模具鋼淬火介質選擇及其對節能減排的影響

廣東松山職業技術學院（廣東韶關 512060）莫楚威 羅國民 李福運

一、前言

隨著淬火熱處理生產技術的發展，人們更多地關注工件的冷卻技術（冷卻方法，冷卻介質）。選用淬火冷卻介質除了考慮工件淬火后的內在質量、畸變量、淬火開裂外，還得需要清潔的生產環境。當前冷卻介質已不再停留在傳統的水（清水、鹽水、堿水）、油等，大量水溶性淬火介質相繼被研發，以其日益突出的優越性快速擴大應用，并收到較好的效果。

淬火熱處理通常采用傳統的水或油作為淬火介質，這樣雖能滿足基本的工藝需求，但傳統淬火介質存在很大的弊端。油淬：冷卻速度低，不易淬硬，淬火時產生大量廢氣，淬火油消耗量大，淬后還需要清洗；水淬：冷卻速度太大，易開裂。水溶性淬火介質由于濃度可調（常用濃度為：5%～20%），對于不同材料的適應性很強；其冷卻速度在水和油之間，低濃度時接近水、高濃度時接近油。使用水溶性淬火介質能很好地滿足節能減排的要求，所排放的廢氣遠小于油淬產生的廢氣，而且更加經濟合理。

本文選取了4種有機聚合物水溶性淬火介質，分析對比它們的冷卻特性以及對淬火材料的適應性。它們分別是：20%JX-1118、15%AQ251、15%BW、15%F2000，前面3種屬于PAG類、后面1種屬于聚酰胺類。在淬火材料方面，選取了H13鋼（4Cr5MoSiV1）和42CrMo鋼兩種模具材料作具體分析研究，通過分析它們的CCT曲線、C曲線以及性能要求，選取合適的水溶性淬火介質替代淬火油，以達到節能減排的目的。

二、多種淬火介質分析對比

1.水、油淬火介質分析

根據水和油的冷卻速度曲線（見圖1），可以發現水的冷卻速度大，而油的冷卻速度較小，在水和油的冷卻速度曲線之間有一大的空白地帶。水適合淬透性差、淬火硬度要求高的材料；油適合淬透性好、淬火硬度要求較低的材料。淬火油在600～500℃的溫度區冷卻速度小，遠小于水的冷卻速度，所以容易使材料在淬火過程中出現軟點、淬不硬。水在350～150℃的溫度區（馬氏體轉變區）冷卻速度過高，使馬氏體相變時產生極大的內應力，引起工件變形甚至開裂。在水和油的冷卻速度曲線之間的空白地帶需要用水溶性淬火介質去填補，以適應更多材料的淬火冷卻。

2.水溶性淬火介質分析

4種水溶性淬火介質的冷卻速度分析，20%JX-1118、15%AQ251、15%BW和15%F2000的冷卻速度曲線如圖2所示。這4種淬火介質的冷卻速度曲線均在水和油的曲線之間，填補了水和油之間的空白地帶。

圖2a是20%JX-1118淬火介質的冷卻速度曲線，是較為接近理想的淬火介質，其最大冷速110℃/s出現在650℃，在高溫段（650℃以上）冷卻速度稍慢、以免工件變形過大；而在奧氏體不穩定區（650～400℃）冷卻時，具有足夠大的冷卻速度，防止奧氏體發生珠光體的轉變；在400℃以下冷卻時，冷卻速度減慢，以免馬氏體相變時產生內應力。

