(jìn)行鍛后熱處理，以改善鍛件內(nèi)部組織、消除鍛造應(yīng)力、降低硬度提高鍛件的加工性能、細(xì)化晶粒使鍛件獲得良好的力學(xué)性能或?yàn)楹罄m(xù)的最終熱處理提供良好的組織條件[1-2]。

2 常用大型鍛件淬火冷卻方式

淬火是熱處理工藝中的重要工序。為保證大型鍛件足夠深的淬硬層，整個(gè)工件截面必須有合理的溫度梯度分布，以盡量降低熱應(yīng)力。傳統(tǒng)的油冷淬火，表面冷速太慢，不能保證足夠的淬硬層深度；采用水淬方式，表面冷速又太快，表面和心部的溫差太大，見(jiàn)圖1。巨大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使工件產(chǎn)生開(kāi)裂變形的傾向相當(dāng)大。

為減小淬火過(guò)程中淬火應(yīng)力，實(shí)際生產(chǎn)中須根據(jù)工件的材料、有效厚度、形狀選擇合適的淬火介質(zhì)及淬火工藝。工件材料的含碳量、合金元素含量越高，淬火開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)就越大，可根據(jù)工件材料的碳當(dāng)量進(jìn)行評(píng)估，以確定合理的淬火介質(zhì)及工藝?？砂聪铝泄接?jì)算鍛件的碳當(dāng)量CE[1，3]：

1—水冷表面 2—油冷表面 3—“水-空”冷表面4—水冷心部 5—油冷心部 6—“水-空”冷心部圖1 不同介質(zhì)冷卻時(shí)工件心部和表面溫度變化示意圖[1，3]Figure 1 Formation schematic of temperature of center and surface using different quenchants

CE=C%+Mn%/20+Ni%/15+(Cr%+Mo%+V%)/10

2.1 鹽水單液淬火

單液淬火操作簡(jiǎn)單，但尺寸較大的工件容易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂的熱處理缺陷，須謹(jǐn)慎使用并嚴(yán)格按規(guī)范操作。為了減小淬火過(guò)程中的熱應(yīng)力，常采用預(yù)冷淬火的工藝，即加熱透的工件出爐后，先在空氣中或預(yù)冷爐中冷卻一定的時(shí)間，待工件表面冷至臨界溫度稍高的溫度后再放入鹽水中冷卻。通過(guò)預(yù)冷的方式可以減少工件與淬火介質(zhì)的溫差，從而減小熱應(yīng)力，降低變形開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在判斷鍛件能否采用水冷淬火時(shí)，首先應(yīng)考慮鍛件的化學(xué)成分和基礎(chǔ)性能的影響，對(duì)照大型鍛件熱處理文獻(xiàn)中的有關(guān)規(guī)定：當(dāng)合金正偏析區(qū)的含碳量C%≥0.36%或正偏析區(qū)的碳當(dāng)量[C]>0.88%時(shí)，應(yīng)禁止用水淬[3]。但是筆者在技術(shù)服務(wù)過(guò)程中，接觸過(guò)很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較豐富的客戶，部分含碳量C%≥0.45%的大型鍛件也采用鹽水淬火。

大型鍛件采用鹽水淬火時(shí)最為關(guān)鍵的是必須嚴(yán)格控制出水溫度。出水溫度一般選擇在Ms點(diǎn)以上略低于回火溫度的范圍內(nèi)，出水后立即帶溫進(jìn)入回火爐回火。

2.2 水淬油冷傳統(tǒng)工藝

這種淬火方式充分利用了兩種介質(zhì)的特性。在高溫階段采用冷速較快的水可以有效避免先析相的產(chǎn)生，在低溫階段采用冷速較慢的油可以降低馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速，減少組織應(yīng)力。水冷過(guò)程中必須嚴(yán)格控制工件在水中的停留時(shí)間，冷卻過(guò)程中工件會(huì)有振動(dòng)發(fā)生。振動(dòng)停止的瞬間，立即出水入油。也可按有效厚度(0.1～0.4)s/mm左右的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算在水中的冷卻時(shí)間[6]。

2.3 水溶性淬火介質(zhì)

PAG類水溶性淬火介質(zhì)具有界于油和水之間的冷卻特性，可通過(guò)濃度和攪拌方式獲得不同的淬火烈度。PAG類水溶性淬火介質(zhì)同水相比仍保留了較高的高溫冷卻速度，在低溫對(duì)流階段，工件表面脫溶的聚合物膜相對(duì)比較穩(wěn)定，回溶的速度非常緩慢，大大降低了低溫冷速，可減小或避免變形開(kāi)裂。因此，水溶性淬火介質(zhì)非常適合大型鍛件的淬火，既可以保證足夠的淬硬層深度，又可以減小變形開(kāi)裂的傾向[7]。

