板簧熱處理中兩種淬火油對質量的影響

通過對N32機油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷卻特性的對比研究，以及對采用兩種油進行的60Si2Mn和50CrVA鋼樣品淬火冷卻后的組織性能分析，江蘇恒盛爐業有限公司客戶研究了兩種油對板簧熱處理質量的影響。實驗結果表明，N32機油的高溫冷卻速度不足是其不適于有效厚度大于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階段短，高溫冷卻速度較快，有足夠的低溫冷卻速度，能夠滿足14mm以下厚度的60Si2Mn和20mm左右50CrVA板簧淬火。 

用機油淬火，油質好并加上良好的擺動，才有可能使12mm厚的60Si2Mn板簧淬透，但在大批量生產，且影響因素較多的前提下，就很難達到滿意的效果。雖然使用水溶性淬火液的效果也不錯，但因管理環節較多，需要用一個獨立的循環系統，對不同材質、不同規格產品的生產缺乏靈活性，難以應對快速多變的市場需求。為了解決以上矛盾，挖掘傳統的60Si2Mn彈簧鋼的潛能。本文嘗試用新型的今禹Y15-II快速光亮淬火油對較厚的60Si2Mn板簧進行淬火冷卻，并與N32機油的冷卻特性進行了對比。以探索適用于較厚截面的60Si2Mn板簧淬火的新型油品。

1 試驗條件及方法

新舊比例不同的N32機油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷卻特性試驗是在油溫為50℃、體積為1200ml條件下，采用IS09950國際標準進行實驗，用KHR-01型冷卻特性測試儀測定油的冷卻特性。

兩種鋼的板簧和取材于規格為14×100的60Si2Mn彈簧鋼及18×100的50CrVA彈簧鋼標準拉伸試樣，同時用BLl2-220型步進式加熱爐加熱，分別用N32機油和今禹Y15-II快速光亮淬火油淬火冷卻，油溫為20-60℃。用Axiotech金相顯微鏡檢查金相組織；用WE-30t萬能材料試驗機進行拉伸試驗；用HB-3000型布式硬度計檢查硬度。

2 試驗結果

2.1 新舊比例不同的N32機油的冷卻特性

新舊比例不同的N32機油的冷卻特性如表1所列。由表1中數據可知，雖然，舊油的Tvmax明顯低于新油，但舊油的Vmax與新油接近。但是隨新油量的增加，提高了淬火油V300℃，使非馬氏體轉變(A→B)的機會減小。因此對60Si2Mn鋼的淬火，新油的綜合冷卻特性較好。 表1 N32機油的不同成分的新舊油的冷卻特性   
   冷卻速度     冷卻速度   冷卻時間 冷卻時間 最大冷速對應的溫度
   Vmax(℃/s) V300℃(℃/s) t600(s)  t650(s)  Tvmax(℃)
舊油 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：650℃為60Si2Mn鋼的A→P的鼻尖溫度。

2.2 Y15-II快速光亮淬火油與N32機油的冷卻特性對比

實驗獲得的兩種油的冷卻特性參數如表2所示。通過表2的對比，可以看到Y15-II快速光亮淬火油有較短的蒸汽膜階段，且出現最高冷卻速度的溫度較高，這樣避免了從過冷奧氏體中先析出先共析鐵索體的可能性；同時Y15-II快速光亮淬火油具有足夠高的低溫冷卻速度，減少獲得貝氏體(B)的轉變量，使馬氏體(M)轉變充分，得到足夠的淬透深度。

表2 Y15-II快速光亮淬火油與N32機油的冷卻特性對比 
項 目                     N32             Y15-II
40 ℃運動粘度，mm2/s     28.8-35.2       不大于22
閃點（開口），℃ 不低于   170              180
特性溫度，℃              600              700
最大冷速，℃/s            61               101
最大冷速對應溫度，℃      535              605
冷到300 ℃的時間，        29.4             12.8

另外，粘度和閃點作為油品的驗收標準，Y15-II快速光亮淬火油具有粘度低，流動性好，使用中帶出消耗量少，閃點高于普通機油的特點。

2.3 兩種鋼在兩種介質中淬火冷卻試驗結果的對比

規格為14×100的60Si2Nn與18×100的50CrVA板簧鋼及試樣，在表3所示的化學成分及熱處理工藝條件下，分別在Y15-II快速光亮淬火油和N32機油兩種介質中淬火冷卻的試驗結果如表4所示。 表3 試樣的化學成分及熱處理工藝 
彈簧鋼的規格        化學成分（wt%)                熱處理工藝
                   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 兩種彈簧鋼經不同淬火介質淬火后的拉伸試驗結果 
鋼種              60Si2Mn               50CrVA
淬火介質        N32  Y15-II            N32  Y15-II
試樣編號         1     2    3    4      1    2    3    4
屈服強度 N/mm2  1401 1337 1401 1401   1745 1745 1745 1745
抗拉強度 N/mm2 1420 1401 1414 1414    1752 1752 1752 1752
伸長率 %         6    5   7    7.5      8   10   8    10
收縮率 %         24   29  31    31     26   19   36   21

由表4可見，同種材料用Y15-II淬火比用N32淬火，塑性高而強度基本一樣。

熱處理（淬火、回火）前后樣品的金相組織如圖1所示。可見，60Si2Mn鋼的原材料組織為珠光體+鐵素體，用N32機油淬火、回火后的組織為屈氏體+少量貝氏體，用Y15-II快速油淬火、回火后的組織為回火屈氏體；50CrVA彈簧鋼的原材料組織為珠光體+少量鐵素體，用N32機油淬火、回火后的組織為回火屈氏體，用Y15-II快速油淬火、回火后的組織為均勻細小的回火屈氏體。顯然，Y15-II快速油的冷卻優于N32機油。

