PAG淬火冷却介质对40CrNiMoA钢组织与性能的影响

2022-06-21那艳会

金属加工(热加工) 2022年4期

那艳会

通用技术集团大连机床有限责任公司辽宁大连 116000

1 序言

40C r N i M o A钢属于铬镍钼系调质钢，C r、Ni、Mo的加入可显著地提高淬透性和抗回火软化能力，使其具有优良的综合性能，主要应用于高负荷、大截面轴类以及承受冲击载荷的构件，如大型发电机转子、汽轮机、喷气涡轮机轴，以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等[1]。某厂对于40CrNiMoA钢大截面工件采用油淬，但由于油的淬火冷却能力有限，因此有时会出现油冷“淬不上火”、调质处理力学性能不合格的情况。针对这种情况，一般采用水淬油冷的方式，对于工件水冷时间，由于操作人员的水平、水温的高低、工件的大小及表面状态等原因，因此很难保持淬火质量。根据相关文献，现在很多厂家都是采用淬火液作为冷却介质，稳定性很高。

本文重点研究PAG淬火冷却介质对40CrNiMoA钢组织和力学性能的影响，以提高大截面40CrNiMoA钢零部件调质处理一次合格率的问题，克服传统淬火冷却介质的不足，有效提高工件淬火质量及性能稳定性。

2 试验材料及试验方法

试验材料为4 0 C r N i M o A 钢，试棒尺寸为φ120mm×100mm，其化学成分见表1。该材料经电炉冶炼、锻造成形，并经超声波检测合格。依据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》，在RSA250拉伸试验机上进行室温拉伸试验；采用夏比U型标准试样（GB/T 229—2007《金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》），在JWB-300型冲击试验机上进行（结果取3个试验的平均值）；使用Axiovert200MAT型光学显微镜观察金相组织。热处理工艺试验参数见表2。

表1 40CrNiMoA钢试验材料的化学成分（质量分数）（%）

3 试验结果及分析

3.1 不同淬火冷却介质对40CrNiMoA钢力学性能的影响

本试验采用了3种工艺方法进行比较（见表2）。由表2可见，a试样采用常规油冷调质工艺；b试样采用双液冷却（水淬＋油冷）调质工艺；c试样采用采用5%PAG淬火冷却介质调质工艺方法。其中，c试样采用的PAG淬火液，仍是属于水类性质，选择的淬火温度比正常的温度要低10～20℃，因此选择淬火温度为840℃，回火温度为640℃，主要目的是看水基淬火液的淬透能力。不同热处理工艺下40CrNiMoA钢力学性能测试结果见表3。三种工艺参数的屈服强度、抗拉强度、硬度等都是上升的，其中以采用5%PAG淬火液工艺参数处理获得的性能最优。从表2、表3还可看出，5%PAG淬火液处理淬火温度最低，回火温度最高，由此可见，40CrNiMoA钢调质处理采用PAG淬火冷却介质有助于提高材料的强韧性指标。

表2 热处理工艺参数

表3 40CrNiMoA钢力学性能测试结果

3.2 不同淬火冷却介质对淬硬层硬度分布的影响

40CrNiMoA钢经不同淬火冷却介质淬火后，淬硬层硬度分布曲线如图1所示。从图1可看出，在距离表面40mm区域内，三种淬火冷却介质所得到的硬度变化趋势都比较平缓；在距离表面40～80mm区域内，采取油冷和双液淬火（水转油）所得到的硬度变化趋势下降明显，而采用PAG淬火介质所得到的硬度变化趋势依旧平缓；在距离表面80～120mm区域内，三条硬度分布曲线趋势相近。淬火分为三个阶段，即蒸汽膜阶段、沸腾阶段、对流阶段。PAG无机淬火冷却介质能很好地湿润炽热金属表面，使核沸腾快速均匀和剧烈，膜层的存在使沸腾减弱，因此会出现与一般淬火油不同的冷却机制，淬火冷却介质的冷却速度越大，表面越容易淬硬[2]。因此，使用PAG淬火冷却介质时，工件表面硬度分布平缓，马氏体组织分布均匀，有利于延长工件使用寿命。

图1 经不同淬火冷却介质淬火后淬硬层硬度分布

3.3 淬火冷却介质对40CrNiMoA钢金相组织的影响

40CrNiMoA钢调质处理经三种不同淬火介质冷却的显微组织如图2所示。从图2可看出，采用三种淬火冷却介质调质处理后得到的金相组织主要为索氏体。但使用5%PAG淬火冷却介质冷却时，显微组织更加细小且弥散分布，马氏体形态细小。马氏体相变速率仅取决于由冷却速度决定的马氏体形核率，而与马氏体晶体的长大速度无关[3]。在不同的冷却速度下，随冷却速度的增加，马氏体板条越来越细小。使用PAG淬火冷却介质冷却，工件的冷却速度要高于在油冷和双液淬火冷却介质中的冷却，因此在PAG淬火冷却介质中淬火后得到的马氏体尺寸会更加细小。