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刘富强1 黄建斌2 郭云生1 高东海2
(1.中国一汽集团公司辽阳汽车弹簧厂，辽阳111000；
2.北京工业大学材料科学与工程学院，北京100022)
刊自《热加工工艺》2004年第12期
摘要：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
中图分类号：TG162.74;TG154.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3814（2004）12-0045-03
Research of Two Kinds of Quenching Oil Affecting on the Heat Treatment Quality of Plate Spring
LIU Fu-qiang1 HUANG Jian-bin2 GUO Yun-sheng1 GAO Dong-hai2
(1.Liaoyang Auto Spring Factory, FAW Group CO., Ltd, Liaoyang 111000,China；
2.College of Material Science and Engineering, Beijing University of Tecnology, Beijing 100022, China)
Abstract：The effect of two kinds of quenching oil affecting on the plate spring are researched by comparing the cooling property of N32 mechanical oil with Jinyu quich & clean quenching oil, analyzing the structure and properties of the samples of 60Si2Mn and 50CrVA steel using two kings of oil. The result shows that the deficiency of high temperature cooling rate of N32 mechanical oil is the reason of it's unsuitable for the quenching of 60Si2Mn plate spring which effective depth is deeper than 12mm. While the shorter steam film phase and the faster high temperature cooling rate of Jinyu Y15-II quick & clean quenchingoil make it has the capacity to satisfy the quenching of 60Si2Mn plate spring which effective depth is deeper than 12mm and 50CrVA plate spring which effective depth is deeper than 20mm.
Key words：60Si2Mn plate spring；cooling property；effective depth
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
Vmax(℃/s)
冷却速度
V300℃(℃/s)
冷却时间t600(s)
冷却时间t650(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：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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