 

不同試樣的拉伸斷口如圖2所示，可看出，用Yl5-II快速油淬火的試樣的放射區面積小于用N32機油淬火的，前者的斷面收縮率高于后者，而前者的強度略高，這樣的力學性能對板簧而言更為理想。

 

2.4 生產現場的產品淬火硬度對比結果及分析

在實際生產中，加熱溫度為860-890℃，加熱時間25-30分鐘，每隔半小時抽三片彈簧，用N32機油對12×100的60Si2Mn板簧以及用Yl5-II快速光亮淬火油對14×76的60Si2Mn板簧淬火，兩種油溫都為20-60℃，淬火后的硬度值見表5。 表5 用不同淬火油進行現場生產的60Si2Mn板簧的淬火硬度 
產品規格                            分組抽樣測得的硬度值(HB)
                        I             II           III      最低 最高 平均
N32淬12×100板簧   415 388 477   485 335 415   352 415 321  321  485  403
Y15-II淬14×76板簧 475 508 510   550 485 522   510 463 520  463  550  505

可見，在N32機油中12mm厚的 60Si2Mn板簧的淬火硬度最高為485HB，最低為321HB，硬度不均勻，只有少數值滿足要求。說明該油對有效厚度為12mm的 60Si2Mn板簧的高溫冷卻速度和最大冷卻速度都不夠。而在今禹Y15-II快速光亮淬火油中，14mm厚的60Si2Mn板簧的淬火硬度最高為550HB，最低為463HB，平均為505HB，硬度較為均勻，其冷卻性能能滿足14mm厚的60Si2Mn板簧淬火要求。

經過一年的使用和探索，今禹Y15-II快速光亮淬火油能滿足14mm以下厚度的60Si2Mn板簧淬火，并在厚度為20mm左右50CrVA板簧淬火處理時，在整個截面上都能淬透，獲得良好的機械性能，并保持了工件具有較好的光亮度。

3 討論

彈簧淬火的目的是把奧氏體化的鋼材，以合理的冷卻方式淬火形成馬氏體，然后回火達到所要求的組織和性能。而保證淬硬的關鍵是淬火介質在彈簧鋼C曲線的鼻尖處的冷速要足夠地大，以使過冷奧氏體不致形成珠光體或貝氏體組織，由60Si2Mn鋼和50CrVA鋼的過冷奧氏體轉變曲線和端淬曲線可知，其馬氏體形成溫度在300℃左右，因此合適的冷卻介質應在鼻尖處達到最大冷卻速度而在300℃以下有適當的的冷卻速度，以達到既能夠淬硬淬透又能減少變形的目的。

觀察表1數據可知，N32機油(無論是新舊)，t650℃都≥4.8秒，而60Si2Mn鋼“C”曲線上從到A→P轉變鼻尖的最短時間為4s左右，結果使工件的淬火過程中發生中溫轉變出現不應有的貝氏體組織(B)，見圖1(c)。分析生產現場的硬度(表5)表明，用N32機油淬火硬度不均勻且偏低，這是由于其Tvmax低于60Si2Mn鋼“C”曲線的鼻子尖溫度以及Vmax(見表2)偏慢的緣故，這對于有效厚度大于12mm的60Si2Mn鋼板簧來說顯然不適應于大批量的生產。N32機油對50CrVA鋼的淬火是合適的，但效果要差于用Y15-II快速光亮淬火油淬火見圖1(d)。

表2中的數據表明：Y15-II快速光亮淬火油的蒸汽膜階段較短，且出現最高冷卻速度的溫度較高。這樣避免了過冷奧氏體先析出先共析鐵素體和貝氏體，同時具有足夠高的低溫冷卻速度(通常用300℃的冷卻速度代表淬火介質的低溫冷卻速度)，得到理想的組織。按金相檢驗標準區分，60Si2Mn鋼用Y15-II淬火的試樣的組織級別要高于用N32機油的淬火的；50CrVA彈簧鋼經兩種淬火介質熱處理后，從組織形態上Y15-II快速光亮淬火油具有較N32機油更為細小均勻的回火屈氏體組織，見圖1(e)、(f)。雖然從圖21的斷口形貌照片上看不出太大的區別，但對比拉伸數據可知，Y15-II油熱處理后，材料強度略高于N32機油，塑性指標高于N32機油淬火，這主要是由于Y15-II油的特性溫度和最大冷速都優于N32機油的緣故。

因此，Y15-II快速光亮淬火油的使用，一方面保證了14×100的60Si2Mn(18×100的50CrVA)板簧在全部截面上淬透；另一方面也保證了熱處理后的力學性能。

4 結論

（1）在原有舊的N32機油里添加新油不能對冷卻特性產生較大的改善，N32機油不適合有效厚度大于12mm板簧的批量生產。

（2）Y15-II快速光亮淬火油具有較好的冷卻特性，對60Si2Mn材料采用Y15-II快速光亮淬火油進行熱處理后，材料拉伸后的塑性、金相組織級別均優于N32機油淬火的。

（3）對于大截面(12mm左右厚)60Si2Mn板簧，恒盛爐業建議采用Y15-II快速光亮淬火油熱處理，能夠提高材料的綜合機械性能，更好的滿足產品的性能要求。

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