PAG淬火冷卻介質對40CrNiMoA鋼組織與性能的影響

那艷會

通用技術集團大連機床有限責任公司 遼寧大連 116000

1 序言

40C r N i M o A鋼屬于鉻鎳鉬系調質鋼，C r、Ni、Mo的加入可顯著地提高淬透性和抗回火軟化能力，使其具有優良的綜合性能，主要應用于高負荷、大截面軸類以及承受沖擊載荷的構件，如大型發電機轉子、汽輪機、噴氣渦輪機軸，以及噴氣式客機的起落架和火箭發動機外殼等[1]。某廠對于40CrNiMoA鋼大截面工件采用油淬，但由于油的淬火冷卻能力有限，因此有時會出現油冷“淬不上火”、調質處理力學性能不合格的情況。針對這種情況，一般采用水淬油冷的方式，對于工件水冷時間，由于操作人員的水平、水溫的高低、工件的大小及表面狀態等原因，因此很難保持淬火質量。根據相關文獻，現在很多廠家都是采用淬火液作為冷卻介質，穩定性很高。

本文重點研究PAG淬火冷卻介質對40CrNiMoA鋼組織和力學性能的影響，以提高大截面40CrNiMoA鋼零部件調質處理一次合格率的問題，克服傳統淬火冷卻介質的不足，有效提高工件淬火質量及性能穩定性。

2 試驗材料及試驗方法

試驗材料為4 0 C r N i M o A 鋼，試棒尺寸為φ120mm×100mm，其化學成分見表1。該材料經電爐冶煉、鍛造成形，并經超聲波檢測合格。依據GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，在RSA250拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗；采用夏比U型標準試樣（GB/T 229—2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》），在JWB-300型沖擊試驗機上進行（結果取3個試驗的平均值）；使用Axiovert200MAT型光學顯微鏡觀察金相組織。熱處理工藝試驗參數見表2。

表1 40CrNiMoA鋼試驗材料的化學成分（質量分數） （%）

3 試驗結果及分析

3.1 不同淬火冷卻介質對40CrNiMoA鋼力學性能的影響

本試驗采用了3種工藝方法進行比較（見表2）。由表2可見，a試樣采用常規油冷調質工藝；b試樣采用雙液冷卻（水淬＋油冷）調質工藝；c試樣采用采用5%PAG淬火冷卻介質調質工藝方法。其中，c試樣采用的PAG淬火液，仍是屬于水類性質，選擇的淬火溫度比正常的溫度要低10～20℃，因此選擇淬火溫度為840℃，回火溫度為640℃，主要目的是看水基淬火液的淬透能力。不同熱處理工藝下40CrNiMoA鋼力學性能測試結果見表3。三種工藝參數的屈服強度、抗拉強度、硬度等都是上升的，其中以采用5%PAG淬火液工藝參數處理獲得的性能最優。從表2、表3還可看出，5%PAG淬火液處理淬火溫度最低，回火溫度最高，由此可見，40CrNiMoA鋼調質處理采用PAG淬火冷卻介質有助于提高材料的強韌性指標。

表2 熱處理工藝參數

表3 40CrNiMoA鋼力學性能測試結果

3.2 不同淬火冷卻介質對淬硬層硬度分布的影響

40CrNiMoA鋼經不同淬火冷卻介質淬火后，淬硬層硬度分布曲線如圖1所示。從圖1可看出，在距離表面40mm區域內，三種淬火冷卻介質所得到的硬度變化趨勢都比較平緩；在距離表面40～80mm區域內，采取油冷和雙液淬火（水轉油）所得到的硬度變化趨勢下降明顯，而采用PAG淬火介質所得到的硬度變化趨勢依舊平緩；在距離表面80～120mm區域內，三條硬度分布曲線趨勢相近。淬火分為三個階段，即蒸汽膜階段、沸騰階段、對流階段。PAG無機淬火冷卻介質能很好地濕潤熾熱金屬表面，使核沸騰快速均勻和劇烈，膜層的存在使沸騰減弱，因此會出現與一般淬火油不同的冷卻機制，淬火冷卻介質的冷卻速度越大，表面越容易淬硬[2]。因此，使用PAG淬火冷卻介質時，工件表面硬度分布平緩，馬氏體組織分布均勻，有利于延長工件使用壽命。

圖1 經不同淬火冷卻介質淬火后淬硬層硬度分布

3.3 淬火冷卻介質對40CrNiMoA鋼金相組織的影響

40CrNiMoA鋼調質處理經三種不同淬火介質冷卻的顯微組織如圖2所示。從圖2可看出，采用三種淬火冷卻介質調質處理后得到的金相組織主要為索氏體。但使用5%PAG淬火冷卻介質冷卻時，顯微組織更加細小且彌散分布，馬氏體形態細小。馬氏體相變速率僅取決于由冷卻速度決定的馬氏體形核率，而與馬氏體晶體的長大速度無關[3]。在不同的冷卻速度下，隨冷卻速度的增加，馬氏體板條越來越細小。使用PAG淬火冷卻介質冷卻，工件的冷卻速度要高于在油冷和雙液淬火冷卻介質中的冷卻，因此在PAG淬火冷卻介質中淬火后得到的馬氏體尺寸會更加細小。

圖2 40CrNiMoA鋼調質處理經三種不同淬火冷卻介質冷卻的顯微組織

4 結束語

1）對于大截面工件，40C r N i M o A鋼采用5%PAG淬火冷卻介質調質的熱處理工藝所得的綜合力學性能優于采用普通油冷調質處理所得的力學性能。

2）40CrNiMoA鋼采用5%PAG淬火冷卻介質調質處理時，考慮減少淬火應力和變形傾向的因素，淬火溫度可以選用比正常溫度降低10～20℃，仍能獲得較高的淬后硬度和力學性能。

3）5%PAG淬火冷卻介質完全適用40CrNiMoA高淬透性中碳合金鋼。