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两种淬火油对板簧热处理质量影响的研究

日期:2009-11-2  编辑:周德聪
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。
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。
1 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-30t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。
2 试验结果
2.1 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1 N32机油的不同成分的新旧油的冷却特性   
   冷却速度     冷却速度   冷却时间 冷却时间 最大冷速对应的温度
   Vmax(℃/s) V300℃(℃/s) t600(s)  t650(s)  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:650℃为60Si2Mn钢的A→P的鼻尖温度。
2.2 Y15-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所示。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2 Y15-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快速光亮淬火油具有粘度低,流动性好,使用中带出消耗量少,闪点高于普通机油的特点。
2.3 两种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所示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所示。 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,同种材料用Y15-II淬火比用N32淬火,塑性高而强度基本一样。
热处理(淬火、回火)前后样品的金相组织如图1所示。可见,60Si2Mn钢的原材料组织为珠光体+铁素体,用N32机油淬火、回火后的组织为屈氏体+少量贝氏体,用Y15-II快速油淬火、回火后的组织为回火屈氏体;50CrVA弹簧钢的原材料组织为珠光体+少量铁素体,用N32机油淬火、回火后的组织为回火屈氏体,用Y15-II快速油淬火、回火后的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,可看出,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。
2.4 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,每隔半小时抽三片弹簧,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 用不同淬火油进行现场生产的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
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

可见,在N32机油中12mm厚的 60Si2Mn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12mm的 60Si2Mn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厚的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板簧淬火处理时,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。
3 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℃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4s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。
4 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板簧的批量生产。
(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机油淬火的。
(3)对于大截面(12mm左右厚)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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