水溶性淬火介質(zhì)的冷卻特性受多種因素的影響，其中主要有濃度、攪拌方式和溫度。因此，水溶性淬火介質(zhì)具有比其它淬火介質(zhì)更多的可調(diào)整工藝參數(shù)，可大大拓寬其使用范圍，具有其它介質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是實(shí)際生產(chǎn)中必須密切監(jiān)控各個(gè)工藝參數(shù)，對(duì)工程技術(shù)人員及現(xiàn)場(chǎng)操作人員的技術(shù)水平要求較高。不同濃度的KR6680對(duì)冷卻速度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同濃度KR6480淬火液、水和N32的冷卻特性Figure 2 Cooling characteristics of KR6480 quenchant with different concentration,water and No.32 engine oil

在判斷鍛件淬火時(shí)能否采用水溶性淬火介質(zhì)時(shí)，首先考慮材料的含碳量和淬透性，建議當(dāng)合金正偏析區(qū)的碳當(dāng)量為0.6 %≤[C]≤1.4%時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇水溶性淬火介質(zhì)，并嚴(yán)格控制熱處理工藝(包括濃度、攪拌方式等工藝參數(shù))[3]。

3 水溶性淬火介質(zhì)的熱處理工藝控制方法

熱處理淬火需根據(jù)工件材料及尺寸選擇合適的淬火工藝。淬火質(zhì)量的好壞，關(guān)鍵是淬火介質(zhì)的冷卻特性及其工藝的合理控制。淬火介質(zhì)的選擇一般要求在高溫區(qū)(650℃左右)冷卻速度快些，避免先析相的產(chǎn)生及過(guò)冷奧氏體的分解，在低溫區(qū)(400℃以下)冷卻速度慢些，以降低組織應(yīng)力。但是大型鍛件由于尺寸大，冷卻過(guò)程的不均勻性會(huì)造成極大的熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力同復(fù)雜的組織應(yīng)力相互疊加極可能產(chǎn)生變形開(kāi)裂。因此，大型鍛件的關(guān)鍵工藝控制要點(diǎn)是如何在保證足夠淬硬層的情況下減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，這就要求結(jié)合實(shí)際工況條件制定出相互匹配的熱處理工藝。

3.1 加熱工藝的制定

大型鍛件在加熱過(guò)程中，由于尺寸較大，表面與心部之間存在較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致大的熱應(yīng)力。為避免過(guò)大的熱應(yīng)力，應(yīng)該控制裝爐溫度和升溫速率，特別是尺寸大、合金元素含量高的鍛件，多采用階梯式加熱，即規(guī)格較大的工件采取低溫裝爐并以較低的速率加熱，在升溫過(guò)程中進(jìn)行一次或多次中間保溫，見(jiàn)圖3工藝圖。

由于大型鍛件多選用合金結(jié)構(gòu)鋼，加熱溫度一般選擇Ac1+(30～50)℃。鍛件在加熱過(guò)程中，低溫階段升溫速率應(yīng)控制在較慢的范圍內(nèi)，建議控制在(30～70)℃/h。經(jīng)中間保溫后，整個(gè)工件內(nèi)外表面塑性都比較好，升溫速率可以快些，一般取(50～100)℃/h[1]。

加熱爐指示到溫后，即保溫時(shí)間開(kāi)始，為保證工件整體奧氏體轉(zhuǎn)變均勻，需保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)工件的形狀及尺寸，按有效厚度一般選擇1.5～2.0 min/mm(空氣爐)。由于影響加熱時(shí)間的因素很多，應(yīng)結(jié)合具體情況予以調(diào)整，以保證有足夠的加熱保溫時(shí)間。

圖3 某大型齒輪軸鍛件熱處理工藝[3]Figure 3 Heattreating process of certain large shaft gear

3.2 介質(zhì)及濃度的選擇

為保證足夠的淬硬層深度，必須選擇合適的水溶性淬火介質(zhì)及濃度。眾所周知水溶性淬火介質(zhì)的冷卻速度會(huì)隨濃度的提高而降低，建議介質(zhì)選擇的基本原則是：

(1) 工件尺寸小盡量選擇較高的介質(zhì)濃度，工件尺寸大則可適當(dāng)降低濃度；

(2) 多臺(tái)階或形狀不規(guī)則的工件盡量選擇較高的介質(zhì)濃度；

(3) 若工件材料的淬透性較差，可選擇冷速較快的介質(zhì)及較低的介質(zhì)濃度；若工件材料的淬透性較好，則應(yīng)選擇冷速較慢的介質(zhì)及較高的介質(zhì)濃度。