圖2b是15%AQ251淬火介質的冷卻速度曲線，其最大冷速130℃/s出現在700℃，適合C曲線鼻尖溫度較高（700～500℃）的材料淬火。

圖2c是15%BW淬火介質的冷卻速度曲線，其最大冷速110℃/s出現在450℃，適合C曲線鼻尖溫度較低（500～400℃）的材料淬火。

圖2d是15%F2000淬火介質的冷卻速度曲線，其最大冷速68℃/s出現在540℃，冷卻速度很接近淬火油，適合于冷卻速度要求很低的材料淬火。

上述水溶性淬火介質中，JX-1118濃度為20%，而其余3種的濃度均為15%。4種淬火介質的冷卻速度曲線各有特點，可滿足不同材料的冷卻要求。

三、H13模具鋼不同淬火介質方案

H13鋼（4Cr5MoSiV1）是常用的熱作模具鋼，具有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能，不容易產生疲勞裂紋，常用于制作壓鑄模具、擠壓模具和鍛模。H13鋼中的Cr、V元素使其淬透性提高，傳統熱處理通常采用油作為淬火介質，以降低冷卻速率、減少開裂傾向，保障淬火的工藝出品率。

圖1 水、油的冷卻速度曲線

圖2 4種淬火介質的冷卻速度曲線

H13鋼的熱處理為：淬火＋2次高溫回火，使材料獲得所需要的力學性能。現以H13鋼淬火這一工藝步驟為例，具體說明以水溶性淬火介質替代淬火油。

1.H13鋼的CCT曲線和C曲線的分析

H13鋼CCT曲線（即過冷奧氏體連續轉變曲線）如圖3所示。根據其CCT曲線可知，H13鋼以20～15℃/s的冷卻速度，從1060℃冷至20℃時均可得到馬氏體組織，可見H13鋼的淬透性很好。以普通的淬火油即可滿足冷卻速度的要求。

H13鋼的C曲線如圖4所示，可見有兩個鼻尖溫度：高溫區的鼻尖溫度大概在730℃，工件冷卻到此溫度時冷速過小，易使過冷奧氏體向珠光體轉變；低溫區的鼻尖溫度大概在300℃，冷速過低易使過冷奧氏體向貝氏體轉變。所以，H13鋼在淬火冷卻過程中，在兩個鼻尖溫度區需要足夠的冷卻速度，使過冷奧氏體向馬氏體轉變，以獲得所需的組織和力學性能。

綜合上面對H13鋼的CCT曲線和C曲線分析，20%JX-1118淬火液較為適合替代淬火油用在H13鋼的淬火冷卻。下面做具體分析。

2.JX-1118淬火介質的分析

JX-1118淬火介質原液的主要成分為聚烷撐乙二醇類（PAG類）高分子有機聚合物，其主要理化參數如下：pH值（10%溶液，25℃）9.0～11.0；凝點-9.0～-13.0℃；閃電，無；運動粘度（40℃）200～300mm2/s；密度（20℃）1.050～1.150g/cm3；逆溶點73～75℃；防銹測試，通過。

液溫的控制：PAG水溶性淬火介質具有逆溶性，即當溫度超過某一溫度（上述為73～75℃）時，PAG會從水中析出；反之，當水溫低于此溫度時，PAG又迅速地溶入水中，這個溫度稱為逆溶點。實際生產中，淬火介質的溫度常會升高，溫度升高會使蒸氣膜的穩定性提高，導致高溫階段的冷卻速度和特性溫度明顯下降，甚至出現了油類淬火介質典型的蒸氣膜階段。液溫升高同時會使工件表面包附更厚的PAG膜，提高了對流冷卻階段的開始溫度，導致低溫冷速降低。

這種由液溫變化引起的冷卻特性的變化，往往對實際生產是不利的。因為溫度升高到一定程度后，由于高溫冷速顯著變慢，必然導致淬透性差的材料達不到要求的淬硬層，因此必須將淬火介質溫度控制在一定的范圍內。淬火介質的允許使用溫度在60℃以下，為了獲得更加均勻的淬火冷卻效果，生產中宜將液溫控制在較窄的范圍，一般要求控制在20～50℃。

