PAG水溶性淬火液在自锁基部齿条生产中的应用

丁雪飞，倪海峰

（金轮针布（江苏）有限公司，江苏 南通 226009）

冷却是热处理生产中非常重要的一个环节，冷却介质是关键因素［1］。为了适应节能减排、低碳经济的需要，应用聚合物淬火液代替油类淬火液或以植物油替代矿物油的淬火液等，是行业关注的热点。我公司于2013年大胆尝试应用PAG水溶性淬火液，结果不仅保证了合金钢工件的热处理质量，还满足了现代化企业对经济、环保、安全的基本要求，也标志着我公司热处理生产的新起点。

1 淬火介质

热处理常用的淬火介质有水、油、盐等，其应用效果各有优缺点。合金钢工件一般选择用油淬火，对减小工件变形和开裂很有利；但其淬透性较差或尺寸较大的工件淬不硬，且油易老化，对环境污染也大，并存在发生火灾的危险。为提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾并节能，有机聚合物淬火液有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向，尤其是对于水淬开裂、变形大或油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火液更是较佳的选择。目前，世界上应用最多的有机聚合物淬火液是PAG类水溶性淬火液。PAG淬火液是新型具有逆溶性淬火介质，冷却速度介于盐水和冷油之间，冷却能力可调，使用中介质浓度可简便测定，适用的淬火钢种范围广，使用寿命长，正常消耗是传统淬火油的40%；且无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠、工件淬硬均匀、可明显减少淬火变形和开裂倾向［2］。

PAG淬火液以PAG聚合物为主，由提供辅助性能的添加剂制成。在工件淬火过程中，工件周围的液温一旦升至溶液浊点以上，PAG聚合物即从溶液中脱溶，并以细小液珠形式悬浮在淬火液中；悬浮的PAG有机液珠接触到高温工件后，其具有非常好的润湿性易粘附到工件表面上，形成包膜将工件包裹起来。PAG淬火介质就是靠这种包膜调节水的冷却速度，避免工件发生淬火开裂；当工件冷却下来后，粘附在工件上的聚合物又会回溶到淬火液中。

2 试验方法

用AT5010×05032VP型齿条在7m／min的速度下运行，采用原工艺火焰喷嘴尺寸为80mm×0.24mm、高频电流为300A～360A，PAG浓度为0%～8%进行试验。由于应用水溶性淬火液淬火冷却速度相对较快，造成齿条的内应力较大，在卷绕前增加回火工序（高频回火）可消除一定的内应力，以有效防止齿条开裂；高频线圈规格为170mm×φ43mm×φ55mm×7圈；当PAG浓度大于5%时，对齿条进行“淬火＋回火”试验。

检测设备：M－2型预磨机，磨盘直径为230mm，转速为450r／min；P－2T型抛光机，抛盘直径为230mm，转速为450r／min；XQ－2B型镶样机，DTTA 型台式投影仪；VK－9700型基恩士彩色3D激光金相显微镜；HXS－1000AY型显微维氏硬度计。

3 试验与讨论

3.1 淬火工艺

齿条淬火经PAG水溶液冷却后，由于水分残留其表面而容易锈蚀，所以在冷却后增加回火与浸油工序，可以防止锈蚀。四工位具体工艺为：高频退火→淬火→PAG水溶液冷却→回火→浸油。

3.2 淬火溶液浓度试验

试验在淬火介质PAG浓度从0%～8%的条件下进行，同时检测的硬度值见表1。

表1 齿条上规定测点a硬度检验结果单位：HV0.2

由表1可以看出，不同浓度PAG溶液淬火，硬度均能满足要求，淬火晶粒度基本呈均匀分布，用尖嘴钳夹折齿尖发现随着溶液浓度降低，齿条脆性逐渐增大；而当浓度达到5%以上时，第2点的硬度逐渐增大、脆性有所减弱；表明淬火介质PAG水溶液的浓度应不小于5%。

为进一步比较硬度与金相组织的关系，分别对用PAG淬火液浓度为5%、6%、7%和8%淬火的齿条样品进行金相组织晶粒度检验，如图1所示。

由图1可以看出，淬火介质PAG浓度为5%～8%时，齿条金相组织晶粒度较小且无粗大颗粒出现，晶粒度大小分布均匀，与对应硬度检测数据一致［3］。

3.3 回火电流试验

由于水溶液淬火冷却速度相对较快，使齿条的内应力较大，卷绕前增加回火工序（高频回火）以消除一定的内应力、防止齿条开裂。采用的高频回火线圈规格为170mm×φ43mm×φ55mm×7圈，当PAG溶液浓度大于5%时，对齿条进行“淬火＋回火”试验，其硬度和晶粒度数据见表2。

