热处理用液态淬火介质的过去及未来发展

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1淬火液
淬火液即液态淬火介质，是国内外广泛应用的冷却介质。按基本组成可分为水基型和油基型。
1．1油基淬火液
最早采用的油是动植物油，其冷却能力较水弱，但仍具有足够的冷却能力，且油温度升高时对淬火能力影响不大，是较为理想的淬火介质。由于价格及原料来源的限制，工业上多采用矿物油，如0#柴油，10#、20#、30#机械油等。矿物油随黏度、闪点不同其冷却能力不同，使用温度也不同。由于其冷却速度较缓慢，对截面较大的碳钢及低合金钢不易淬硬，而且材料表面易玷污，使用有一定的局限性。为改善油的冷却能力，可采用适当提高油温(通常在80℃以下的范围内调节)、强烈搅拌循环及加入添加剂等方法。在淬火冷却时，添加剂粘在工件表面成为形成蒸汽泡的质点，使稳定蒸汽膜不易形成，提高了高温区的冷却能力，这种油称为“快速淬火油”。此外，在轻油及用溶剂精炼法提取的淬火油中加入热稳定剂、无灰分的表面活性剂，可以使工件淬火后表面迅速被油膜包覆浸润而不致在表面沉积炭黑，从而使工件淬火后表面光亮洁净，这种油称为“光亮淬火油”。另外，矿物油中加入表面活性剂可使金属淬火均匀，并有利于淬火后矿物油的清洗。

1．2水基淬火液

水是最经济的淬火介质。其化学稳定性很高，热容量较大。但纯水在高温区的冷却能力并不强，而在300℃附近冷却能力却很大，因此，纯水的冷却特性恰恰与我们要求的理想淬火介质的特性相反，这正是纯水极少使用的原因。常用的水基淬火液有盐水、碱水、饱和氯化钙、三硝水溶液(NaN03、NaN02、KN03)、有机高分子水溶液等。

20世纪50年代末期美国提出了无毒、无臭、不燃和冷却性能在水油之间、可调的聚乙烯醇(PVA)水溶液淬火介质，以后又发展为聚亚烷基乙二醇(PAG)、(GLY)和(PVP)等有机高分子聚合物水基淬火液。70年代末期又研制出适用于贝氏体淬火的非马氏体淬火液——(ACR)，其特点是黏度较高，适用于等温淬火、锻件热锻淬火、高速钢及马氏体不锈钢的淬火。此外，还有(PAM)、及高相对分子质量聚皂水溶液等新的淬火液品种。高分子聚合物水溶液已成为淬火介质的主要发展方向。上述高分子聚合物都含有强极性基团，又有疏水部分，因此具有高分子表面活性剂的特性j它们在淬火液中主要作为基础增稠剂。

由环氧乙烷、环氧丙烷开环聚合制得的聚醚具有逆溶性，这一性质使它在水基金属加工液(如切削液、磨制液、淬火液)中发挥了优良的润滑作用。当聚醚溶液被带人切削区域，遇到热的金属表面时，液体温度很快升到高于聚醚的浊点。这时，聚醚即从水中析出，形成油一样的微小液滴，这些液滴在金属表面形成薄的润滑油膜，起到流体润滑作用。试验证明，当温度高于浊点时，5％的聚醚溶液与该聚醚的浓缩液具有相同的润滑性能。在常温下，聚醚易溶于水，其水溶液具有许多淬火液所要求的优良性能，故在淬火液中得到广泛应用。制备“传统聚醚”所用单体必须包括环氧乙烷，其质量分数在整个分子中的含量最好在70％～90％，至少占10％。也可以只用环氧乙烷一种单体。其他单体是含C3～。的低级环氧化物，如环氧丙烷、四氢呋喃及环氧丁烷的2种异构体等。“传统聚醚”的相对分子质量多为2万左右，属于中高相对分子质量范畴。它的制备多采用“分步合成法”，即先按一般方法用环氧丙烷、环氧乙烷合成相对分子质量为几百至几千的聚醚，然后用这种聚合物作起始剂与单体继续聚合制得较高相对分子质量的聚醚。重复上述步骤几次就可以得到所需相对分子质量的产物。环氧乙烷与另一种单体的杂聚共聚物和嵌段共聚物都可以称作“传统聚醚”。制备“传统聚醚”的起始剂是常用的醇类、胺类。国外已报道了大量关于水基淬火液用聚醚的合成及其应用的专利，而且已进人工业化生产和应用阶段。我国在这方面的研究起步较晚，许多产品仍需依赖进口。近年来，研究较多的是改性聚醚。制造改性聚醚的步骤一般可分为：“传统聚醚”制备，然后对“传统聚醚”进行封端两步。也有文献报道用a-烯烃氧化物与环氧丙烷、环氧乙烷杂聚实现聚醚改性，但最好使用封端技术。

PAG淬火液是工业上应用较多的一种水基淬火液，是以特定的聚醚类非离子型高分子聚合物(PAG)加上能获得其他辅助性能的复合添加剂和适量的水配制而成的。特别对于寻求水一油之间冷速的中低淬透性钢，PAG是较理想的淬火液。使用PAG淬火剂的目的就是调节水的冷却特性。在淬火过程中，PAG成膜迅速，冷却能力可随浓度的调整而变化，淬火硬度均匀，淬火后无需清洗即可直接回火。淬火液的冷却特性决定于其中PAG组分的特性和数量。其他提供辅助性能的添加剂对淬火液的冷却特性几乎没有影响。但在淬火生产中，工件带出及受高温氧化分解都会使PAG聚合物的量减少。淬火过程中，工件周围液温升高，PAG聚合物从溶液中脱溶出来并靠其润湿性以富水的包膜形式黏附在工件表面上，从而调整工件的冷却速度。工件冷却下来后，黏附在工件表面的聚合物又会回溶到淬火液中。回溶需要一定时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就将工件从淬火液中取走。因为工件带出的液体中PAG含量往往高于所用淬火液中PAG的平均浓度。长期、大量淬火后，淬火液中PAG的相对浓度必然逐渐降低。另外，PAG具有很高的化学稳定性，在室温下与一般的酸碱不发生反应，只有在250℃的高温且又有氧存在的条件下才被氧化分解。淬火过程中，黏附在工件表面的PAG聚合物膜大部分可以因为其中及其周围的水分被气化而保持在不高于水沸点的温度。但紧接工件表面的部分仍然可能升到更高的温度而发生氧化分解，导致PAG含量降低。这样淬火液中其他添加剂组分的相对含量将随之升高，最终影响淬火效率。

PAG淬火液用于铝合金淬火有显著的优越性，对于铝板的淬火效率比热水淬火的效率减少60％。然而PAG淬火液在多数钢件马氏体转变区的冷速比油快，因此对高合金钢的调质有一定的局限性。
PVP、ACR淬火液是为弥补PAG的上述不足而开发的，但这两种聚合物无逆溶性，淬火后粘在工件表面的聚合物需清洗，加上其工艺性和稳定性不及PAG，应用也有限。PEO(聚乙烯基嚼)淬火液是xx国际公司的产品，具有逆溶性，黏度大大低于PAG淬火液，从而减少了工件谇火后带出聚合物的量。而且具有独特的冷却性能，在300℃的冷速与油基淬火液一样慢，而在高温区冷速又比油快。5％～25％的淬火液可以满足从感应淬火到大锻件、铸件调质处理的冷速要求，淬火后无需清洗即可直接回火。

huqiren

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chener159

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