现代淬火液的发展

现代淬火液的发展淬火是将金属零件加热到相变温度以上，保温后在淬火介质中急剧冷却得到马氏体组织；从而达到提高或调整零件硬度和耐磨性的目的。在这个过程中要求淬火介质（淬火液）有良好的低变形性，低烧裂性，耐热性，洗净性，脱脂性，防锈性，冷却性，光亮性，等等一系列性能要求，通常淬火液按组成分为油基型和水基型两大类。油基淬火液最早采用的油是动植物油，其冷却能力较弱，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，时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，15～32＃粘度等级的机械油等。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，使用油一定的局限性。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。在油中加入如磺酸钠、磺酸钡、磺酸钙、环烷酸钙等添加剂，在淬火冷却时，添加剂粘在工件表面成为次女国货曾蒸汽泡的质点，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国务常用1％的米唑啉油酸钠和0.3％的T501，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。例如，在淬火用矿物油中添加2％～5％非离子乳化剂如壬基酚聚氧乙烯（6）醚，金属制品淬火后用水冲洗即可除掉矿物油。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（NaNO3、NaNO2、KNO3）、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）、聚氧乙烯二醇（GLY）和聚乙烯吡咯烷酮（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—碱性聚丙烯酸酯（ACR），其特点氏黏度较高，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，还有聚丙烯酰胺（PAM）、甲基纤维素（CMC）及高相对分子质量聚皂水溶液等新的淬火液品种。由环氧乙烷、环氧丙烷开环聚合制得的聚醚具有逆溶性，这乙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。当聚醚溶液被带入切削区域，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。其他单体时含C3~4的低级环氧化物，如环氧丙烷、四氧呋喃及磺氧丁烷的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镶嵌共聚物都可以称作“传统聚醚”。制备“传统聚醚”的起始剂时常用的醇类、胺类。国外已经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，而且已进入工业化生产和应用阶段。我国在这方面的研究起步较晚，许多产品仍需以来进口。近年来，研究较多的时改性聚醚。PAG淬火液是工业上应用较多的一种水及淬火液，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矢量的水配置而成的。特别对于寻求水－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性能几乎没有影响。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溶到淬火液中。回溶需要一定时间，而生产中往往等步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含量往往高于所有淬火液中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肥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步及PAG，应用也有限。PEO（聚乙烯基噁唑啉）淬火液AQ3610氏好富顿国际公司的专利产品，具有逆溶性，黏度大大低于PAG淬火液，从而减少了工件淬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AQ3610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。近年来，随着石油资源的日益紧缺以及人类共同对环保强调，大量的水基淬火液被广泛地用于热处理加工过程中，由上述聚乙烯醇(PVA)、聚亚烷基乙二醇(PAG)、聚氧乙烯乙二醇(GLY)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、碱性聚丙烯酸酯(ACR)、聚丙烯酰胺(PAM)、甲基纤维素(CMC)等含强极性基团的高分子聚合物为基础增稠剂组成的水基淬火液已成为今后的发展方向