趙麗，孟祥冰，劉道喜

 

1.序言

隨著(zhù)熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展，熱處理冷卻的重要性日益凸顯，理想的冷卻速度和穩定的冷卻性能成為淬火冷卻介質(zhì)應具備的基本特點(diǎn)。為分析淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能，我們采用符合ISO 9950——1995標準的冷卻曲線(xiàn)測定儀對不同濃度的水基淬火液進(jìn)行測試。此外，控時(shí)淬火技術(shù)是山東思科工業(yè)介質(zhì)有限公司為擴大水基淬火冷卻介質(zhì)應用范圍，多年來(lái)研究總結并在石油機械和大型鍛件中推廣應用的淬火技術(shù)。文中以石油鉆井穩定器的淬火為例，對其進(jìn)行闡述。

2.冷卻性能測試標準

思科淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能測試依據ISO 9950——1995標準，該標準是國際標準組織（ISO）1995年5月1日頒布的淬火油冷卻性能測定方法[1]。按照該標準的要求，測試內容主要有三個(gè)部分，即冷卻曲線(xiàn)、冷卻時(shí)間和冷卻速度。其中冷卻曲線(xiàn)包括溫度—時(shí)間曲線(xiàn)和溫度—冷卻速度曲線(xiàn)；冷卻時(shí)間主要包括850℃~600℃、600℃~400℃以及400℃~200℃的冷卻時(shí)間；冷卻速度主要包括較大冷卻速度和300℃對應冷卻速度，如圖1所示。

圖1  冷卻性能測試曲線(xiàn)

3.冷卻性能測試

淬火冷卻介質(zhì)應具備理想的冷卻速度，較高的穩定性，良好的冷卻均勻性，無(wú)腐蝕以及經(jīng)濟環(huán)保和安全等基本性能，其中研究水基淬火液的冷卻性能是合理使用淬火液的基礎。為此，我們測試了senco-P75水基淬火液不同濃度對應的冷卻性能指標，并與水作比較，冷卻曲線(xiàn)對比如圖2，匯總測試報告數據見(jiàn)表1。

a) 水、6%淬火液、8%淬火液冷卻曲線(xiàn)對比

b) 6%淬火液、8%淬火液、10%淬火液冷卻曲線(xiàn)對比

C) 8%淬火液、10%淬火液 、12%淬火液冷卻曲線(xiàn)對比

d)  10%淬火液 、12%淬火液、15%淬火液冷卻曲線(xiàn)對比

圖2 測試冷卻曲線(xiàn)對比

4.水基淬火液在控時(shí)淬火技術(shù)上的應用

4.1控時(shí)淬火技術(shù)的定義

淬火冷卻介質(zhì)理想冷卻速度是在淬火冷卻時(shí)等溫轉變圖“鼻部”的冷卻速度大于臨界冷卻速度（保證工件能完成馬氏體轉變的低冷卻速度），在其他溫度范圍，尤其是馬氏體轉變溫度區間（Ms→Mf）則應緩冷，即“高溫冷的快，低溫冷的慢”，如圖3所示?？貢r(shí)淬火技術(shù)是根據這一基本原理，結合工件的材質(zhì)、尺寸、力學(xué)性能要求和淬火液的冷卻速度等因素，綜合計算工件在水基淬火液中冷卻時(shí)間，達到既不開(kāi)裂還必須符合力學(xué)性能要求的一種淬火冷卻方法。采用這一方法工件不需要反復出入淬火冷卻介質(zhì)，而是通過(guò)計算直接冷卻到Ms點(diǎn)以下[2]。

圖3 淬火液的控時(shí)淬火技術(shù)理論曲線(xiàn)

4.2淬火液應用控時(shí)淬火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

工件在水基淬火液中的冷卻時(shí)間過(guò)短會(huì )達不到性能要求，冷卻時(shí)間過(guò)長(cháng)又會(huì )增大淬裂的風(fēng)險。應用控時(shí)淬火技術(shù)，冷卻時(shí)間則可以根據工件MS點(diǎn)溫度、有效尺寸、力學(xué)性能要求，以及水基淬火液的冷卻能力等進(jìn)行計算。

采用這一技術(shù)具有以下優(yōu)勢：可以擴大水基淬火液應用范圍，滿(mǎn)足合金結構鋼的淬火冷卻性能要求；不需要反復調整水基淬火液的濃度，可以滿(mǎn)足多種材質(zhì)在一個(gè)淬火槽中冷卻；有利于達到材料的高冷卻性能。

