随着机械加工制造产业的发展，机械加工效率和质量要求越来越高，机械加工装备产品需不断升级换代。热处理工业作为机械制造产业的重要环节，为改善和提升机械产品零部件的耐磨性、强度等使用性能提供了保障。渗碳淬火工艺是一种常用金属零件表面改性热处理方法，在机械制造产业中广泛应用。 机械零件在进行渗碳淬火处理时，渗碳层深度、淬火后零件的硬度、金相及变形量等技术要求与零件使用性能密切相关。在渗碳淬火处理一些厚大尺寸或淬透性较差钢材零件时，普通淬火油冷却性能不能满足零件淬火后硬度、金相等技术指标的要求。因此，为保证厚大尺寸或淬透性较差钢材零件在淬火后技术要求，提高工件的淬火质量，冷却性能更好的快速淬火油、超速淬火油的应用越来越普遍。 1.应用背景 我厂主轴类零件使用材料是20CrMnTi，需要在锻件毛坯粗加工后进行渗碳淬火处理，渗碳层深为1.2～1.6mm，淬火后表面硬度为58～63HRC。近期，在生产过程中检测出主轴类零件在淬火后局部（见图1）（直径为130～240mm处）表面硬度为40～50HRC，低于图样技术要求，出现硬度不合格质量问题，导致零件报废，延误生产周期。 针对主轴零件在渗碳淬火后的局部硬度偏低质量问题，经过对主轴零件原材料化学成分，渗碳层深度及淬火加热温度、保温时间等参数进行检测后，其均在过程控制要求范围内。我厂渗碳淬火冷却使用的淬火油是由N15和N32全损耗系统用油各50%调配而成的掺合油，对该淬火油进行冷却性能检测后，其冷却性能曲线如图2所示，N15+N32淬火油特性数据如表1所示。 表1 N15+N32淬火油特性数据
根据以上掺合油冷却性能检测数据和20CrMnTi钢材等温转变曲线（见图3，C曲线：A1=720℃，“鼻尖”温度570℃，“鼻尖”孕育期t=2.5s）结合分析：20CrMnTi钢材渗碳后， 淬火临界冷却速度Vc=(720-570)℃/(1.5*2.5)s=40℃/s, N15+N32掺合油Vc掺=(720-570)℃/(11-5)s=25℃/s。 即：Vc掺＜Vc，导致主轴零件在使用N15+N32掺合油淬火冷却后未完全发生马氏体转变，马氏体组织含量偏低，故出现主轴零件表面硬度偏低质量问题。 2.快速淬火油的试验 为保证产品生产周期，解决主轴零件局部硬度偏低的问题，我厂将渗碳后的主轴零件通过外协方式使用三个不同厂家的快速淬火油淬火进行试验。分别对淬火后对主轴零件金相、表面硬度、变形量和探伤进行检测。 金相检测包括马氏体级别（图4a）、残留奥氏体级别（图4b）、碳化物级别（图4c）和心部组织级别（图4d）四个方面，检测结果如表2所示。 表2 几种快速淬火油淬火后金相检测结果
对三个不同厂家快速淬火油淬火后主轴零件的硬度、变形量和探伤进行检测，检测结果汇总如表3所示。 表3 不同厂家快速淬火油数据汇总 通过以上检测数据可以看出： （1）机床主轴零件在使用几种快速淬火油淬火后,金相检测结果中马氏体级别、碳化物级别、心部组织级别均符合技术要求，但残留奥氏体级别为4～5级，高出技术要求。 （2）硬度检测平均值分别为51.5HRC、52.6HRC、54.3HRC。 （3）变形量平均值分别为0.22mm、0.23mm、0.23mm。 （4）探伤检测均无裂纹。 根据上述检测结果分析：在使用快速淬火油淬火后，主轴零件淬火后，残留奥氏体级别为4～5级，平均硬度值都在51HRC以上，较使用N15和N32调配的淬火油淬火后硬度提高了10%左右。故对几种快速淬火油冷却性能进行检测，检测对比数据如图5所示，与我厂原使用N15和N32调配的掺合油数据进行对比如表4所示。 表4 四种淬火油的特性数据对比
