PAG淬火介質在合金結構鋼前軸余熱淬火中的應用

湖北神力鍛造有限責任公司產品開發部（丹江口 442700）劉中陽 朱 誠

在淬火熱處理工藝中采用的冷卻介質稱為淬火介質。淬火介質可以是固體(借熱傳導)、液體或氣體，它對保證淬火工藝實施有重要作用。普通淬火過程一般使用的淬火介質是水和油，但這兩種介質均存在各自的缺點，不能滿足合金結構鋼前軸熱處理的生產要求。本文相繼介紹了合金結構鋼前軸鍛件對淬火介質本身的要求，傳統淬火介質的局限性，新型PAG淬火介質的優良性能，最后結合生產實際，列出了PAG淬火介質在我公司的使用情況和經驗。

一、介質介紹

1.水和油普通淬火介質性能

對于鍛件的淬火熱處理過程，最重要的是對淬火溫度和淬火介質的控制，淬火介質必須要有足夠的淬火能力或冷卻能力，其冷卻速度越快，越有可能獲得較大的淬硬深度，但過高的冷速又將增加工件截面溫差，使熱應力與組織應力增大，易引起變形開裂。因此，冷卻能力又不宜過于劇烈，其冷卻能力必須保證工件以大于臨界淬火冷卻速度冷卻，從而獲得較好的力學性能。理想的淬火介質冷卻特性曲線見圖1，在過冷奧氏體分解最快的溫度范圍具有較強的冷卻能力，而在Ms點附近冷卻較緩慢。這樣，既可保持較高的冷速，又不致形成過高的淬火應力。

圖1 理想淬火冷卻介質的冷卻曲線

圖2 純水的冷卻特性曲線

水是一種汽化熱高，傳熱系數高，化學穩定性好，以及便宜和使用方便的淬火介質，是大部分廠家進行普通碳鋼淬火熱處理時的選擇。但是水的冷卻速度會隨水溫的變化而產生較大的差異。650～550℃區間的冷卻速度小于300～200℃的區間，純水的冷卻特性曲線見圖2，當水溫升高，冷卻能力急劇下降。水在高、中溫區的冷卻能力并不強，但是在300℃附近，其冷卻能力又很大，而該溫度正是大多數鋼的馬氏體相變范圍，因此，純水的冷卻特性與要求的理想淬火介質的特性相反。在過冷奧氏體不穩定區冷卻能力不強，而在低溫區又冷速很高，即使工件能淬硬，其熱應力與組織應力也很高，易造成工件變形和開裂。故一般只使用水作為碳素鋼鍛件的熱處理用淬火介質，不用于合金結構鋼鍛件。

淬火礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎油，它具有閃點高，粘度低，油煙少，抗氧化性與熱穩定性較好，以及使用壽命長等優點，也是大多數工業淬火用油的選擇。但淬火油的中溫度區間的冷卻能力太小，僅為水的1/5～1/6，作為淬火介質其冷卻速度較緩慢，特別在“鼻尖”（見圖2）溫度區域冷速較低，對截面較大的碳鋼及低合金鋼不易淬硬，而且淬油后工件表面易沾污，不夠光潔，油經過長期使用后會老化，需要定期更換，成本高；在淬火時產生的油煙污染空氣，不利于環保和操作工人的健康；而且，易著火是油在淬火時最大的安全隱患。所以，淬火油只適用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀簡單、要求淬火變形小的工件。

2.PAG淬火介質

PAG淬火介質是由環氧乙烷與環氧丙烷的無規共聚物制得，是一種水溶性淬火介質，常用的品種中主要成分的分子量約為13000。當溫度升高時，其溶解度反而會下降，乃至從水中析出（即逆溶性）。PAG淬火介質在常溫下為均勻透明溶液，溫度上升到濁點時，溶液就從透明變為混濁。當溫度繼續上升到逆熔點時，其線型大分子就會從水中析出，并與水完全分離。當溶液中PAG濃度小于5%時，淬火時在高溫區析出的聚合物能在工件表面起浸潤作用，促使蒸汽膜較快破壞，因此PAG的冷卻能力接近于NaCl或堿的水溶液。當PAG濃度增大時，在淬火過程中能在工件表面形成沉積膜，起著隔熱層的作用，使冷卻速度下降。沉積膜的厚度取決于PAG的濃度。因此，PAG溶液的冷卻速度是可以調節的，且沉積膜的存在使散熱較均勻，從而可消除軟點，并減小工件的內應力，防止工件變形。當淬火溫度下降到逆熔點以下時，已析出的PAG聚合物又會重新溶于水，其熱穩定性良好，無毒，公害小，淬火后工件易清洗，可長期使用。