濃度的控制：正常生產中應將淬火介質濃度波動控制在確定值的±1%；在使用一段時間后，水和原液都會消耗，需要定期測量并添加水或原液，以控制淬火介質的使用濃度。

3.20%JX-1118用于H13鋼淬火冷卻的合理性分析

圖4 H13鋼的C曲線

4種淬火介質的冷卻速度曲線對比如圖5所示。經過對比，可明顯看出20%JX-1118的冷卻速度曲線具有兩個冷速高峰，分別是在650℃和400℃；其他3種淬火介質均只有一個冷速高峰。可見，20%JX-1118的冷卻速度能較好地滿足H13鋼的淬火冷卻要求，在兩個鼻尖溫度區具有大的冷速。

H13鋼的具體淬火工藝：淬火加熱溫度按傳統加熱溫度計算，將H13鋼淬火件在600℃及850℃預熱后，升溫至1020～1050℃，保溫時間根據工件尺寸而定，在保溫時間系數不變的情況下每8mm厚保溫10min。回火工藝：淬后要及時回火，回火溫度在550～650℃為宜。由于H13鋼淬火后有一些殘留奧氏體，一次回火后殘留奧氏體分解，這些形成的轉變物韌性差、較脆，容易造成模具開裂，所以必須回火2次。第二次回火溫度比第一次回火溫度低20℃。

將H13鋼淬火件按上述熱處理工藝，分別置于濃度為15%～24%的JX-1118水溶液中淬火，并考察其淬火效果。淬火件在濃度為15%、16%和17%的水溶液中淬火，其表面不同程度上出現了輕微裂紋；隨著水溶液濃度增加，冷速逐漸減慢，淬火件開裂傾向逐漸減小，當濃度達到20%以后，表面裂紋已得到全部消除。

由于其濃度達到20%時，淬火件表面裂紋得到全部消除，因此可將20%JX-1118的冷卻速度作為H13鋼淬火的最大冷卻速度。再來回顧一下4鐘淬火介質的冷卻速度曲線對比（見圖5），15%AQ251和15%BW的最大冷卻速度均比20%JX-1118的大，將H13鋼的工件置于它們中淬火，會有出現裂紋的危險。所以，又一次證明了選取20%JX-1118淬火介質的合理性和可行性。

H13鋼淬火后的組織為細針狀馬氏體＋未溶碳化物（少量）＋殘留奧氏體（少量），淬火后的表面硬度為53～55HRC；回火后的組織為回火索氏體，硬度能達到43～47HRC，且硬度分布均勻。

4.8%F2000用于H13鋼淬火的分析

李陳昊、占中杰的研究表明，8%F2000水溶性淬火介質也能很好地替代淬火油，用在H13鋼的淬火冷卻。8%F2000的冷卻速度曲線如圖6所示，在700℃的時候冷卻速度達到最大，約110℃/s，在400℃以下其冷卻速度很小，較接近淬火油。H13鋼淬火件經8%F2000淬火及回火工藝后，所獲得的組織為回火索氏體＋碳化物，硬度為36～38HRC，硬度分布均勻。

5.H13鋼兩種淬火介質的對比分析

對比兩種淬火介質，發現使用8%F2000淬火存在如下問題：

（1）8%F2000用于H13鋼淬火及回火后硬度不足。用20% JX-1118淬回火后硬度可達43～47HRC，用8%F2000硬度只能達到36～38HRC（普通淬火油淬回火后能獲得32～36HRC的硬度，使用F2000硬度稍有提高但不明顯），而H13模具鋼根據其工作條件，一般要求硬度為40～45HRC。

使用20%JX-1118淬火及回火后，能獲得所要求的硬度；而使用8%F2000淬火及回火后硬度偏低，不能滿足工作要求，在淬回火后還需要其他的強化手段來提高其硬度，這樣就增加了工藝步驟，最終導致成本上升。

