45钢件热处理中新型淬火冷却介质的应用

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文章附图


作者:陈希原

单位:重庆海森机电设备开发公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志


45钢制曲轴是摩托车发动机的重要零件之一,它的作用是将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动,并在作功行程中连续承受活塞连杆组传来的力而输出扭矩。因此,曲柄在工作中既要承受很大的转矩又要承受交变的弯曲应力,这就要求零件具有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。


长期以来,生产厂生产加工摩托车曲轴的工序流程是:下料→工频炉加热→模锻→预先热处理(调质)→喷丸→粗加工→精加工→轴颈高频感应淬火→浸“脱水防锈油”防锈→精磨加工→抛光→清洗→总装。其中,赋予给零件高的疲劳强度和良好耐磨性的“轴颈高频感应淬火”工序,长期以来一直使用5.0%NaCl盐水溶液,以满足零件的感应淬火技术质量要求,但盐水介质严重锈蚀淬火件和并刺激人的皮肤,尤其是对周围邻近的数控磨床、钻床、组合机床等高精度机械加工设备产生严重锈蚀而损坏设备的问题引起了企业的高度重视,期待寻找一种新型环保淬火冷却介质以取代NaCl盐水溶液,既能满足工件感应淬火技术要求又要具有良好的防锈效果,且对人皮肤无刺激,最终取消 “浸脱水防锈油防锈”工序,以降低成本。


一、试验材料及方法

1.试验材料及感应淬火技术要求

试验材料选用国内某钢厂生产的45钢热轧棒材,化学成分见表1。图1所示摩托车曲轴高频感应淬火的技术要求为:①在轴颈长度37.5~40.0mm范围内,表面硬度55~60HRC。②表层金相组织评级合格为3~7级。③有效硬化层深度为1.20~1.80mm。④过渡层宽度为0.30~0.45mm。

表1  试验钢的化学成分(质量分数)(%)

炉号

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

13261

0.44

0.28

0.57

0.016

0.020

0.01

0.006

0.036

2.生产现场试验方案及设备

试验选择的淬火冷却介质有:自来水、5.0%NaCl盐水溶液、5.0%Na2CO3水溶液、0.30%PVA水溶液、3.0%PAG-Ⅲ淬火液和5.0%浓度的HSY环保型类盐水溶性淬火冷却介质,以优选出与5.0%NaCl盐水溶液冷却性能相近的淬火冷却介质。


试验采用的加热设备为现生产中使用的100kW全固态高频感应加热电源,感应圈的内径φ28mm×6匝、有效高度50mm,此次100个零件经预先调质热处理(轴颈处硬度24~28HRC,距离表面1~7mm内回火索氏体级别为1~4级、心部5~6级)并经粗、精机加工后采用生产中使用成熟的高频感应加热淬火工艺参数为:将零件Φ118.5mm×18.4mm盘部朝上放入感应圈中,使工件杆部端面顶尖孔插入活动顶尖,按加热功率1.40~1.45kW、加热时间2.0~2.5s旋转加热后,快速浸入几种淬火液中冷却至100~200℃出液空冷自回火,淬火液的冷却换热装置如图2所示。

3.分析与检测

依据ISO9950:1995(E)标准,采用瑞典ivf仪的Inconel600探头测试了几种淬火冷却介质的冷却特性;使用外园磨床将试件轴颈表面淬火部位磨光至Ra0.4~0.8μm,采用HR-150A洛氏硬度计测试了图1所示零件轴颈淬火长度内上端、中部、下端三处位置的硬度,每处测三点取平均值;使用金相试样切割机在零件淬火长度的中间部位垂直轴线截取长度为15mm的试样,将一端磨平并对另一端截面经过抛光和4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在光学显微镜下观察金相组织及评级,采用显微维氏硬度计测量高频感应淬火有效硬化层深度(DS)和过渡区宽度。参照《防锈试验方法》,对选择的淬火液进行防锈效果对比。


