PAG温度及搅拌速度对40Mn钢带性能影响研究

康泰宇 ，郭 纯 ，营 梦 ，李 云 ，刘武猛 ，吴随松

1.安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100；2.安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000

淬火工艺中除淬火温度及保温时间外，淬火介质的选择也尤为重要。淬火介质的类型很多，其中近几年兴起的聚合物淬火介质PAG 的应用越来越广泛。PAG 属于环保型的淬火介质，且生产成本低［1］。冷轧40Mn 钢带作为生产长尾夹的原材料之一，其热处理工艺的好坏直接决定了长尾夹的性能及生产成本。目前针对40Mn 钢带的研究主要为热轧40Mn 钢淬回火温度对其性能的影响，以及零件经热处理后的金相组织对其失效形式的影响等［2-5］。冷轧40Mn 钢带的研究，以及淬火介质的选择、淬火介质的状态等研究暂无报道。

PAG 是国外率先开发的环保水溶性淬火介质，现已广泛应用于合金钢、铝零件及金属零件的热处理［6-7］。水的冷却速度太快，油的冷却速率过慢，而PAG 在与水混合使用时，可通过调节其浓度的方式，灵活地获得不同的冷却速率。经测试，低温时PAG 与水混合后有分层现象，搅拌能促进其溶于水；同时，由于PAG 独特的逆溶性，当温度高于74 ℃时又会从水中析出，所以在实际使用过程中，这一特性可能会造成PAG 淬火液的局部浓度发生变化。文献［8］、文献［9］分别研究了PAG 淬火液的冷却特性及其热化学温度行为，以及使用中的污染因素对PAG 淬火液的冷却特性的影响，但有关PAG 淬火液的使用温度及搅拌速度的研究未见报道，故研究合适的PAG 淬火液使用温度及搅拌速度对实际生产应用具有重要意义。

1 实验材料与实验方案

实验用40Mn 钢带为冷轧钢带。实验用试样尺寸约为100 mm×25 mm×0.2 mm。每组实验3个试样以防止数据异常。依据前期实验的结果设定淬火温度为840 ℃，保温时间为8 min。查阅资料并结合先前的实验研究确定PAG 淬火液的质量分数为13%， 因PAG 有逆溶性，结合前期实验结果设定PAG 淬火液的温度研究区间为20～40 ℃，搅拌速度为0～1 500 r/min。采用控制变量法进行PAG 淬火液的温度及搅拌速率对长尾夹性能的影响研究。

试样淬火后，依次进行拉伸测试和硬度测试，最后观察金相。

实验设备包括箱式淬火炉、拉伸试验机（UTM-5105）、显微维氏硬度计（HV-1000Z）、金相显微镜（4XC）。蚀刻剂为4%硝酸酒精溶液。 实验方案如表1所示。

表1 实验方案Table 1 Experiment scheme

2 结果与分析

2.1 实验结果

不同的PAG 淬火液温度、不同搅拌速度下，淬火后试样的拉伸性能数据及硬度数据如图1、图2所示。

由图1、图2 可知，试样性能提升明显的有20 ℃、500 r/min 时， 拉伸强度为1 542.8 MPa，硬度为647.4 HV0.2；25 ℃、0 r/min 时，拉伸强度为1 418.9 MPa，硬度为723.8 HV0.2；25 ℃、500 r/min时，拉伸强度为1 456.5 MPa，硬度为689.5 HV0.2；25 ℃、1 000 r/min 时，拉伸强度为1 725.8 MPa，硬度为634.1 HV0.2；25 ℃、1 500 r/min 时，拉伸强度为1 210.1 MPa，硬度为405.8 HV0.2；30℃、0 r/min时，拉伸强度为1 393.7 MPa，硬度为476.4 HV0.2；35 ℃、1 000 r/min 时，拉伸强度为1 640.5 MPa，硬度为512.2 HV0.2；40 ℃、1 500 r/min 时，拉伸强度为1 384.2 MPa，硬度为56.4 HV0.2。

图2 不同PAG温度及搅拌速度的试样硬度Fig. 2 Sample hardness of different PAG temperature and stirring speed

