两种淬火油对板簧热处理质量影响的研究分析.docx
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两种淬火油对板簧热处理质量影响的研究分析
两种淬火油对板簧热处理质量影响的研究分析
摘要：
本文通过对N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷却特性的对比研究，以及对采用两种油进行的60Si2Mn和50CrVA钢样品淬火冷却后的组织性能分析，研究了两种油对板簧热处理质量的影响。
实验结果表明，N32机油的高温冷却速度不足是其不适于有效厚度大于12mm的60Si2Mn板簧淬火的原因。
而今禹Y15-II快速光亮淬火油的蒸汽膜阶段短，高温冷却速度较快，有足够的低温冷却速度，能够满足14mm以下厚度的60Si2Mn和20mm左右50CrVA板簧淬火。
关键词：
60Si2Mn板簧冷却特性有效厚度
1．前言
长期以来，热处理行业中普遍存在着“重热轻冷”——重视工件的加热控制，轻视淬火冷却技术的现象。
各种可用的现代化技术不断地应用在工件的加热上，但冷却依然是在惯用的水和普通机油中进行。
用机油淬火，油质好并加上良好的摆动，才有可能使12mm厚的60Si2Mn板簧淬透，但在大批量生产，且影响因素较多的前提下，就很难达到满意的效果。
虽然使用水溶性淬火液的效果也不错，但因管理环节较多，需要用一个独立的循环系统，对不同材质、不同规格产品的生产缺乏灵活性，难以应对快速多变的市场需求。
为了解决以上矛盾，挖掘传统的60Si2Mn弹簧钢的潜能。
本文尝试用新型的今禹Y15-II快速光亮淬火油对较厚的60Si2Mn板簧进行淬火冷却，并与N32机油的冷却特性进行了对比。
以探索适用于较厚截面的60Si2Mn板簧淬火的新型油品。
2．试验条件及方法
新旧比例不同的N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷却特性试验是在油温为50℃、体积为1200ml条件下，采用IS09950国际标准进行实验，用KHR-01型冷却特性测试仪测定油的冷却特性。
两种钢的板簧和取材于规格为14×100的60Si2Mn弹簧钢及18×100的50CrVA弹簧钢标准拉伸试样，同时用BLl2-220型步进式加热炉加热，分别用N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油淬火冷却，油温为20-60℃。
用Axiotech金相显微镜检查金相组织；用WE-30吨万能材料试验机进行拉伸试验；用HB-3000型布式硬度计检查硬度。
3.试验结果
3.1新旧比例不同的N32机油的冷却特性
新旧比例不同的N32机油的冷却特性如表1所列。
由表1中数据可知，虽然，旧油的Tvmax明显低于新油，但旧油的Vmax与新油接近。
但是随新油量的增加，提高了淬火油V300℃，使非马氏体转变（A→B）的机会减小。
因此对60Si2Mn钢的淬火，新油的综合冷却特性较好。
表1N32机油的不同成分的新旧油的冷却特性
冷却速度
Vmax（℃/s）
冷却速度
V300℃（℃/s）
冷却时间t600（s）
冷却时间t600（s）
最大冷速对应的温度Tvmax（℃）
旧油
90
5
6.0
4.8
550
10%新油
85
16
6.0
4.9
561
20%新油
77
16
7.5
6.1
567
30%新油
75
17
8.0
6.9
558
40%新油
73
21
7.0
5.8
575
50%新油
93
19
5.5
4.8
616
100%新油
91
25
5.5
4.8
605
注：
表1中t650℃为冷却到650℃（即60Si2Mn的A→P的鼻尖温度）的时间。
3.2Y15-II快速光亮淬火油与N32机油的冷却特性对比