二、试验结果与讨论

1.淬火冷却介质的冷却性能

将Inconel600探头加热温至855℃,快速浸入其液温为30℃的被测介质中测得的几种淬火液的冷却性能典型值结果见表2,冷却特性曲线见图3。

表2  几种快冷型淬火液的冷却性能对比

介质种类

介质浓度(%)

Vmax/℃·s-1

Tmax/

V300/℃·s-1

备注

PVA

0.3

195

605

84.5

1.测量标准:ISO 9950

2.测量仪器:瑞典ivf仪;

3.搅拌程度:静止

PAG-

3.0

202

665

81.0

自来水

212

638

83.5

Na2CO3

5.0

238

693

83.0

NaCl

5.0

241

689

85.0

HSY

5.0

242

691

82.0

由表2可见,从表征淬火冷却介质高温冷却性能的典型值Tmax和Vmax来看,与5.0% NaCl盐水溶液冷却性能接近的是5.0%Na2CO3水溶液和5.0%HSY环保型类盐淬火冷却介质,其它的淬火液冷却较慢,而Na2CO3水溶液淬火对操作人员的皮肤刺激性强且气味呛人、环保性能极差。


由图3可知,从淬火冷却介质的淬火硬化功来看,其5.0%浓度的HSY淬火冷却介质与5.0% NaCl盐水溶液非常接近,该介质不但具有较高的Tmax和Vmax值,而且低温区的V300值却略低于5.0% NaCl盐水溶液,V300值较小则有利于防止出现淬火裂纹。


2.轴颈表面淬火硬度

在图2所示的淬火槽中配制了5.0%HSY环保型类盐淬火液约250kg,并对试件进行感应加热淬火冷却,并任意抽取5个零件将轴颈表面磨光,在洛氏硬度计上测试的硬度结果如表3所示。

表3  曲柄轴颈表面淬火硬度

试件编号

轴颈37.540mm长度内的硬度值HRC

原始组织硬度HRC

上部

中间

下部

同试件的硬度散差HRC

1

57

58

57

1.0

25

2

57

57

56

1.0

24

3

57

58

57

1.0

25

4

56

57

57

1.0

26

5

57

59

57

2.0

27

不同试件的硬度散差HRC

1.0

2.0

1.0


3.0

技术要求HRC

5560

2428

淬火硬度测试结果表明,在工件轴颈规定长度内的淬火硬度值均可满足技术要求,硬度值处于要求值的中上限,并且同一零件和不同零件的硬度散差值不大于2.0HRC,满足JB/T9201-2007《钢铁件的感应淬火回火 表10:洛氏硬度偏差范围》要求。


采用高频感应加热时,由于存在集肤效应,表面温度迅速升高达到奥氏体化温度而生成奥氏体组织,而后快速冷却则转变为马氏体组织,若淬火冷却介质高温冷却性能差可造成冷却不足,使组织中出现托氏体等非马氏体,不仅淬火硬度低且不均匀,而且还缩短了淬火长度(如采用3.0%PAG-Ⅲ淬火液淬火冷却,则零件轴颈部分淬火长度还不到28mm)。


3.金相显微组织评定

在淬火试件表层处检验金相显微组织及评定结果如表4所示。零件淬火金相显微组织评定的马氏体针大小级别为4~6级, 多数为5级细马氏体,是感应加热淬火的正常组织,满足技术要求。在原材料、工件尺寸及原始组织状态一定的情况下,若将感应加热时间、功率及淬火冷却等工艺参数略加变动,则可使显微组织发生较大的变化,若加热温度过高引起马氏体粗大,若淬火冷却介质冷却慢则造成冷却不足使组织中出现网状铁素体、托氏体等非马氏体组织。