图1 不同浓度PAG溶液淬火条件下的齿条金相组织晶粒度（2.5～3.5级）

表2 齿条淬火后不同高频回火电流时硬度及晶粒度检验结果

试验时，当回火电流大于100A时，操作工夹折齿条齿部检验发现其脆性减弱，由表2数据可看出，电流为110A～150A时，既未明显降低齿条第1点的硬度，又能降低齿条的脆性；随着回火电流的逐渐增大，规定点的硬度逐渐减小。这是因为温度升高时，原子活动能力增强，齿条中的铁、碳和其它合金元素的原子较快地扩散并重新排列组合，从而使不稳定的平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关，一般回火将使硬度和强度下降、塑性提高；所以回火温度越高，这些力学性能的变化越大。

在其他工艺相同条件下，对相同齿条在4种不同浓度的PAG溶液中，进行淬火和回火的晶粒度比较，如图2所示。可以看出，齿条经过淬火回火处理后的金相组织晶粒均匀度优于不回火时，同一规定点位的硬度在保证耐磨性的基础上，晶粒大小分布更均匀，回火工艺使其基体呈稳态组织，齿条各项性能得到了优化。

图2 不同浓度PAG溶液淬火回火条件下的齿条金相组织晶粒度（2.5～3.5级）

3.4 淬火溶液的冷却

对数千米长的齿条连续淬火，会使水溶液急剧升温，为了保证良好的冷却效果，必须将冷却水温维持在30℃～65℃。为此，应加大淬火溶液池及水箱的体积，以加大水溶液的供应量，加快水溶液的流动量来降低水溶液的温度。我公司在冲淬卷线旁增加长、宽、高为1.0m×1.0m×1.0m的供水箱，使淬火水槽的体积扩大约1倍，加快水溶液的循环，在连续生产3d后，水溶液的温度约保持为40℃，满足了PAG水溶液的使用温度要求［4］。

3.5 批量生产，浓度控制

2014年8～9月，在159号冲淬卷线上批量生产NR4225×04213VP型齿条成品18卷，硬度均符合要求。维持水箱中淬火溶液的高度在0.9m刻度线上下，其体积约为1 000L，每天用浓度测量仪测量溶液浓度，维持PAG的浓度为5%～8%，具体浓度观测结果见表3。

表3 PAG的浓度观测结果

3.6 定型工艺

经过多次试验和批量生产、检测，制成齿条满足质量要求，总结确定的生产工艺如表4所示。

表4 生产工艺

3.7 经济效益分析

应用好富顿淬火油与PAG水溶性淬火液的成本对比：每台车每月消耗的好富顿淬火油资金为300元，而PAG水溶液为95元，可见用水溶液的费用约为淬火油的1／3，则10台车每年可为企业节约2.46万元。

3.8 环境改善

采用PAG水溶液淬火过程中产生的油烟少，车间环境得到很大改善；而在以往采用油淬火时，热处理厂房内到处浓烟弥漫，尤其是油淬后工件上残留的油渍在高温下散发的黑烟不仅污染了环境、熏黑了厂房设备，更对操作工的身体造成一定的伤害。PAG水溶性淬火液的使用，为我们创造了一个清洁、文明、健康的工作环境。

4 结论

4.1 PAG水溶性淬火液可以替代油淬火，生产总高4.0mm以上的自锁基部齿条，当PAG淬火液浓度为5%～8%、温度为30℃～60℃、回火电流为110A～150A时，硬度满足行业标准对齿条要求，且淬火金相组织的晶粒度分布较均匀。

4.2 平均每月每台车消耗的PAG淬火液成本约为淬火油的1／3，直接给工厂带来了一定的经济和社会效益。

4.3 应用PAG聚合物水溶性淬火液，实现了“以水代油、安全生产、无烟气排放”的效果，在提高了产品质量的同时，使车间环境得到明显改善，根除了火患，提高了产品质量，具有广阔的推广前景。

［1］樊东黎.美国热处理技术发展线路图概述［J］.金属热处理，2006，22（1）：1－3.

［2］王庆红.PAG水溶性淬火液在生产中应用［J］.安徽冶金科技职业学院学报，2006，16（5）：88－90.

［3］JB／T 9211—2008 中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级［S］.

［4］陈希原.PAG淬火液的使用要点及维护管理［J］.热处理，2007，22（4）：60－64.