丁雪飛，倪海峰

（金輪針布（江蘇）有限公司，江蘇 南通 226009）

冷卻是熱處理生產(chǎn)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，冷卻介質(zhì)是關(guān)鍵因素［1］。為了適應(yīng)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的需要，應(yīng)用聚合物淬火液代替油類淬火液或以植物油替代礦物油的淬火液等，是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。我公司于2013年大膽嘗試應(yīng)用PAG水溶性淬火液，結(jié)果不僅保證了合金鋼工件的熱處理質(zhì)量，還滿足了現(xiàn)代化企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全的基本要求，也標(biāo)志著我公司熱處理生產(chǎn)的新起點(diǎn)。

1 淬火介質(zhì)

熱處理常用的淬火介質(zhì)有水、油、鹽等，其應(yīng)用效果各有優(yōu)缺點(diǎn)。合金鋼工件一般選擇用油淬火，對(duì)減小工件變形和開裂很有利；但其淬透性較差或尺寸較大的工件淬不硬，且油易老化，對(duì)環(huán)境污染也大，并存在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。為提高工件質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、避免火災(zāi)并節(jié)能，有機(jī)聚合物淬火液有逐步取代淬火油的趨勢(shì)，是淬火介質(zhì)的主要發(fā)展方向，尤其是對(duì)于水淬開裂、變形大或油淬不硬的工件，采用有機(jī)聚合物淬火液更是較佳的選擇。目前，世界上應(yīng)用最多的有機(jī)聚合物淬火液是PAG類水溶性淬火液。PAG淬火液是新型具有逆溶性淬火介質(zhì)，冷卻速度介于鹽水和冷油之間，冷卻能力可調(diào)，使用中介質(zhì)濃度可簡(jiǎn)便測(cè)定，適用的淬火鋼種范圍廣，使用壽命長(zhǎng)，正常消耗是傳統(tǒng)淬火油的40%；且無毒、無煙、無臭、無腐蝕、不燃燒、抗老化、使用安全可靠、工件淬硬均勻、可明顯減少淬火變形和開裂傾向［2］。

PAG淬火液以PAG聚合物為主，由提供輔助性能的添加劑制成。在工件淬火過程中，工件周圍的液溫一旦升至溶液濁點(diǎn)以上，PAG聚合物即從溶液中脫溶，并以細(xì)小液珠形式懸浮在淬火液中；懸浮的PAG有機(jī)液珠接觸到高溫工件后，其具有非常好的潤(rùn)濕性易粘附到工件表面上，形成包膜將工件包裹起來。PAG淬火介質(zhì)就是靠這種包膜調(diào)節(jié)水的冷卻速度，避免工件發(fā)生淬火開裂；當(dāng)工件冷卻下來后，粘附在工件上的聚合物又會(huì)回溶到淬火液中。

2 試驗(yàn)方法

用AT5010×05032VP型齒條在7m／min的速度下運(yùn)行，采用原工藝火焰噴嘴尺寸為80mm×0.24mm、高頻電流為300A～360A，PAG濃度為0%～8%進(jìn)行試驗(yàn)。由于應(yīng)用水溶性淬火液淬火冷卻速度相對(duì)較快，造成齒條的內(nèi)應(yīng)力較大，在卷繞前增加回火工序（高頻回火）可消除一定的內(nèi)應(yīng)力，以有效防止齒條開裂；高頻線圈規(guī)格為170mm×φ43mm×φ55mm×7圈；當(dāng)PAG濃度大于5%時(shí)，對(duì)齒條進(jìn)行“淬火＋回火”試驗(yàn)。

檢測(cè)設(shè)備：M－2型預(yù)磨機(jī)，磨盤直徑為230mm，轉(zhuǎn)速為450r／min；P－2T型拋光機(jī)，拋盤直徑為230mm，轉(zhuǎn)速為450r／min；XQ－2B型鑲樣機(jī)，DTTA 型臺(tái)式投影儀；VK－9700型基恩士彩色3D激光金相顯微鏡；HXS－1000AY型顯微維氏硬度計(jì)。

