PAG淬火介质在合金结构钢前轴余热淬火中的应用

湖北神力锻造有限责任公司产品开发部（丹江口 442700）刘中阳 朱 诚

在淬火热处理工艺中采用的冷却介质称为淬火介质。淬火介质可以是固体(借热传导)、液体或气体，它对保证淬火工艺实施有重要作用。普通淬火过程一般使用的淬火介质是水和油，但这两种介质均存在各自的缺点，不能满足合金结构钢前轴热处理的生产要求。本文相继介绍了合金结构钢前轴锻件对淬火介质本身的要求，传统淬火介质的局限性，新型PAG淬火介质的优良性能，最后结合生产实际，列出了PAG淬火介质在我公司的使用情况和经验。

一、介质介绍

1.水和油普通淬火介质性能

对于锻件的淬火热处理过程，最重要的是对淬火温度和淬火介质的控制，淬火介质必须要有足够的淬火能力或冷却能力，其冷却速度越快，越有可能获得较大的淬硬深度，但过高的冷速又将增加工件截面温差，使热应力与组织应力增大，易引起变形开裂。因此，冷却能力又不宜过于剧烈，其冷却能力必须保证工件以大于临界淬火冷却速度冷却，从而获得较好的力学性能。理想的淬火介质冷却特性曲线见图1，在过冷奥氏体分解最快的温度范围具有较强的冷却能力，而在Ms点附近冷却较缓慢。这样，既可保持较高的冷速，又不致形成过高的淬火应力。

图1 理想淬火冷却介质的冷却曲线

图2 纯水的冷却特性曲线

水是一种汽化热高，传热系数高，化学稳定性好，以及便宜和使用方便的淬火介质，是大部分厂家进行普通碳钢淬火热处理时的选择。但是水的冷却速度会随水温的变化而产生较大的差异。650～550℃区间的冷却速度小于300～200℃的区间，纯水的冷却特性曲线见图2，当水温升高，冷却能力急剧下降。水在高、中温区的冷却能力并不强，但是在300℃附近，其冷却能力又很大，而该温度正是大多数钢的马氏体相变范围，因此，纯水的冷却特性与要求的理想淬火介质的特性相反。在过冷奥氏体不稳定区冷却能力不强，而在低温区又冷速很高，即使工件能淬硬，其热应力与组织应力也很高，易造成工件变形和开裂。故一般只使用水作为碳素钢锻件的热处理用淬火介质，不用于合金结构钢锻件。

淬火矿物油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油，它具有闪点高，粘度低，油烟少，抗氧化性与热稳定性较好，以及使用寿命长等优点，也是大多数工业淬火用油的选择。但淬火油的中温度区间的冷却能力太小，仅为水的1/5～1/6，作为淬火介质其冷却速度较缓慢，特别在“鼻尖”（见图2）温度区域冷速较低，对截面较大的碳钢及低合金钢不易淬硬，而且淬油后工件表面易沾污，不够光洁，油经过长期使用后会老化，需要定期更换，成本高；在淬火时产生的油烟污染空气，不利于环保和操作工人的健康；而且，易着火是油在淬火时最大的安全隐患。所以，淬火油只适用于淬透性好、工件壁厚不大、形状简单、要求淬火变形小的工件。

2.PAG淬火介质

PAG淬火介质是由环氧乙烷与环氧丙烷的无规共聚物制得，是一种水溶性淬火介质，常用的品种中主要成分的分子量约为13000。当温度升高时，其溶解度反而会下降，乃至从水中析出（即逆溶性）。PAG淬火介质在常温下为均匀透明溶液，温度上升到浊点时，溶液就从透明变为混浊。当温度继续上升到逆熔点时，其线型大分子就会从水中析出，并与水完全分离。当溶液中PAG浓度小于5%时，淬火时在高温区析出的聚合物能在工件表面起浸润作用，促使蒸汽膜较快破坏，因此PAG的冷却能力接近于NaCl或碱的水溶液。当PAG浓度增大时，在淬火过程中能在工件表面形成沉积膜，起着隔热层的作用，使冷却速度下降。沉积膜的厚度取决于PAG的浓度。因此，PAG溶液的冷却速度是可以调节的，且沉积膜的存在使散热较均匀，从而可消除软点，并减小工件的内应力，防止工件变形。当淬火温度下降到逆熔点以下时，已析出的PAG聚合物又会重新溶于水，其热稳定性良好，无毒，公害小，淬火后工件易清洗，可长期使用。

