45鋼制曲軸是摩托車發(fā)動機的重要零件之一，它的作用是將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動，并在作功行程中連續(xù)承受活塞連桿組傳來的力而輸出扭矩。因此，曲柄在工作中既要承受很大的轉矩又要承受交變的彎曲應力，這就要求零件具有較高的強度、沖擊韌度、疲勞強度和耐磨性。
長期以來，生產廠生產加工摩托車曲軸的工序流程是：下料→工頻爐加熱→模鍛→預先熱處理（調質）→噴丸→粗加工→精加工→軸頸高頻感應淬火→浸“脫水防銹油”防銹→精磨加工→拋光→清洗→總裝。其中，賦予給零件高的疲勞強度和良好耐磨性的“軸頸高頻感應淬火”工序，長期以來一直使用5.0%NaCl鹽水溶液，以滿足零件的感應淬火技術質量要求，但鹽水介質嚴重銹蝕淬火件和并刺激人的皮膚，尤其是對周圍鄰近的數控磨床、鉆床、組合機床等高精度機械加工設備產生嚴重銹蝕而損壞設備的問題引起了企業(yè)的高度重視，期待尋找一種新型環(huán)保淬火冷卻介質以取代NaCl鹽水溶液，既能滿足工件感應淬火技術要求又要具有良好的防銹效果，且對人皮膚無刺激，最終取消 “浸脫水防銹油防銹”工序，以降低成本。
一、試驗材料及方法
1.試驗材料及感應淬火技術要求
試驗材料選用國內某鋼廠生產的45鋼熱軋棒材，化學成分見表1。圖1所示摩托車曲軸高頻感應淬火的技術要求為：①在軸頸長度37.5～40.0mm范圍內，表面硬度55～60HRC。②表層金相組織評級合格為3～7級。③有效硬化層深度為1.20～1.80mm。④過渡層寬度為0.30～0.45mm。
2.生產現場試驗方案及設備
試驗選擇的淬火冷卻介質有：自來水、5.0%NaCl鹽水溶液、5.0%Na2CO3水溶液、0.30%PVA水溶液、3.0%PAG-Ⅲ淬火液和5.0%濃度的HSY環(huán)保型類鹽水溶性淬火冷卻介質，以優(yōu)選出與5.0%NaCl鹽水溶液冷卻性能相近的淬火冷卻介質。
試驗采用的加熱設備為現生產中使用的100kW全固態(tài)高頻感應加熱電源，感應圈的內徑φ28mm×6匝、有效高度50mm，此次100個零件經預先調質熱處理（軸頸處硬度24～28HRC，距離表面1～7mm內回火索氏體級別為1～4級、心部5～6級）并經粗、精機加工后采用生產中使用成熟的高頻感應加熱淬火工藝參數為：將零件Φ118.5mm×18.4mm盤部朝上放入感應圈中，使工件桿部端面頂尖孔插入活動頂尖，按加熱功率1.40～1.45kW、加熱時間2.0～2.5s旋轉加熱后，快速浸入幾種淬火液中冷卻至100～200℃出液空冷自回火，淬火液的冷卻換熱裝置如圖2所示。
3.分析與檢測
依據ISO9950：1995（E）標準，采用瑞典ivf儀的Inconel600探頭測試了幾種淬火冷卻介質的冷卻特性；使用外園磨床將試件軸頸表面淬火部位磨光至Ra0.4～0.8μm，采用HR-150A洛氏硬度計測試了圖1所示零件軸頸淬火長度內上端、中部、下端三處位置的硬度，每處測三點取平均值；使用金相試樣切割機在零件淬火長度的中間部位垂直軸線截取長度為15mm的試樣，將一端磨平并對另一端截面經過拋光和4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在光學顯微鏡下觀察金相組織及評級，采用顯微維氏硬度計測量高頻感應淬火有效硬化層深度（DS）和過渡區(qū)寬度。參照《防銹試驗方法》，對選擇的淬火液進行防銹效果對比。
二、試驗結果與討論
1.淬火冷卻介質的冷卻性能
將Inconel600探頭加熱溫至855℃，快速浸入其液溫為30℃的被測介質中測得的幾種淬火液的冷卻性能典型值結果見表2，冷卻特性曲線見圖3。