3 試驗(yàn)與討論

3.1 淬火工藝

齒條淬火經(jīng)PAG水溶液冷卻后，由于水分殘留其表面而容易銹蝕，所以在冷卻后增加回火與浸油工序，可以防止銹蝕。四工位具體工藝為：高頻退火→淬火→PAG水溶液冷卻→回火→浸油。

3.2 淬火溶液濃度試驗(yàn)

試驗(yàn)在淬火介質(zhì)PAG濃度從0%～8%的條件下進(jìn)行，同時(shí)檢測(cè)的硬度值見表1。

表1 齒條上規(guī)定測(cè)點(diǎn)a硬度檢驗(yàn)結(jié)果單位：HV0.2

由表1可以看出，不同濃度PAG溶液淬火，硬度均能滿足要求，淬火晶粒度基本呈均勻分布，用尖嘴鉗夾折齒尖發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度降低，齒條脆性逐漸增大；而當(dāng)濃度達(dá)到5%以上時(shí)，第2點(diǎn)的硬度逐漸增大、脆性有所減弱；表明淬火介質(zhì)PAG水溶液的濃度應(yīng)不小于5%。

為進(jìn)一步比較硬度與金相組織的關(guān)系，分別對(duì)用PAG淬火液濃度為5%、6%、7%和8%淬火的齒條樣品進(jìn)行金相組織晶粒度檢驗(yàn)，如圖1所示。

由圖1可以看出，淬火介質(zhì)PAG濃度為5%～8%時(shí)，齒條金相組織晶粒度較小且無粗大顆粒出現(xiàn)，晶粒度大小分布均勻，與對(duì)應(yīng)硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)一致［3］。

3.3 回火電流試驗(yàn)

由于水溶液淬火冷卻速度相對(duì)較快，使齒條的內(nèi)應(yīng)力較大，卷繞前增加回火工序（高頻回火）以消除一定的內(nèi)應(yīng)力、防止齒條開裂。采用的高頻回火線圈規(guī)格為170mm×φ43mm×φ55mm×7圈，當(dāng)PAG溶液濃度大于5%時(shí)，對(duì)齒條進(jìn)行“淬火＋回火”試驗(yàn)，其硬度和晶粒度數(shù)據(jù)見表2。

圖1 不同濃度PAG溶液淬火條件下的齒條金相組織晶粒度（2.5～3.5級(jí)）

表2 齒條淬火后不同高頻回火電流時(shí)硬度及晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)回火電流大于100A時(shí)，操作工夾折齒條齒部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其脆性減弱，由表2數(shù)據(jù)可看出，電流為110A～150A時(shí)，既未明顯降低齒條第1點(diǎn)的硬度，又能降低齒條的脆性；隨著回火電流的逐漸增大，規(guī)定點(diǎn)的硬度逐漸減小。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，齒條中的鐵、碳和其它合金元素的原子較快地?cái)U(kuò)散并重新排列組合，從而使不穩(wěn)定的平衡組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的平衡組織。內(nèi)應(yīng)力的消除還與溫度升高時(shí)金屬強(qiáng)度降低有關(guān)，一般回火將使硬度和強(qiáng)度下降、塑性提高；所以回火溫度越高，這些力學(xué)性能的變化越大。

在其他工藝相同條件下，對(duì)相同齒條在4種不同濃度的PAG溶液中，進(jìn)行淬火和回火的晶粒度比較，如圖2所示?？梢钥闯觯X條經(jīng)過淬火回火處理后的金相組織晶粒均勻度優(yōu)于不回火時(shí)，同一規(guī)定點(diǎn)位的硬度在保證耐磨性的基礎(chǔ)上，晶粒大小分布更均勻，回火工藝使其基體呈穩(wěn)態(tài)組織，齒條各項(xiàng)性能得到了優(yōu)化。