2.2 试样性能分析

2.2.1 PAG淬火液温度对试样性能的影响

如图1可知，不同PAG淬火液温度，不同搅拌速度下试样的拉伸性能折线图各不相同，其中，500 r/min与1 500 r/min的折线图变化趋势较为相似，500 r/min 下30 ℃时试样拉伸强度达到最大值，1 500 r/min 下35 ℃时试样拉伸强度达到最大值。观察0 r/min 折线图可知，在无搅拌的情况下，试样的拉伸性能随PAG 淬火液温度的升高而下降。观察500 r/min 折线图可知，低速搅拌时，试样的拉伸性能在PAG淬火液温度20～35 ℃区间变化不大，由35 ℃提升至40 ℃时拉伸性能明显下降，下降约20.9%。观察1 500 r/min 折线图可知，高速搅拌下，试样的拉伸性能随PAG 淬火液温度的升高先上升再下降。

图1 不同PAG温度及搅拌速度的试样拉伸性能Fig. 1 Tensile properties of samples with different PAG temperature and stirring speed

由图2 可知，PAG 淬火液温度为25 ℃时，试样的硬度随搅拌速度的升高而降低；PAG 淬火液温度为35 ℃时，试样的硬度随搅拌速度的升高变化不大；其余温度下试样的硬度均随搅拌速度升高而先升后降。

试样的拉伸强度和硬度数据表明，在有搅拌的状态下，PAG 淬火液温度的升高对试样的性能提升有正向促进作用；在无搅拌状态下，PAG 淬火液温度升高，仅增加了PAG 淬火液中PAG 的活性，对溶液的均匀性无提升，温度的升高会使PAG 从水中析出所需时间更短，从而降低了PAG淬火液的冷却速度，使得试样性能随温度的升高而降低。

2.2.2 搅拌速度对试样性能的影响

观察图1 可知，PAG 淬火液温度为25 ℃时，试样的拉伸性能总体上随着搅拌速度的增加而降低；其余温度下试样的拉伸性能均随搅拌速度的升高而先上升后下降。

这是因为在无搅拌状态下，淬火过程中PAG淬火液独特的逆溶性会使PAG 从水中析出并附着于试样表面，隔绝试样与水，从而使试样的冷却速度降低；淬火过程中，附着层厚度逐渐增加直至达到平衡，同时不断降低零件的温度。

在有搅拌的状态下，淬火过程中PAG 随温度升高而析出附着，同时附着层又在搅拌力的作用下不断剥离降温溶解，两种过程不断重复。搅拌剥离使得PAG 附着层的厚度低于无搅拌状态时的厚度，同时搅拌使得PAG 在水中的溶解更加均匀，从而使试样表面的附着层相较于无搅拌状态下更加均匀。搅拌速度的提高使得试样表面的PAG 附着层剥离速度加快，试样淬入时的热量传递更加均匀，PAG 淬火液的冷却速度随搅拌速度的提高而加快。

由拉伸性能数据和硬度数据可知，不论有无搅拌，40 ℃都不是适宜的PAG 工作温度。在有搅拌状态下，适宜的PAG工作温度区间为25～35 ℃，搅拌速度为500～1 500 r/min。

2.3 试样显微组织分析

结合实验数据及金相情况，选择部分试样进行分析，试样显微组织如图3所示。

图3 试样显微组织Fig. 3 Microstructure of the sample

图3 a 中，试样的金相组织主要为马氏体，对比图3c 中试样的金相组织为板条状马氏体，晶粒大小均匀程度较好，说明低速搅拌下温度升高使PAG 淬火液冷却速度提升。两两对比图3b 和图3f以及图3d 和图3g，说明温度的升高降低了PAG溶液的冷却速率，形成的金相为珠光体。图3b分别与图3c、图3d、图3e两两对比，说明搅拌速度的提高提升了PAG 淬火液的冷却速率，使得试样的金相组织晶粒大小均匀，板条状马氏体明显。观察图3h可知，较高的PAG淬火液温度及搅拌速度下，试样生成的金相组织为片状马氏体，试样性能有所提升，但提升有限。

3 结论

（1）PAG 淬火液温度的提升会降低其冷却速率。PAG适宜的工作温度区间为25～35 ℃。

（2）在适宜的温度条件下，搅拌速度为 500～1 500 r/min 时，搅拌可加快PAG 淬火液的冷却速度。

（3）P A G 淬火液温度为2 5 ℃， 搅拌速度为1 000 r/min 时，淬火的40Mn 钢带试样综合性能最好，拉 伸 强 度 为1 725.8 MPa， 硬 度 为634.1 HV0.2，金相组织为板条状马氏体。