3.3 液溫的控制

自來(lái)水的冷卻特性具有兩大缺陷，一是低溫冷速太快，二是冷卻特性對(duì)水溫異常敏感，水溶性淬火介質(zhì)同樣遺傳了自來(lái)水的這樣一些特性。淬火液在使用過(guò)程中液溫難免會(huì)升高，溫度升高使蒸氣膜的穩(wěn)定性提高，導(dǎo)致高溫階段的冷卻速度和特性溫度明顯下降，甚至出現(xiàn)了油類淬火介質(zhì)典型的蒸氣膜階段。液溫升高同時(shí)會(huì)使工件表面包附更厚的PAG膜，提高了對(duì)流冷卻階段的開(kāi)始溫度，導(dǎo)致低溫冷速降低。圖4列舉了15%濃度的KR6480在30℃、65℃和75℃的冷卻特性曲線?？梢钥闯觯弘S溫度的提高最大冷速明顯降低，且伴有蒸汽膜階段出現(xiàn)。

圖4 15%KR6480不同溫度下的冷卻特性Figure 4 Cooling characteristics of KR6480 quenchant with different temperature

這種由液溫變化引起的冷卻特性的變化，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)往往是不利的。因?yàn)闇囟壬叩揭欢ǔ潭群?，由于高溫冷速顯著變慢，必然導(dǎo)致淬透性差的材料達(dá)不到要求的淬硬層，因此必須將淬火液溫度控制在一定的范圍內(nèi)(建議控制在10～50℃)。但是對(duì)于淬透性好的材料，反而可以適當(dāng)提高液溫，在保證足夠淬硬層的情況下，大大降低變形開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，有些技術(shù)經(jīng)驗(yàn)非常豐富的熱處理單位，甚至采用熱水來(lái)對(duì)高速鋼進(jìn)行淬火，這為我們拓展水溶性淬火介質(zhì)的使用范圍提供了很好的借鑒。

3.4 攪拌方式的選擇

對(duì)于水溶性淬火介質(zhì)，攪拌是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。通過(guò)調(diào)整攪拌方式不但可以獲得不同的淬火烈度。還可以改善淬火硬度的均勻性，同時(shí)延緩介質(zhì)的老化。

實(shí)現(xiàn)攪拌有多種方式如下：

(1) 最原始的攪拌方式就是淬火時(shí)用吊車(行車)上下左右前后晃動(dòng)，但這種攪拌人為因素太大，沒(méi)有規(guī)律性可言，淬火后產(chǎn)品質(zhì)量的可控性很差。

(2) 某些企業(yè)通過(guò)通入壓縮空氣進(jìn)行攪拌。但是壓縮空氣的通入可能會(huì)導(dǎo)致工件表面粘附有氣泡，同時(shí)對(duì)工件表面熱量的傳遞產(chǎn)生影響，同時(shí)冷卻均勻性也很難保證。此外，空氣的通入還加快了淬火介質(zhì)的老化。

(3) 也有部分企業(yè)的淬火槽是采用泵攪拌。這種攪拌在淬火區(qū)內(nèi)形成的流態(tài)場(chǎng)為層流，介質(zhì)只作軸向(單向)運(yùn)動(dòng)，雖然局部的淬火烈度可以達(dá)到很高，但是淬火件的各個(gè)側(cè)面(正面和反面)的冷卻速度差極大。另外，即使揚(yáng)程再大、流量再大的泵，也很難使整槽內(nèi)的介質(zhì)全部運(yùn)動(dòng)起來(lái)[5]。

(4) 有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，機(jī)械式(螺旋槳)攪拌效果最佳(見(jiàn)圖5)。它在淬火區(qū)內(nèi)所形成的流態(tài)場(chǎng)是由許多局部渦流(紊流)疊加而成，冷卻介質(zhì)既有軸向運(yùn)動(dòng)，也有周向運(yùn)動(dòng)，呈螺旋狀前進(jìn)，這使得淬火件不同側(cè)面的冷卻趨于均勻一致，有利于減小變形，提高硬度均勻性。不同材料、不同的工件尺寸和形狀以及不同的裝爐量，可通過(guò)采用多速攪拌電動(dòng)機(jī)或配用電動(dòng)機(jī)變頻器的方法實(shí)現(xiàn)多種攪拌速度的選擇[5]。

圖5 機(jī)械式循環(huán)攪拌示意圖Figure 5 Formation schematic of mechanical agitation

綜上所述，淬火槽應(yīng)該具備攪拌功能，建議采用機(jī)械式攪拌，不宜采用泵式攪拌，避免采用壓縮空氣攪拌。當(dāng)然，若冷卻過(guò)程中同時(shí)配合適當(dāng)?shù)纳舷赂Z動(dòng)效果會(huì)更好，但是竄動(dòng)的頻率和時(shí)間需根據(jù)具體的情況進(jìn)行選擇。