4.3 在大型穩定器調質(zhì)工藝的改進(jìn)應用

石油鉆井穩定器（見(jiàn)圖4）是鉆井作業(yè)的常用工具之一，應具有較高的安全可靠性，尤其是綜合力學(xué)性能必須符合高要求。目前，許多大型穩定器的體積和重量較大，增加了熱處理加工的難度。使用快速淬火油淬火經(jīng)常會(huì )出現表面硬度低、心部硬度不達標等問(wèn)題，而使用水基淬火液冷卻常會(huì )出現淬火開(kāi)裂的現象。為此，思科工業(yè)介質(zhì)經(jīng)過(guò)多年的探索總結，采用控時(shí)淬火技術(shù)解決了上述問(wèn)題，使大型穩定器的力學(xué)性能和硬度值均達到標準要求，見(jiàn)表2。

注：標準值取自SY/T5051-2009《鉆具穩定器》

圖4 穩定器實(shí)物

由于大型穩定器對所用鋼材的淬硬性和淬透性均有一定的要求，所以在生產(chǎn)中主要選用40CrMnMo、40CrNiMo、4145H三種材質(zhì)的鋼材，客戶(hù)生產(chǎn)中選用的種類(lèi)為40CrMnMo。當鋼材中的主要元素含量偏下限或者處于下限時(shí)，熱處理性能會(huì )有顯著(zhù)的差異，無(wú)法保證產(chǎn)品的機力學(xué)性能和硬度，因此在原材料選擇時(shí)必須保證主要元素含量處于中上限。公司限于規模，無(wú)法從鍛造廠(chǎng)定制原材料，于是訂購了成分處于中限的毛坯料，見(jiàn)表3.

首先是調質(zhì)前毛坯的加工工藝。大型穩定器的毛坯料一般都是采購于鍛造廠(chǎng)的鍛件，其外表面是經(jīng)過(guò)粗加工的。在調質(zhì)前要加工出中心孔，條件允許下應加工出扣頭以減小零件的有效壁厚。另外，倒角應在合理范圍內盡量大一些，以減少尖角效應的不利影響。廠(chǎng)內處理的穩定器頸部外徑為292mm，中心孔直徑為76mm，重量為2.2t。在調質(zhì)處理前，為確保毛坯的綜合性能，消除可能存在的帶狀組織和鍛造缺陷，達到細化晶粒、均勻組織的目的，需要對毛坯進(jìn)行正火處理。

然后是調質(zhì)工藝。大型穩定器各部位的橫截面積差異較大，在加熱時(shí)形成的熱應力極易增加橫裂的危險性，因此應采用緩慢加熱的方式，加熱速度≤60℃/h，以降低表面和心部的溫差，減小熱應力。保溫時(shí)間根據工件厚度確定，在850℃保溫4h。冷卻時(shí)使用水基淬火液，零件的淬硬性、淬透性與鋼材的合金成分和淬火液的冷卻能力密切相關(guān)?；鼗鹂筛鶕S(chǎng)家的不同要求確定回火溫度。熱處理工藝如圖5所示。

圖5 熱處理工藝曲線(xiàn)

在鋼材的合金成分確定后，通過(guò)調節淬火液的冷卻參數提高零件的淬硬性和淬透性；同時(shí)對使用水溶性淬火液的種類(lèi)、濃度、淬前溫度、循環(huán)流速等參數進(jìn)行了確定（見(jiàn)表4）。這樣既提高了零件的淬透性，使其表面和心部都獲得足夠的馬氏體組織，又確保其回火后的綜合力學(xué)性能。另外，根據控時(shí)淬火技術(shù)計算冷卻時(shí)間得11分鐘，通過(guò)適當的預冷淬火，嚴格控制冷卻時(shí)間和出液溫度，避免了零件淬火裂紋的產(chǎn)生。調質(zhì)工藝經(jīng)正交實(shí)驗得到驗證，并投入批量生產(chǎn)，取得了良好的效果。

四、結語(yǔ)

本文分析了水基淬火液的測試標準及冷卻性能，并舉例說(shuō)明使用水基淬火液淬火時(shí)，思科工業(yè)介質(zhì)多年來(lái)一直探索的“控時(shí)淬火技術(shù)”在石油機械領(lǐng)域上的推廣應用，使工件既達到力學(xué)性能要求，又避免了開(kāi)裂。

參考文獻：

[1]增廣義.淬火介質(zhì)冷卻曲線(xiàn)的研讀和評價(jià)[J].金屬熱處理,1999（3）：38-40.

[2]趙步清,胡會(huì )峰.淬火冷卻介質(zhì)的選用[J].金屬加工(熱加工),2019（5）：14-17.

本文已在2021年第2期《金屬加工》雜質(zhì)發(fā)表