在生产中应特别关注原始组织对感应淬火显微组织马氏体粗细的影响,对于重要零件要预先进行调质处理而得到回火索氏体组织,这样经感应加热淬火后就可得到比较细的马氏体。

表4  有效硬化层显微组织评定结果

试件编号

组织特征

评定级别/

对应的晶粒度/

晶粒平均面积/mm2

1

细马氏体

5

910

0.00013

2

细马氏体

5

10

0.0001

3

微细马氏体

6

910

0.00013

4

微细马氏体

6

910

0.00013

5

细马氏体

5

89

0.00026

技术要求

37

810


4.有效硬化层深度和过渡区宽度

采用硬度法测量而绘制出的硬度分布曲线中得出的零件有效硬化层深度(DS)和过渡区的宽度结果如表5所示,均满足技术要求。

表5  有效硬化层深度和过渡区宽度

试件编号

表面硬度HRC

马氏体级别/

Ds/mm

过渡区宽度/mm

过渡区宽度的比例(%

1

5758

5

1.45

0.37

25.5

2

5657

5

1.48

0.37

25.0

3

5758

6

1.52

0.39

25.7

4

5657

6

1.50

0.38

25.3

5

5759

5

1.49

0.40

26.8

技术要求

5560

37

1.201.80

0.300.45

2530

试件感应淬火后不同区域的硬度变化分布曲线见图4,其表层硬度最高,然后向心部递减。这是由于高频感应加热所具有的表面效应特性,使得高频加热时其温度自钢件表面向心部递减。从图4可以看到,表层淬火后得到全部的马氏体组织,次表层得到马氏体+铁素体+托氏体,紧邻次表层的区域产生二次过度回火,心部为原始组织。


5.HSY介质与NaCl盐水介质的防锈效果对比

参照评价聚合物水溶性淬火冷却介质防锈性能的方法,利用铸铁粉末表面积大和处于高湿度下易于生锈的状况,以两种淬火液在滤纸上留下不同程度的锈迹及颜色深度来评价两种淬火液的防锈效果,其三组平行试验的锈蚀结果见表6。结果表明,相同浓度下HSY溶液的防锈效果远远优于NaCl盐水溶液。

表6  HSY和NaCl两种水溶液的锈蚀结果评级

介质名称

浓度(%

观察结果

锈蚀程度

级别/

备注

HSY溶液

5.0

锈蚀面积11%25%,锈迹色浅

轻微锈蚀

12

在评级合格范围

NaCl盐水溶液

5.0

锈蚀面积>50%,锈迹色深

严重锈蚀

大于4

超出评级合格范围

采用5.0%HSY淬火液冷却的高频感应淬火试件,淬火后放置在车间内的地板上,每间隔1h观察该零件非加工面(Φ118.4mm×18.4 mm)和加工面开始出现锈蚀斑点的周期,并与原用5.0%NaCl盐水溶液淬火零件的锈蚀状况对比表明:在湿度较大的环境中,经HSY溶液淬火零件的防锈周期远远要大于NaCl盐水溶液,至少放置一周不生锈,而原用NaCl盐水溶液的淬火件放置3~4h就开始出现锈斑了。


三、HSY环保型类盐淬火冷却介质的特点、维护要点及应用

1.HSY淬火冷却介质的主要特点

HSY水溶性淬火冷却介质的主要理化性能见表7,不同浓度下该水溶液与自来水、5.0%NaCl盐水溶液的冷却特性曲线见图5。

表7  HSY淬火冷却介质的理化性能

项目名称

理化指标

检验方法

外观

白色粉末状晶体

目测

相对密度(1.0%水溶液,20℃)

1.10

GB/T1884

pH值(5.0%水溶液)

9.0

GB/T9724

水中的溶解性

互溶

——

腐蚀保护

良好

——

由图5可以看出,在粉末状的HSY淬火冷却介质中加入不同量的自来水配制成3.0%~10.0%不同浓度的淬火液,随着淬火液浓度的提高,最大冷速略呈上升的趋势,V300低温冷速基本保持不变,该淬火液的浓度变化对冷却性能影响不大,有利于生产操作。