圖5 4種淬火介質的冷卻速度曲線對比

圖6 8%F2000的冷卻速度曲線

（2）8%F2000用于H13鋼淬火易析出共析碳化物和形成貝氏體。對比兩種淬火介質的冷卻速度曲線如圖7所示，20%JX-1118冷卻速度曲線中明顯的有兩個冷速高峰，很好地滿足H13鋼的兩個鼻尖溫度。而8%F2000的冷卻速度曲線中只有一個冷速高峰，在H13鋼C曲線的第二個鼻尖溫度時（300℃左右）冷速不足，易使過冷奧氏體向貝氏體轉變。

另外，H13鋼淬火冷卻時要求從高溫快速冷卻至450℃，以避免析出先共析碳化物，影響性能。8%F2000的冷卻速度曲線顯示，在700℃時冷速達到最大，冷卻到500℃時已經降低到不到60℃/s。而20%JX-1118在500℃時正要進入第二個冷速高峰，使淬火件獲得足夠的冷卻速度，避免析出先共析碳化物。

綜上所述，20%JX-1118用于H13鋼淬火是十分合適的。部分企業改用JX-1118來淬火冷卻后，發現H13鋼的熱作模具壽命一般能提高15%～20%，獲得了較好的經濟效益。

按照規定要求每小時對發電機組檢查一次，檢察發電機溫度和發電機軸承溫度是不是正常。可以用手背去觸摸發電機組的外殼，感受發電機組的溫度是否正常，一般手感受不到燙是正常的，另外要觀察是否有過熱或局部過熱的狀況。還要觀測運行中的發電機出線接頭，呈灰黑色說明接頭已發熱，呈紅色說明接頭已嚴重發熱，如果顏色變化大，發電機必須立即進行處理。而且要檢查發電機出線討論是不是緊固靠得住，確保滿有把握。

四、42CrMo模具鋼的不同淬火介質淬火方案

42CrMo鋼強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造要求較35CrMo鋼強度更高和調質截面更大的鍛件，也常用于折彎機的模具（彎曲模）。42CrMo鋼以其耐磨性好、加工精度高等優良性能，近年來在模具的制造中得到了越來越多的應用。使用42CrMo鋼制造模具，可在縮短制模周期和降低成本方面取得良好的效果。用42CrMo鋼制造的折彎機模具，使用壽命可達10萬次，如果型腔表面進行熱處理，使用壽命可達20萬～30萬次。

使用42CrMo鋼制造折彎機模具時其熱處理為：淬火＋中溫回火。42CrMo鋼的淬透性高，易于淬透，所以許多小型模具廠一直用油對淬火件進行淬火冷卻。不過，油淬易淬不硬且不符合節能減排的要求，油淬時產生大量廢氣，嚴重污染空氣和影響工人的健康。現以42CrMo鋼淬火這一工藝步驟為例，具體說明以水溶性淬火介質替代淬火油。

1.42CrMo鋼的CCT曲線和C曲線的分析

42CrMo鋼的CCT曲線如圖8所示，根據其CCT曲線可知，當冷卻速度為0.2℃/s時，轉變產物為鐵素體、珠光體和貝氏體的混合物，隨著冷卻速度的增加，貝氏體組織增加，鐵素體和珠光體組織逐漸減少直至消失；當冷卻速度為1℃/s時，冷卻產物主要為貝氏體組織。當冷卻速度為3℃/s時，轉變產物中有馬氏體生成，并在冷卻速度為10℃/s時，產物完全轉變為馬氏體組織。

由于該合金中含有的Cr、Mo元素強烈提高了其淬透性，所以42CrMo鋼在較寬的冷速范圍里（冷卻速度＞10℃/s）即可得到馬氏體。

42CrMo鋼的C曲線如圖9所示，根據C曲線可發現其具有兩個鼻尖溫度，分別是在700℃和500℃左右，淬火過程中工件冷卻到此溫度時應有大的冷卻速度，以免過冷奧氏體轉變成珠光體或貝氏體。