在20世紀80年代中期，PAG水溶性淬火介質已開始進入我國熱處理行業，但由于難以控制其濃度變化導致的工件淬裂，最終不得不停用，究其原因，是不了解PAG淬火介質在使用中的變化規律，因而沒能采取相應的應對措施。

二、鋼鍛件PAG淬火濃度試驗

我公司生產的汽車前軸是汽車上的關鍵安保件，其形狀復雜，承受多向負荷，特別是沖擊負荷，其強度、剛度及疲勞壽命等指標的好壞直接影響著汽車的安全性，而這些力學性能指標很大程度上取決于前軸毛坯的熱處理工藝。

1.工藝試驗

采用我公司生產的42CrMo合金結構鋼大型前軸鍛件作為樣件，其技術要求：淬火硬度2.5～3.0dB，抗拉強度900～1100MPa，屈服強度≥650MPa，伸長率≥12%，斷面收縮率≥55%，無變形、開裂、氧化和脫碳等熱處理缺陷。使用不同濃度的PAG介質分別進行淬火熱處理試驗，檢測設備為一臺冷速測定儀或折光儀。

試驗和制造過程：坯料加熱→鍛造→余熱控溫→淬火→回火。工藝參數見表1。

因42CrMo屬于中等程度淬透性的鋼，淬透性較好，很容易出現開裂，故試驗的PAG介質濃度選擇較高，主要是為控制淬火件的冷卻速度。

2.試驗結果分析

經過多次試驗發現，PAG淬火介質最關鍵的參數是淬火鍛件在300℃時的冷速，一般V300控制在50～60℃/s為宜。每批次生產前都做一次冷速測定。折光儀在PAG使用初期測得還比較準確，但隨著PAG的使用時間越來越長，介質中的高分子斷鏈、F離子和雜質濃度的提高，折光儀所測值越來越不準確，因此以冷速測定儀的數據最為真實。如表2所示，當PAG的濃度控制在8%～11%時，鍛件的淬火硬度已經滿足了技術要求。

表1 工藝參數

分別選取了三個樣件取樣，進行力學性能分析，結果如表3所示。

由上述三組數據對比可以看出，第一次和第二次的抗拉強度未達到要求，在通過對調質工藝及淬火介質濃度進行調整后，第三次取樣的抗拉強度達到要求。

在三次調試過程中，還逐步解決了鍛件出水后煙霧過大，鍛件表面附著PAG介質過多造成浪費，鍛件大小和淬火時間之間的關系，并且制定了適合本公司使用的PAG淬火介質的管理辦法。

PAG的日常養護應注意以下幾點：遠離油、油漆，淬火槽和儲液槽內不能刷漆，因PAG會和油、漆發生反應；長時間不使用的情況下，每隔3～4天攪拌一次，攪拌時間2～3h，防止腐敗發臭，淬火槽表面蓋上石棉瓦等防塵裝置；長時間使用后，PAG淬火介質的顏色一般會按照半透明→發紅→紅褐色→發黃→土黃色的順序變化。期間如有異常，應檢查有否是油進入或其他情況發生。

3.幾種淬火介質的使用對比

在進行多次PAG調試后，我公司正式采用PAG淬火介質作為大型合金結構鋼鍛件熱處理淬火介質，使用兩年多以來，鍛件調質質量和PAG淬火介質質量均未出現過問題，一直很穩定。現將幾種介質的使用優劣做一個對比，如表4所示。

三、結語

新型PAG水溶性淬火介質的使用，滿足了生產需要，提高了產品質量，降低了成本，節約了能源，建議大量推廣使用。

（1）通過試驗分析與生產實際應用,PAG型水溶性淬火介質完全可以代替油,且其淬火冷卻速度可通過濃度來調整。

（2）PAG型水溶性淬火介質的冷卻速度隨其濃度的增加而減小，但要控制在一定范圍內。

（3）濃度測試操作簡單，容易掌握。

（4）節能、降耗、高效、環保。

表2 濃度和冷速

表3 力學性能

表4