由表2可見，從表征淬火冷卻介質高溫冷卻性能的典型值Tmax和Vmax來看，與5.0% NaCl鹽水溶液冷卻性能接近的是5.0%Na2CO3水溶液和5.0%HSY環(huán)保型類鹽淬火冷卻介質，其它的淬火液冷卻較慢，而Na2CO3水溶液淬火對操作人員的皮膚刺激性強且氣味嗆人、環(huán)保性能極差。
由圖3可知，從淬火冷卻介質的淬火硬化功來看,其5.0%濃度的HSY淬火冷卻介質與5.0% NaCl鹽水溶液非常接近，該介質不但具有較高的Tmax和Vmax值，而且低溫區(qū)的V300值卻略低于5.0% NaCl鹽水溶液，V300值較小則有利于防止出現淬火裂紋。
2.軸頸表面淬火硬度
在圖2所示的淬火槽中配制了5.0%HSY環(huán)保型類鹽淬火液約250kg,并對試件進行感應加熱淬火冷卻，并任意抽取5個零件將軸頸表面磨光，在洛氏硬度計上測試的硬度結果如表3所示。
淬火硬度測試結果表明，在工件軸頸規(guī)定長度內的淬火硬度值均可滿足技術要求，硬度值處于要求值的中上限，并且同一零件和不同零件的硬度散差值不大于2.0HRC，滿足JB/T9201-2007《鋼鐵件的感應淬火回火 表10：洛氏硬度偏差范圍》要求。
采用高頻感應加熱時，由于存在集膚效應，表面溫度迅速升高達到奧氏體化溫度而生成奧氏體組織，而后快速冷卻則轉變?yōu)轳R氏體組織，若淬火冷卻介質高溫冷卻性能差可造成冷卻不足，使組織中出現托氏體等非馬氏體，不僅淬火硬度低且不均勻，而且還縮短了淬火長度（如采用3.0%PAG-Ⅲ淬火液淬火冷卻，則零件軸頸部分淬火長度還不到28mm）。
3.金相顯微組織評定
在淬火試件表層處檢驗金相顯微組織及評定結果如表4所示。零件淬火金相顯微組織評定的馬氏體針大小級別為4～6級, 多數為5級細馬氏體，是感應加熱淬火的正常組織，滿足技術要求。在原材料、工件尺寸及原始組織狀態(tài)一定的情況下，若將感應加熱時間、功率及淬火冷卻等工藝參數略加變動，則可使顯微組織發(fā)生較大的變化，若加熱溫度過高引起馬氏體粗大，若淬火冷卻介質冷卻慢則造成冷卻不足使組織中出現網狀鐵素體、托氏體等非馬氏體組織。
在生產中應特別關注原始組織對感應淬火顯微組織馬氏體粗細的影響，對于重要零件要預先進行調質處理而得到回火索氏體組織，這樣經感應加熱淬火后就可得到比較細的馬氏體。
4.有效硬化層深度和過渡區(qū)寬度
采用硬度法測量而繪制出的硬度分布曲線中得出的零件有效硬化層深度（DS）和過渡區(qū)的寬度結果如表5所示,均滿足技術要求。
試件感應淬火后不同區(qū)域的硬度變化分布曲線見圖4，其表層硬度最高，然后向心部遞減。這是由于高頻感應加熱所具有的表面效應特性,使得高頻加熱時其溫度自鋼件表面向心部遞減。從圖4可以看到，表層淬火后得到全部的馬氏體組織，次表層得到馬氏體+鐵素體+托氏體，緊鄰次表層的區(qū)域產生二次過度回火，心部為原始組織。
5.HSY介質與NaCl鹽水介質的防銹效果對比
參照評價聚合物水溶性淬火冷卻介質防銹性能的方法，利用鑄鐵粉末表面積大和處于高濕度下易于生銹的狀況，以兩種淬火液在濾紙上留下不同程度的銹跡及顏色深度來評價兩種淬火液的防銹效果，其三組平行試驗的銹蝕結果見表6。結果表明，相同濃度下HSY溶液的防銹效果遠遠優(yōu)于NaCl鹽水溶液。
采用5.0%HSY淬火液冷卻的高頻感應淬火試件,淬火后放置在車間內的地板上，每間隔1h觀察該零件非加工面(Φ118.4mm×18.4 mm)和加工面開始出現銹蝕斑點的周期，并與原用5.0%NaCl鹽水溶液淬火零件的銹蝕狀況對比表明：在濕度較大的環(huán)境中，經HSY溶液淬火零件的防銹周期遠遠要大于NaCl鹽水溶液，至少放置一周不生銹，而原用NaCl鹽水溶液的淬火件放置3～4h就開始出現銹斑了。
三、HSY環(huán)保型類鹽淬火冷卻介質的特點、維護要點及應用