圖7 兩種淬火介質的冷卻速度曲線對比

圖8 42CrMo鋼的CCT曲線

2.AQ251淬火介質分析

理化參數：AQ251聚合物水溶性淬火介質原液為淺黃色液體；密度為1.078g/cm3(15.6℃)；pH值為9.5；＜74℃時溶于水，≥74℃時在水中逆溶析出。該淬火介質由有機聚合物及防銹劑、殺菌劑等多種添加劑組成，因此具有無油煙、無腐蝕、無火災危險及抗老化的特性。

AQ251水溶性淬火介質常替代柴油、機油用在中碳鋼（45鋼）及中碳低合金鋼（40Cr、42CrMo等）的淬火冷卻，常用濃度為5%～20%，使用溫度一般＜60℃。

3.15%AQ251用于42CrMo鋼淬火冷卻的合理性分析

42CrMo鋼的淬火工藝：淬火加熱溫度按傳統加熱溫度計算，將42CrMo淬火件加熱至840～880℃，保溫時間根據工件尺寸而定，在保溫時間系數不變的情況下每10mm厚保溫10min。

經過上述的加熱和保溫，將42CrMo鋼淬火件（φ30mm×100mm）置于經預熱溫度為30℃的15%AQ251中淬火后，用線切割機沿淬火件長度一半處切開并磨掉0.5mm，沿直徑方向劃兩條互相垂直的線，然后使用洛氏硬度計每隔3mm測定一點硬度，作圖時采用4點硬度平均值。圖10是42CrMo鋼硬度分布曲線。

在15%AQ251中淬火后，淬火件的硬度能達到51～55HRC，獲得很高的硬度，而且心部硬度和表面硬度相差不大。其表面組織為馬氏體和碳化物，心部組織為馬氏體和殘留奧氏體，硬度和組織都很好地滿足使用要求。

再來看一下15%AQ251的冷卻速度曲線，其在340℃以下冷卻速度較低，能防止馬氏體轉變時產生較大內應力。綜上所述，使用15%AQ251替代淬火油用在42CrMo鋼的淬火冷卻是比較合適的。

4.15%BW用于42CrMo鋼淬火的分析

張彥敏、張曉軍的研究結果表明：15%BW淬火液能替代淬火油用在42CrMo鋼的淬火冷卻。15%BW的冷卻速度曲線如圖11所示，最大冷卻速度在450℃左右，低溫區冷卻速度大、較接近水。H13鋼使用15%BW淬火冷卻，獲得表面組織為低碳馬氏體和碳化物，心部組織為低碳馬氏體和殘留奧氏體，獲得的硬度為48～54HRC。

圖9 42CrMo鋼的C曲線

圖10 42CrMo鋼硬度分布曲線

圖11 兩種淬火介質的冷卻速度曲線對比

5.42CrMo鋼兩種淬火介質的對比分析

對比上述兩種用在42CrMo鋼淬火的淬火介質，15%AQ251和15%BW的冷卻速度曲線如圖11所示：15%BW淬火介質在700℃左右時，其冷卻速度甚小，42CrMo鋼的過冷奧氏體易轉變成其他組織；而在低溫區（＜340℃）冷卻速度很大，易使淬火件在馬氏體轉變時產生較大的內應力，從而影響其硬度和使用性能。15%AQ251淬火介質的最大冷卻速度出現在660℃，在700～500℃的溫度區其冷卻速度大，很好地滿足42CrMo鋼的兩個鼻尖溫度，在低溫區（＜340℃）其冷卻速度較小。

從成本上考慮，兩種淬火介質所用濃度均是15%，沒有多大的差距；從獲得的性能上考慮，圖12是兩種淬火介質所獲得硬度的對比：用15%BW淬火后硬度為48～54HRC，且淬火件存在內應力，而用15%AQ251淬火后獲得的硬度為51～55HRC，淬火件內應力小，強硬度更高，表面更耐磨。綜上所述，15%AQ251的水溶性淬火介質能更好地滿足42CrMo鋼的淬火冷卻要求，并使工件得到更好的使用性能和更佳的使用壽命。