由表4数据及以上数据可知：快速淬火油的最大冷速Vmax比N15+N32普通淬火油最大冷速Vmax提高了36%左右，其冷却性能优于普通淬火油，淬火后主轴类零件的硬度提高了10%左右。 3.超速淬火油的试验及应用 由以上试验结果可知，通过使用快速淬火油，提高淬火冷却介质的最大冷却速度Vmax，可提高主轴零件在淬火后的表面硬度。根据主轴零件淬火后硬度检测结果，在使用快速淬火油淬火后零件的硬度仍不能满足图样技术要求，因零件尺寸较大，需进一步提高淬火油的最大冷却速度Vmax和300℃冷却速度V300以提高其冷却能力。使用某品牌的S6610型号超速淬火油进行淬火试验。 S6610超速淬火油是采用窄镏分石蜡系二次加氢基础油与特殊成分的催冷剂和抗氧剂等适配而成，因具有极佳的冷却性能和耐热分解性能，使其冷却性能长期维持不变，优异的氧化安定性、光亮性，经长期使用后油泥生成量也极少，是一种长寿命、高性能的冷浴式超速淬火油。超速淬火油主要适用于处理要求淬火硬度高、淬透深度大的工件，也适用于淬透性较低，形状复杂，在一般的快速淬火油中淬不硬在自来水中又容易淬裂的工件。其主要指标如表5所示。 表5 S6610超速淬火油主要性能指标
使用超速淬火油进行主轴零件淬火试验，对主轴金相、表面硬度、变形量和探伤进行检测，检测结果如下：金相检测包括马氏体级别（见图6a），残留奥氏体级别（见图6b）、碳化物级别（见图6c）和心部组织级别（见图6d）四个方面，检测结果如表6所示。 表6 超速淬火油淬火后金相组织检测结果
对主轴零件的表面硬度、变形量及探伤检测结果如表7所示。 通过以上检测数据可以看出：机床主轴在使用超速淬火油淬火后，金相检测结果中马氏体级别、残留奥氏体级别、碳化物级别、心部组织级别均符合技术要求；硬度检测平均值为61.0HRC；变形量平均值为0.27mm；探伤检测无裂纹。 根据上述检测结果分析，在使用超速淬火油淬火后，主轴零件金相、硬度、变形量、探伤检测均满足图样技术要求。对超速淬火油冷却性能进行检测，检测数据如图6所示，与我厂原使用N15和N32调配普通淬火油和快速淬火油冷却曲线对比如图7所示，冷却特性数据进行对比如表8所示。 表8 试验用淬火油冷却特性数据对比
由以上数据分析：超速淬火油最大冷速Vmax为120℃/s，比N15+N32普通淬火油最大冷速Vmax提高了56%左右，300℃冷速V300达到23℃/s，比N15+N32普通淬火油提高了近4倍。其冷却性能比快速淬火油及N15+N32掺合油都有显著提升。使用超速淬火油淬火冷却的主轴类零件金相、硬度、变形量、探伤检测均符合图样技术要求。我厂在后期连续一年生产中，对使用超速淬火油淬火的机床主轴类零件进行跟踪检测，其各项技术指标均保持稳定且满足图样技术要求。 4.结语 通过上述试验和数据总结，超速淬火油的最大冷速Vmax和300℃冷却速度V300比N15+N32掺合油和几种厂家的快速淬火油均有明显提高。在使用超速淬火油对主轴类厚大尺寸零件进行淬火时，零件金相、硬度、变形量和探伤检测等技术指标均可满足技术要求且长期保持稳定状态，为我厂提升产品质量、降低生产成本、提高生产效率做出贡献。超速淬火油的使用，满足厚大尺寸零件渗碳淬火的技术要求，在热处理工业中具有广泛推广和应用价值。
文：叶文林，东风汽车有限公司设备制造厂汽车零件技术开发部 关于我们 “热处理生态圈”以热处理为核心报道方向，着眼材料、冶金、热成型、加工和结构等影响零件成品的整个链条因素，构建质量生态圈的理念。 |
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