2.HSY淬火液的使用维护要点

(1)淬火液的液温

与其他聚合物淬火冷却介质相比,在一定的温度范围内,HSY淬火冷却介质水溶液的最大优点就是使用中液温的变化对淬火液冷却性能影响较小,其液温变化对该淬火液冷却性能的影响如表8所示,表明该淬火液可在较宽的范围内使用,仍可保持良好的淬火冷却效果。生产中推荐采用冷却换热系统(如:冷却塔、板式换热器、空气冷却器等),将淬火液温度控制在10~60℃范围内使用。

表8  不同液温下淬火液的冷却性能

介质名称

液温/

Vmax/℃·s-1

Tmax/

V300/℃·s-1

备注

5.0%HSY淬火液

10

250

718

83.0

1.测量标准:ISO 9950

2.测量仪器:瑞典ivf

3.搅拌程度:静止

30

242

691

82.0

40

239

682

82.0

60

236

679

81.5

80

182

595

79.5

(2)淬火液浓度的检测

对于HSY淬火液生产现场推荐采用婆美度计测量浓度,该方法简单直接读数即可,便于生产现场操作,根据该仪器的实际测量值,其现场浓度值可按下式确定:

W =1.0×B0

式中:W为被测淬火液的浓度值,%;B0为婆美度计测量值。根据生产情况,一般每1~3天测量一次浓度,当淬火液浓度低于工艺要求时,应及时补充HSY介质。


(3)淬火液的循环搅拌

对淬火液进行循环搅拌,不仅使得零件淬火硬度和硬化层均匀,还有助于延长淬火液的使用寿命。


(4)淬火液的防锈、防腐蚀性

HSY淬火液对零件及设备具有良好的防锈作用,零件淬火后可不经清洗直接回火,但对防锈周期要求在一周以上的零件应进行特殊的防锈处理。


(5)防止污染和定期清理

除了防止油污、粉尘及其他污染物混入淬火液中以外,还应根据淬火产量每2~4个月定期对淬火液进行过滤处理,特别是应避免淬火零件表面的污物带入淬火液中。


3.批量生产应用

根据工艺试验的结果和多次工艺验证,一定浓度的HSY淬火冷却介质能够满足45钢摩托车曲轴高频感应淬火的质量要求。重新调整加工流程为“下料→工频炉加热→模锻→调质热处理→喷丸→粗加工→精加工→轴颈高频感应淬火→磨加工”,将此工艺在生产中的多台设备上进行大量应用,经过几个多月的跟踪,累计生产20个炉批次共计约10000个零件,经正常抽样检查,其零件淬火质量指标和防锈效果均达到要求。


四、结论与建议

(1)一定浓度下的HSY环保型类盐水溶性淬火冷却介质的冷却性能优于自来水而与5.0%NaCl食盐水溶液接近,特性温度高、高温区的冷却速度快,可替代NaCl食盐水溶液用于45钢摩托车曲轴的高频感应加热后的淬火冷却,其淬火硬度、有效硬化层深度、过渡层宽度、金相组织等质量指标满足产品零件技术要求,这是目前其它聚合物淬火冷却介质做不到的。


(2)HSY水溶性淬火冷却介质具有优良的防锈性能,其防锈周期为一周天左右,用于45钢摩托车曲轴感应淬火冷却可取消淬火后的“浸脱水防锈油”工序,简化了零件加工工序流程和降低了生产成本。


(3)在一定的使用浓度和液温范围内,HSY淬火液的浓度和液温变化对冷却性能不敏感,可操作性好,淬火液的使用浓度一般为5.0%~8.0%,液温控制不超过60℃,可替代NaCl食盐水溶液和Na2CO3或NaOH碱水溶液,用于淬透性差的碳素结构钢、碳素工具钢件的淬火冷却。


(4)生产中不但应对淬火零件的原材料进行分炉管理,还要特别重视感应淬火前的原始组织,对较重要零件建议采用调质预备热处理,以确保零件经感应淬火后获得优良的组织和性能。


(5)对于感应淬火后需要进行磨削加工的零件,应注意其磨加工量不能大,以免破坏零件表面的应力分布,从而降低其疲劳强度。


备案号:滇ICP备17009759号

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