不過，使用上述兩種淬火介質均存在這樣的問題，淬火介質的濃度和溫度需要嚴格控制。正常生產中應將淬火介質濃度波動控制在確定值的±1%；使用溫度一般要求嚴格控制在20～50℃。

五、優選淬火介質對節能減排的影響

上述的兩個方案中所用的水溶液分別為20%JX-1118和15%AQ251，兩種水溶液的使用濃度并不相同，這是因為兩種模具鋼的淬火冷卻要求以及兩種水溶液的冷卻特性不同。使用這兩種水溶液替代傳統淬火油，均能有效地解決水淬易裂、油淬不硬的問題，提高了淬火質量和工藝出品率。

圖12 兩種淬火介質所獲得硬度的對比

JX-1118和AQ251這兩種介質都屬于PAG類有機物水溶性淬火介質。表1是PAG類淬火介質與淬火油工作時所產生廢氣的對比。

根據上表的數據可以發現：PAG類淬火介質淬火時排出氣體中含有乙烯、丙烯和丙烷，有害物質總量約占排出氣體總量的1.49%；而淬火油淬火時排出氣體中含有CO、CO2、SO2、乙烯、丙烯、1-丁烯和甲烷，有害物質總量約占5.22%，是PAG類的3.5倍。顯然，PAG類淬火介質更能滿足減排的要求。

另外，淬火油的廢氣中含有苯并芘20mg/L，而在PAG類淬火介質中未檢出。苯并芘是一種常見的高活性間接致癌物，釋放到大氣中以后，總是和大氣中各種類型微粒所形成的氣溶膠結合在一起，吸入肺部會導致肺癌和心血管疾病。可見，PAG類淬火介質環保性能優良。

六、經濟合理性分析

表2是淬火油與PAG類淬火介質每處理1t工件的消耗情況及成本的對比。按現在的市場價來計算，處理每噸工件采用PAG類淬火介質的成本為：2.5×20元/kg=50元，淬火油的成本為：7.5×13.87元/kg=104.03元，PAG類淬火介質成本只占淬火油的48.06%，每噸即可節省54.03元。如果用50t淬火槽，用淬火油需69.35萬元（50×1.387），用PAG類淬火介質（20%濃度）只需20萬元（50×20%×2），即可節省49.35萬元，對企業而言可大大降低一次性投入。

某企業淬火熱處理的年利潤20萬元，淬火冷卻介質的投入按水溶液淬、油淬分別為20萬元、69.35萬元；通過計算可得，水溶液淬、油淬的投資回報率分別為1、0.29，投資回收期分別為1年、3.47年。分析數據表明，使用水溶性淬火介質替代淬火油滿足經濟合理性，而且能夠降低企業成本、提高經濟效益。

七、結語

H13鋼方案以20%JX-1118的水溶性淬火介質替代淬火油，淬火后的組織為細針狀馬氏體與少量的未溶碳化物和殘留奧氏體，硬度為53～55HRC且硬度分布均勻，也減少了工件的變形和開裂。

42CrMo鋼方案以15%AQ251的水溶性淬火介質替代淬火油，淬火后的表面組織為馬氏體和碳化物、心部組織為馬氏體和殘留奧氏體，硬度能達到51～55HRC，硬度和組織都很好地滿足使用要求。

在模具鋼的淬火冷卻中，以水溶性淬火介質替代淬火油能使淬火件獲得較好的組織和力學性能，有效解決了水淬易裂、油淬不硬的難題，而且滿足節能減排的要求。

表1 PAG類與淬火油排放廢氣的對比 （%）

表2 淬火油與PAG類淬火介質消耗情況及成本的對比