3.5 工裝夾具的選擇

大型鍛件在加熱和冷卻的過(guò)程中，為保證組織轉(zhuǎn)變的均勻性，需根據(jù)工件的實(shí)際形狀設(shè)計(jì)專用的工裝和夾具。在保證使用過(guò)程中有足夠強(qiáng)度的前提下，工裝夾具應(yīng)盡可能輕巧，以利于縮短加熱時(shí)間，降低能耗及成本。

(1) 對(duì)于非細(xì)長(zhǎng)的零件，可以采用料盤或料框的裝料方式進(jìn)行淬火，但料盤或料筐的底部及周圍必須保障淬火介質(zhì)具有足夠的流動(dòng)性。

(2) 焊接性能較好的細(xì)長(zhǎng)實(shí)心軸類或軸管，可采用焊接吊耳的方式進(jìn)行淬火。工件材料的焊接性能主要取決于材料的含碳量，含碳量越高焊接性能越差。建議含碳量大于0.40%的工件不要采用焊接吊耳的方式。

(3) 焊接性能較差的細(xì)長(zhǎng)實(shí)心軸類或軸管，可采用端面攻螺紋來(lái)裝配吊裝或穿孔式懸掛夾具等方式淬火。穿孔式懸掛夾具須謹(jǐn)慎使用，穿孔夾具的存在會(huì)阻礙甚至完全阻塞淬火介質(zhì)在孔內(nèi)的流動(dòng)性，這不僅會(huì)影響內(nèi)表面的淬火硬度，甚至?xí)a(chǎn)生淬火開(kāi)裂的危害。實(shí)際生產(chǎn)中就有因夾具設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致筒體類鍛件內(nèi)壁產(chǎn)生縱向裂紋的情況發(fā)生。

3.6 冷卻過(guò)程及出水溫度

為了減小淬火應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋，可以采用預(yù)冷淬火的措施，降低零件各部分的溫差，使一些危險(xiǎn)易裂部位的淬火應(yīng)力得到緩解。由于上部奧氏體亞穩(wěn)區(qū)冷卻緩慢，則延緩了過(guò)冷奧氏體形核過(guò)程而使淬硬層增厚，有利于大壁厚零件的生產(chǎn)。預(yù)冷時(shí)間可根據(jù)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定[8，9]。

為有效減小淬火過(guò)程中的熱應(yīng)力，可以采用“水基-空間歇”的冷卻方式。工件在空氣中冷卻時(shí)，可以使工件表面溫度慢慢回升，消除部分淬火過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力，某種意義上還可起到自行回火的作用。若冷卻的間隔時(shí)間控制得當(dāng)還可以有效降低內(nèi)外表面溫差，減小冷卻過(guò)程的熱應(yīng)力。

水溶性淬火液冷卻速度比油快很多，在蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段均有所提高，尤其是在沸騰階段冷速最快，因此能夠有效地避開(kāi)奧氏體向珠光體及貝氏體的轉(zhuǎn)變，最終得到馬氏體組織及少量的殘余奧氏體。但是水溶性淬火液的低溫冷速比油要快很多，正好處于馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，這會(huì)增加零件的變形開(kāi)裂傾向。因此對(duì)于淬透性好、尺寸大的鍛件，必須嚴(yán)格控制終冷溫度，否則極容易造成淬裂現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)于夾雜物和氣體含量都很少，化學(xué)成分均勻的較小規(guī)格鍛件，可直接冷透；對(duì)于冶金質(zhì)量較差、規(guī)格較大、形狀復(fù)雜的鍛件，建議終冷溫度可提高至材料Ms點(diǎn)左右，在終冷溫度下的保持時(shí)間，應(yīng)以使鍛件心部完成規(guī)定的組織轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)。

4 結(jié)論

介紹了大型鍛件采用水溶性淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火的工藝控制要點(diǎn)，即在保證足夠淬硬層的情況下，盡量減少?gòu)?fù)雜的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。具體措施如下。

(1) 首先必須根據(jù)工件的材料、形狀和尺寸選擇合適的淬火介質(zhì)及濃度；

(2) 制定合理的加熱工藝，以減少加熱過(guò)程的熱應(yīng)力；

(3) 嚴(yán)格控制液溫；

(4) 選擇合適的攪拌方式；

(5) 設(shè)計(jì)合理的工裝夾具；

(6) 采用預(yù)冷淬火、“水基-空間歇”等冷卻方式；

(7) 嚴(yán)格控制出水溫度。

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