实验获得的两种油的冷却特性参数如表2所列。
通过表2的对比，可以看到Y15-II快速光亮淬火油有较短的蒸汽膜阶段，且出现最高冷却速度的温度较高，这样避免了从过冷奥氏体中先析出先共析铁索体的可能性；同时Y15-II快速光亮淬火油具有足够高的低温冷却速度，减少获得贝氏体（B）的转变量，使马氏体（M）转变充分，得到足够的淬透深度。
表2Y15-II快速光亮淬火油与N32机油的冷却特性对比
项目
N32
Y15-II
40℃运动粘度，mm2/s
28.8-35.2
不大于22
闪点（开口），℃不低于
170
180
特性温度，℃
600
700
最大冷速，℃/s
61
101
最大冷速对应温度，℃
535
605
冷到300℃的时间，
29.4
12.8
另外，粘度和闪点作为油品的验收标准，Y15-II快速光亮淬火油只有粘度低，流动性好，使用中带出消耗量少，闪点高于普通机油的特点。
3.360Si2Mn与50CrVA弹簧钢在两种介质中淬火冷却试验结果的对比
规格为14×100的60Si2Nn与18×100的50CrVA板簧钢及试样，在表3所列的化学成分及热处理工艺条件下，分别在Y15-II快速光亮淬火油和N32机油两种介质中淬火冷却的试验结果如表4所列。
表3试样的化学成分及热处理工艺
弹簧钢的规格
化学成分（wt%）
热处理工艺
C
Si
Mn
Cr
V
S
淬火（℃）
回火（℃）
14×100（60Si2Mn）
0.57
1.5
0.76
0.009
860-890
480-500
18×100（50CrVA）
0.53
0.33
0.74
0.98
0.18
0.008
840±10
400-410
表4两种弹簧钢经不同淬火介质淬火后的拉伸试验结果
钢种
60Si2Mn
50CrVA
淬火介质
N32
Y15-II
N32
Y15-II
试样编号
1
2
3
4
1
2
3
4
屈服强度N/mm2
1401
1337
1401
1401
1745
1745
1745
1745
抗拉强度N/mm2
1420
1401
1414
1414
1752
1752
1752
1752
伸长率%
6
5
7
7.5
8
10
8
10
收缩率%
24
29
31
31
26
19
36
21
由表4可见，同种材料经Y15-II快速光亮淬火油热处理后，材料强度略高于N32机油，塑性指标高于N32机油淬火。
热处理前后l#、4#样品的金相组织如图1所示。
由图1可见，60Si2Mn钢的原材料组织为珠光体+铁素体：
50CrVA弹簧钢的原材料组织为珠光体+少量铁素体；60Si2Mn钢用N32机油淬火、回火组织为屈氏体+少量贝氏体：
50CrVA弹簧钢用N32机油淬火、回火组织为回火屈氏体；60Si2Mn钢用Y15-II快速油淬火、回火组织为回火屈氏体；50CrVA弹簧钢用Y15-II快速油淬火、回火组织为均匀细小的回火屈氏体。
显然，Y15-II快速油的冷却优于N32机油。
不同试样的拉伸断口如图2所示，对照图中的断口形貌可以看出，用Yl5-II快速油淬火的试样的放射区面积小于用N32机油淬火的，前者的断面收缩率高于后者，而前者的强度略高，这样的力学性能对板簧而言更为理想。
3.4生产现场的产品淬火硬度对比结果及分析
在实际生产中，加热温度为860-890℃，加热时间25-30分钟，每隔半小时抽三片，用N32机油对12×100的60Si2Mn板簧以及用Yl5-II快速光亮淬火油对14×76的60Si2Mn板簧淬火，两种油温都为20-60℃，淬火后的硬度值见表5。
表5同材质不同淬火油的现场生产的60Si2Mn板簧的淬火硬度
产品规格
分组抽样测得的硬度值（HB）
I
II
III
最低
最高
平均
12×100
415
388
477
485
335
415
352
415