1.HSY淬火冷卻介質的主要特點
HSY水溶性淬火冷卻介質的主要理化性能見表7，不同濃度下該水溶液與自來水、5.0%NaCl鹽水溶液的冷卻特性曲線見圖5。
由圖5可以看出,在粉末狀的HSY淬火冷卻介質中加入不同量的自來水配制成3.0%～10.0%不同濃度的淬火液，隨著淬火液濃度的提高，最大冷速略呈上升的趨勢，V300低溫冷速基本保持不變，該淬火液的濃度變化對冷卻性能影響不大，有利于生產操作。
2.HSY淬火液的使用維護要點
（1）淬火液的液溫
與其他聚合物淬火冷卻介質相比，在一定的溫度范圍內，HSY淬火冷卻介質水溶液的最大優(yōu)點就是使用中液溫的變化對淬火液冷卻性能影響較小，其液溫變化對該淬火液冷卻性能的影響如表8所示，表明該淬火液可在較寬的范圍內使用，仍可保持良好的淬火冷卻效果。生產中推薦采用冷卻換熱系統(tǒng)（如：冷卻塔、板式換熱器、空氣冷卻器等），將淬火液溫度控制在10～60℃范圍內使用。
（2）淬火液濃度的檢測
對于HSY淬火液生產現場推薦采用婆美度計測量濃度，該方法簡單直接讀數即可，便于生產現場操作，根據該儀器的實際測量值，其現場濃度值可按下式確定：
W =1.0×B0
式中：W為被測淬火液的濃度值，%；B0為婆美度計測量值。根據生產情況，一般每1～3天測量一次濃度，當淬火液濃度低于工藝要求時，應及時補充HSY介質。
（3）淬火液的循環(huán)攪拌
對淬火液進行循環(huán)攪拌，不僅使得零件淬火硬度和硬化層均勻，還有助于延長淬火液的使用壽命。
（4）淬火液的防銹、防腐蝕性
HSY淬火液對零件及設備具有良好的防銹作用，零件淬火后可不經清洗直接回火，但對防銹周期要求在一周以上的零件應進行特殊的防銹處理。
（5）防止污染和定期清理
除了防止油污、粉塵及其他污染物混入淬火液中以外，還應根據淬火產量每2～4個月定期對淬火液進行過濾處理，特別是應避免淬火零件表面的污物帶入淬火液中。
3.批量生產應用
根據工藝試驗的結果和多次工藝驗證，一定濃度的HSY淬火冷卻介質能夠滿足45鋼摩托車曲軸高頻感應淬火的質量要求。重新調整加工流程為“下料→工頻爐加熱→模鍛→調質熱處理→噴丸→粗加工→精加工→軸頸高頻感應淬火→磨加工”，將此工藝在生產中的多臺設備上進行大量應用，經過幾個多月的跟蹤，累計生產20個爐批次共計約10000個零件，經正常抽樣檢查，其零件淬火質量指標和防銹效果均達到要求。
四、結論與建議
（1）一定濃度下的HSY環(huán)保型類鹽水溶性淬火冷卻介質的冷卻性能優(yōu)于自來水而與5.0%NaCl食鹽水溶液接近,特性溫度高、高溫區(qū)的冷卻速度快，可替代NaCl食鹽水溶液用于45鋼摩托車曲軸的高頻感應加熱后的淬火冷卻，其淬火硬度、有效硬化層深度、過渡層寬度、金相組織等質量指標滿足產品零件技術要求，這是目前其它聚合物淬火冷卻介質做不到的。
（2）HSY水溶性淬火冷卻介質具有優(yōu)良的防銹性能,其防銹周期為一周天左右，用于45鋼摩托車曲軸感應淬火冷卻可取消淬火后的“浸脫水防銹油”工序，簡化了零件加工工序流程和降低了生產成本。
（3）在一定的使用濃度和液溫范圍內，HSY淬火液的濃度和液溫變化對冷卻性能不敏感，可操作性好，淬火液的使用濃度一般為5.0%～8.0%,液溫控制不超過60℃,可替代NaCl食鹽水溶液和Na2CO3或NaOH堿水溶液，用于淬透性差的碳素結構鋼、碳素工具鋼件的淬火冷卻。
（4）生產中不但應對淬火零件的原材料進行分爐管理,還要特別重視感應淬火前的原始組織,對較重要零件建議采用調質預備熱處理,以確保零件經感應淬火后獲得優(yōu)良的組織和性能。
（5）對于感應淬火后需要進行磨削加工的零件，應注意其磨加工量不能大，以免破壞零件表面的應力分布，從而降低其疲勞強度。