圖2 不同濃度PAG溶液淬火回火條件下的齒條金相組織晶粒度（2.5～3.5級(jí)）

3.4 淬火溶液的冷卻

對(duì)數(shù)千米長(zhǎng)的齒條連續(xù)淬火，會(huì)使水溶液急劇升溫，為了保證良好的冷卻效果，必須將冷卻水溫維持在30℃～65℃。為此，應(yīng)加大淬火溶液池及水箱的體積，以加大水溶液的供應(yīng)量，加快水溶液的流動(dòng)量來降低水溶液的溫度。我公司在沖淬卷線旁增加長(zhǎng)、寬、高為1.0m×1.0m×1.0m的供水箱，使淬火水槽的體積擴(kuò)大約1倍，加快水溶液的循環(huán)，在連續(xù)生產(chǎn)3d后，水溶液的溫度約保持為40℃，滿足了PAG水溶液的使用溫度要求［4］。

3.5 批量生產(chǎn)，濃度控制

2014年8～9月，在159號(hào)沖淬卷線上批量生產(chǎn)NR4225×04213VP型齒條成品18卷，硬度均符合要求。維持水箱中淬火溶液的高度在0.9m刻度線上下，其體積約為1 000L，每天用濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量溶液濃度，維持PAG的濃度為5%～8%，具體濃度觀測(cè)結(jié)果見表3。

表3 PAG的濃度觀測(cè)結(jié)果

3.6 定型工藝

經(jīng)過多次試驗(yàn)和批量生產(chǎn)、檢測(cè)，制成齒條滿足質(zhì)量要求，總結(jié)確定的生產(chǎn)工藝如表4所示。

表4 生產(chǎn)工藝

3.7 經(jīng)濟(jì)效益分析

應(yīng)用好富頓淬火油與PAG水溶性淬火液的成本對(duì)比：每臺(tái)車每月消耗的好富頓淬火油資金為300元，而PAG水溶液為95元，可見用水溶液的費(fèi)用約為淬火油的1／3，則10臺(tái)車每年可為企業(yè)節(jié)約2.46萬元。

3.8 環(huán)境改善

采用PAG水溶液淬火過程中產(chǎn)生的油煙少，車間環(huán)境得到很大改善；而在以往采用油淬火時(shí)，熱處理廠房?jī)?nèi)到處濃煙彌漫，尤其是油淬后工件上殘留的油漬在高溫下散發(fā)的黑煙不僅污染了環(huán)境、熏黑了廠房設(shè)備，更對(duì)操作工的身體造成一定的傷害。PAG水溶性淬火液的使用，為我們創(chuàng)造了一個(gè)清潔、文明、健康的工作環(huán)境。

4 結(jié)論

4.1 PAG水溶性淬火液可以替代油淬火，生產(chǎn)總高4.0mm以上的自鎖基部齒條，當(dāng)PAG淬火液濃度為5%～8%、溫度為30℃～60℃、回火電流為110A～150A時(shí)，硬度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒條要求，且淬火金相組織的晶粒度分布較均勻。

4.2 平均每月每臺(tái)車消耗的PAG淬火液成本約為淬火油的1／3，直接給工廠帶來了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4.3 應(yīng)用PAG聚合物水溶性淬火液，實(shí)現(xiàn)了“以水代油、安全生產(chǎn)、無煙氣排放”的效果，在提高了產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，使車間環(huán)境得到明顯改善，根除了火患，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，具有廣闊的推廣前景。

［1］樊東黎.美國熱處理技術(shù)發(fā)展線路圖概述［J］.金屬熱處理，2006，22（1）：1－3.

［2］王慶紅.PAG水溶性淬火液在生產(chǎn)中應(yīng)用［J］.安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16（5）：88－90.

［3］JB／T 9211—2008 中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級(jí)［S］.

［4］陳希原.PAG淬火液的使用要點(diǎn)及維護(hù)管理［J］.熱處理，2007，22（4）：60－64.