在20世纪80年代中期，PAG水溶性淬火介质已开始进入我国热处理行业，但由于难以控制其浓度变化导致的工件淬裂，最终不得不停用，究其原因，是不了解PAG淬火介质在使用中的变化规律，因而没能采取相应的应对措施。

二、钢锻件PAG淬火浓度试验

我公司生产的汽车前轴是汽车上的关键安保件，其形状复杂，承受多向负荷，特别是冲击负荷，其强度、刚度及疲劳寿命等指标的好坏直接影响着汽车的安全性，而这些力学性能指标很大程度上取决于前轴毛坯的热处理工艺。

1.工艺试验

采用我公司生产的42CrMo合金结构钢大型前轴锻件作为样件，其技术要求：淬火硬度2.5～3.0dB，抗拉强度900～1100MPa，屈服强度≥650MPa，伸长率≥12%，断面收缩率≥55%，无变形、开裂、氧化和脱碳等热处理缺陷。使用不同浓度的PAG介质分别进行淬火热处理试验，检测设备为一台冷速测定仪或折光仪。

试验和制造过程：坯料加热→锻造→余热控温→淬火→回火。工艺参数见表1。

因42CrMo属于中等程度淬透性的钢，淬透性较好，很容易出现开裂，故试验的PAG介质浓度选择较高，主要是为控制淬火件的冷却速度。

2.试验结果分析

经过多次试验发现，PAG淬火介质最关键的参数是淬火锻件在300℃时的冷速，一般V300控制在50～60℃/s为宜。每批次生产前都做一次冷速测定。折光仪在PAG使用初期测得还比较准确，但随着PAG的使用时间越来越长，介质中的高分子断链、F离子和杂质浓度的提高，折光仪所测值越来越不准确，因此以冷速测定仪的数据最为真实。如表2所示，当PAG的浓度控制在8%～11%时，锻件的淬火硬度已经满足了技术要求。

表1 工艺参数

分别选取了三个样件取样，进行力学性能分析，结果如表3所示。

由上述三组数据对比可以看出，第一次和第二次的抗拉强度未达到要求，在通过对调质工艺及淬火介质浓度进行调整后，第三次取样的抗拉强度达到要求。

在三次调试过程中，还逐步解决了锻件出水后烟雾过大，锻件表面附着PAG介质过多造成浪费，锻件大小和淬火时间之间的关系，并且制定了适合本公司使用的PAG淬火介质的管理办法。

PAG的日常养护应注意以下几点：远离油、油漆，淬火槽和储液槽内不能刷漆，因PAG会和油、漆发生反应；长时间不使用的情况下，每隔3～4天搅拌一次，搅拌时间2～3h，防止腐败发臭，淬火槽表面盖上石棉瓦等防尘装置；长时间使用后，PAG淬火介质的颜色一般会按照半透明→发红→红褐色→发黄→土黄色的顺序变化。期间如有异常，应检查有否是油进入或其他情况发生。

3.几种淬火介质的使用对比

在进行多次PAG调试后，我公司正式采用PAG淬火介质作为大型合金结构钢锻件热处理淬火介质，使用两年多以来，锻件调质质量和PAG淬火介质质量均未出现过问题，一直很稳定。现将几种介质的使用优劣做一个对比，如表4所示。

三、结语

新型PAG水溶性淬火介质的使用，满足了生产需要，提高了产品质量，降低了成本，节约了能源，建议大量推广使用。

（1）通过试验分析与生产实际应用,PAG型水溶性淬火介质完全可以代替油,且其淬火冷却速度可通过浓度来调整。

（2）PAG型水溶性淬火介质的冷却速度随其浓度的增加而减小，但要控制在一定范围内。

（3）浓度测试操作简单，容易掌握。

（4）节能、降耗、高效、环保。

表2 浓度和冷速

表3 力学性能

表4