321
321
485
403
14×76
475
508
510
550
485
522
510
463
520
463
550
505
表5数据表明，在N32机油中12mm60Si2Mn板簧的淬火硬度最高为485HB最低为321HB，硬度不均匀，只有少数值满足要求。
说明该油对有效厚度为12mm60Si2Mn板簧的高温冷却速度和最大冷却速度都不够。
而在今禹Y15-II快速光亮淬火油中，14mm的60Si2Mn板簧的淬火硬度最高为550HB，最低为463HB，平均为505HB，硬度较为均匀，其冷却性能能满足14mm厚的60Si2Mn板簧淬火要求。
经过一年的使用和探索，今禹Y15-II快速光亮淬火油能满足14mm以下厚度的60Si2Mn板簧淬火，并在厚度为20mm左右50CrVA板簧淬火处理上，在整个截面上都能淬透，获得良好的机械性能，并保持了工件具有较好的光亮度。
4．讨论
弹簧淬火的目的是把奥氏体化的钢材，以合理的冷却方式淬火形成马氏体，然后回火达到所要求的组织和性能。
而保证淬硬的关键是——淬火介质在弹簧钢C曲线的鼻尖处的冷速要足够地大，以使过冷奥氏体不致形成珠光体或贝氏体组织，由60Si2Mn钢和50CrVA钢的过冷奥氏体转变曲线和端淬曲线可知，其马氏体形成温度在300℃左右，因此合适的冷却介质应在鼻尖处达到最大冷却速度而在300℃以下有适当的的冷却速度，以达到既能够淬硬淬透又能减少变形的目的。
观察表1数据可知，N32机油（无论是新旧），t650℃（为A→P冷却到650~C的时间）都≥4.8秒，而60Si2Mn钢“C”曲线上从到A→P转变鼻尖的最短时间为4秒左右，结果使工件的淬火过程中发生中温转变出现不应有的贝氏体组织（B），见图1（c）。
分析生产现场的硬度（表5）表明，用N32机油淬火硬度不均匀且偏低，这是由于其Tvmax低于60Si2Mn钢“C”曲线的鼻子尖温度以及Vmax（见表2）偏慢的缘故，这对于有效厚度大于12mm的60Si2Mn钢板簧来说显然不适应于大批量的生产。
N32机油对50CrVA钢的淬火是合适的，但效果要差于用Y15-II快速光亮淬火油淬火见图1（d）。
表2中的数据表明：
Y15-II快速光亮淬火油的蒸汽膜阶段较短，且出现最高冷却速度的温度较高。
这样避免了过冷奥氏体先析出先共析铁素体和贝氏体，同时具有足够高的低温冷却速度（通常用300℃的冷却速度代表淬火介质的低温冷却速度），得到理想的组织。
按金相检验标准区分，60Si2Mn钢用Y15-II淬火的试样的组织级别要高于用N32机油的淬火的；50CrVA弹簧钢经两种淬火介质热处理后，从组织形态上Y15-II快速光亮淬火油具有较N32机油更为细小均匀的回火屈氏体组织，见图1（e）、（f）。
虽然从图21的断口形貌照片上看不出太大的区别，但对比拉伸数据可知，Y15-II油热处理后，材料强度略高于N32机油，塑性指标高于N32机油淬火，这主要是由于Y15-II油的特性温度和最大冷速都优于N32机油的缘故。
因此，Y15-II快速光亮淬火油的使用，一方面保证了14×100的60Si2Mn（18×100的50CrVA）板簧在全部截面上淬透；另一方面也保证了热处理后的力学性能。
5．结论
1．在原有旧的N32机油里添加新油不能对冷却特性产生较大的改善，N32机油不适合有效厚度大于12mm的批量生产。
2．Y15-II快速光亮淬火油具有较好的冷却特性，对60Si2Mn材料采用Y15-II快速光亮淬火油进行热处理后，材料拉伸后的塑性、金相组织级别均优于N32机油。
3．对于大截面（12mm左右）60Si2Mn板簧采用Y15-II快速光亮淬火油热处理，能够提高材料的综合机械性能，更好的满足产品的性能要求
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