水溶性淬火介质KR9180在弹条扣件淬火中的工艺试验

刘 辉

(南京科润工业介质股份有限公司， 江苏 南京 211100)

弹条扣件是由弹条、螺栓和挡板组合而成，其作用是使钢轨与轨枕联结在一起，起到固定钢轨，使其处于正确的位置，阻止钢轨移动，防止钢轨发生倾翻的效果。同时还能提供必要的弹性和绝缘性能，对轨距、轨道水平有一定的调整能力。因此，弹条扣件是保证铁路安全的重要部件[1]。

淬火油是弹条热处理时常用的淬火冷却介质，具有淬火开裂倾向小、易维护、不腐蚀产品和设备等优势，但是使用淬火油时有油烟大、清洗难、安全风险高等缺点，随着国家对环境保护的日益重视，淬火油带来的问题也越来越凸显[2]。继续扩大推广使用水性淬火介质替代油性淬火介质是热处理行业“十四五”发展论坛提出的重点发展方向之一，寻找新型环保的水性淬火介质成为当前发展的趋势之一。

水性淬火介质具有成本低，无油烟，不燃烧，无火灾危险，劳动环境好等优势，目前能够替代油性淬火介质的水性淬火介质主要有无机类、聚烷撑二醇(PAG)类和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)类淬火介质等[3]。笔者通过走访多家企业了解到，无机类淬火介质具有工艺控制难度大、工件开裂风险高、淬火剂腐蚀性强(尤其是对设备)等缺点，而PAG类淬火介质的耐腐蚀性能较好，但依然存在开裂风险高的问题[4]。鉴于此，本文研究了PVP类有机淬火介质替代油性淬火介质在铁路弹条上的应用，以期解决油性淬火介质及其他类水性淬火介质带来的一系列问题。

1 试验材料及方法

1.1 KR9180淬火液的冷却性能

KR9180淬火液是一款成熟的环保型水溶性PVP类淬火剂，无逆溶性，其最佳使用温度为10～50 ℃，具有对工件、淬火槽、冷却循环系统有良好的防锈、防腐能力，不易老化变质，使用寿命长，使用过程中没有烟气产生，安全环保等特点。与其他聚合物淬火液一样，通过调整淬火液的浓度、液温和搅拌程度，可以获得不同的冷却速度，以满足不同产品的淬火需求[5]。

PVP类淬火剂具有优异的分子链长和抗剪切强度，其冷却性能与淬火油类似，广泛应用于中、高淬火透性材料[6]。图1为浓度为10%、15%的KR9180淬火液、浓度为10%的PAG淬火液及无机淬火液的冷却性能对比。通过图1可以看出，KR9180淬火液浓度达到15%时，最大冷速可以控制到120 ℃/s以下，低温冷速(300 ℃)也只有17.2 ℃/s，冷却速度已经十分接近于油，与PAG淬火液、无机淬火液相比冷速更慢，因此，KR9180淬火液作为中、高淬透性材料的淬火介质时优势更明显，在保证工件淬火硬度的均匀性和淬硬层深度的同时能够更好地控制产品开裂风险。

图1 不同淬火液的冷却曲线Fig.1 Cooling curves of different quenching liquid

1.2 弹条产品及技术要求

试验采用两种常用的弹条产品进行试验，分别为φ13 mm的60Si2CrA钢制弹条和φ18 mm的60Si2MnA钢制弹条，如图2所示。产品技术要求为淬火后硬度≥60 HRC；淬火组织主要为马氏体，有少量粒状或小块状残留铁素体和小块状贝氏体，并符合TB/T 2478—1993《弹条金相组织评级图》规定的组织级别；按照TB/T 2329—2002《弹条I型、11型扣件弹条疲劳试验方法》测试，弹条经500万次疲劳试验后不得折断，且残余变形≤1 mm。

图2 60Si2CrA弹条(a)和60Si2MnA弹条(b)示意图Fig.2 Schematic diagram of the 60Si2CrA spring rod(a) and 60Si2MnA spring rod(b)

根据弹条材质、尺寸大小及相关的技术要求，结合应用经验，配制浓度为15%的KR9180淬火液进行工艺试验，即将KR9180原液与自来水按照15%质量分数进行配制，使用前应确保淬火液搅拌均匀，同时避免其他化学品的混入。

弹条的生产流程为自动送料→感应加热→成形→余热淬火→回火，试验过程中控制加热温度为980～990 ℃，KR9180淬火液液温控制在20～50 ℃。按照此方案试生产了一批弹条产品，两种型号产品均未发生淬火开裂现象。

2 试验数据及结果

2.1 硬度检测

随机抽取两种型号弹条产品各1件，采用200HRS-150数显洛氏硬度计进行淬火硬度检测，检测方法按照GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准执行，在每个试件断面的圆心至1/2半径范围内测试3个点，并取算术平均值，测量结果如表1所示。由表1可知，两种弹条产品的硬度均满足技术要求。

表1 弹条产品的淬火硬度(HRC)

2.2 组织检测

采用AE2000MET光学显微镜观察两种弹条产品淬火件断面的圆心至1/2半径范围的显微组织，如图3所示。可以看出，60Si2CrA钢弹条的显微组织为针状马氏体，组织评级3级；60Si2MnA钢弹条的显微组织为针状马氏体，组织评级3级。两种弹条产品的显微组织均满足技术要求。

图3 60Si2CrA弹条(a)和60Si2MnA弹条(b)的淬火态显微组织Fig.3 Microstructure of the quenched 60Si2CrA spring rod(a) and 60Si2MnA spring rod(b)

2.3 疲劳检测

随机抽取两种型号弹条产品各6件(其中3件为备用试样)，采用铁路弹条疲劳试验机进行疲劳性能检测，检测方法按照TB/T 2329—2002《弹条Ⅰ型、Ⅱ型扣件弹条疲劳试验方法》执行。两种型号弹条试验件经过500万次以上疲劳试验后均未发生折断现象，且残余变形≤1 mm，符合技术要求。

3 结语

1) KR9180淬火剂的冷却特性更接近于淬火油，无逆溶性，具有防腐能力强，不易变质的特点，是一种新型环保的淬火介质。

2)采用浓度为15%的KR9180水溶性淬火剂代替油淬时，60Si2CrA和60Si2MnA弹条产品的硬度、显微组织及疲劳性能均能满足技术要求。