1聚合物淬火介质和WGY型淬火剂

.19No.3Vol

June1997　

聚合物淬火介质和WGY型淬火剂3

胡志东　李光银　范宏利(材料科学与工程系)摘　要　　介绍了聚合物淬火介质的一些共性特点,对新研制成功并已用于生产的WGY型淬火剂的特点及冷却特性进行了描述,并与国内外同类产品进行了比较。其结果表明,WGY型淬火剂是一种性能良好的新型水溶性淬火剂。

关键词　　聚合物淬火介质;WGY型淬火剂;冷却特性中图法分类号　　TG154.4

用聚合物淬火介质代替传统的水和油淬火的生产厂家,近几年日益增多,其品种有美国

笔者对这类介质的一些共Halfton公司、UnionCarbide公司的产品和国内新研制的一些产品。

性特点进行了评述,同时就笔者新研制并已用于生产的WGY型淬火剂作一介绍。

1　聚合物淬火介质的基本性能

各种类型的聚合物淬火介质,都是由不同分子结构的水溶性高分子聚合物和防腐、防锈等添加剂组成的粘性液体,使用时加水稀释成不同浓度的淬火液。调整介质的浓度、浴温并进行不同程度的搅拌,可使淬火液的冷却速度在很大范围内调整,冷却速度介于水、油之间,也可低于油的冷却速度,可满足不同材料淬火冷却的要求,用于浸入整体淬火或喷射表面淬火。1.1　聚合物淬火介质的理化性能

水溶性高分子聚合物,按其结构和在水中存在形式可分为直链和支链;离子型和非离子型。淬火介质中主要应用直链式聚合物,在水中溶解主要呈非离子型。聚乙烯醇、聚烷撑乙醇(PAG类)、聚乙烯吡咯烷酮都属非离子型,而聚丙烯酸钠(ACR类)属于阴离子型。

聚合物在水中的溶解特性,有逆溶性和无逆溶性之分,PAG类在水中溶解具有逆溶性。逆溶性是指这类聚合物水溶液温度升高到逆溶温度(也称浊点)以上时,聚合物不溶于水而析出,原来透明的水溶液变成白色混浊的乳状液。当介质温度下降至低于逆溶温度(浊点)时,聚合物又重溶于水,水溶液又恢复透明。逆溶性对淬火介质的冷却特性有重要影响。逆溶温度(浊点)一般在71～88℃之间。粘度是聚合物淬火介质的一项重要物理性能,也直接影响介质的冷却特性。不同分子结构的聚合物、不同浓度和不同介质温度的水溶液粘度都不同。介质粘度愈高,冷却速度愈低,工件淬火时带出的损失量愈大。

稿件收到日期:1996212203.　　3获机械工业部教育司科技进步一等奖.

胡志东,男,52岁,副教授,现从事材料科学方面的研究工作.工作单位:武汉汽车工业大学材料科学与工程系,武汉,

430070.

48武　汉　汽　车　工　业　大　学　学　报　　　　　　　　　1997年6月

　　防锈性和防腐性是聚合物淬火介质必须具备的化学性能,它们是依靠添加剂来完成的。但任何添加剂的加入不应对介质的粘度和冷却特性带来明显影响。介质应是无刺激性异味、无毒、不污染环境的水溶液。

各种聚合物淬火介质性能不完全相同,且不同厂家生产的淬火介质都加有各自不同的多种添加剂,因此不宜随便混合使用。1.2　聚合物淬火介质的冷却特性

聚合物淬火介质在工件淬火冷却过程中,遵循有物态变化淬火介质冷却过程的经典理论。工件的淬火过程一般分为蒸气膜、沸腾和对流3个阶段,同时存在某些特殊现象。

当赤热的工件淬入后,出现蒸气膜阶段,在蒸气膜周围包覆着一层厚度均匀的聚合物膜,聚合物浓度越高,这层膜越厚。聚合物的浊点越低,膜破裂所需时间越长。这一阶段工件依靠蒸气膜——聚合物膜的热辐射与传导散热,冷却速度缓慢,有利于减小热应力。

当膜一旦失去稳定而爆裂,冷却介质将直接与炽热金属接触而进入沸腾阶段,这一阶段蒸气从金属表面以气泡形式逸出,聚合物的作用在于使蒸气泡碎小,加快沸腾阶段冷速,冷速最快。介质的冷却能力由介质的汽化热、传热能力的大小决定。

介质温度降至沸点以下时进入对流阶段,此时各种类型的聚合物均将一定程度地重新溶入水中,使粘度升高。工件依靠传导与对流散热,冷速最慢。这一阶段,粘度的高低对冷速起着决定性作用。

评价淬火介质冷却特性常用冷却曲线和冷却速度曲线上几个特性值,如特性温度、最高冷却速度及所在温度、对流阶段开始温度及300℃时冷却速度。特性温度越高,对流开始温度越低,介质的冷却能力越强;最高冷却速度越大,介质的淬硬能力越强;300℃时的冷却速度越低,淬火变形开裂倾向越小。

工件在整个淬火过程中,由于聚合物的作用,使介质高温冷速低和低温冷速慢,与油相近,这有利于减小热应力和组织应力,使冷速均匀,从而获得均匀的硬度,同时可有效地减小变形和防止开裂倾向。

影响聚合物淬火介质冷却特性的主要参数是介质的浓度、温度和搅拌速度。增加聚合物介质浓度,工件周围的聚合物膜增厚,导致蒸气膜阶段延长,特性温度下降。当介质温度升高时,介质的冷速减慢。聚合物介质的最高使用温度随聚合物类型而不同。搅拌速度是影响聚合物介质使用效果的一个重要参数。搅拌将降低冷却时金属周围膜的稳定性,使冷却直接进入沸腾阶段。搅拌愈剧烈,介质特性温度愈高,冷速愈快。为提高淬火冷却均匀性,任何聚合物淬火系统均应搅拌。

1.3　聚合物淬火介质的老化

聚合物淬火介质应能长期使用不变质,冷却性能稳定,但淬火介质实际存在老化问题。聚合物淬火介质的老化是指聚合物淬火介质的使用性能在外界环境长期作用下产生劣变,大多数老化是由于聚合物的主化学链断裂所造成。

老化是介质在长期使用过程中受到氧化、热作用、化学物质浸入、机械应力和污染等复杂因素所造成。

老化使介质粘度降低,冷却特性恶化,400℃以下的低温冷速加快,变形开裂倾向增大,pH值下降,起泡量增加。

第19卷第3期　　　　　　　胡志东等:聚合物淬火介质和WGY型淬火剂49

介质的老化是由于长期使用产生的现象,建立正常的淬火槽管理制度,定期检测介质的冷却特性、浓度和粘度,补充新液,减少油类、盐类等污染,防止介质冷却特性的恶化。

2　WGY型水溶性淬火剂

WGY型水溶性淬火剂是笔者近年开发研究成功的一种新型水溶性淬火介质。它是利用

废物而再生的一种复合型淬火剂,其主要成份是无机盐和聚合物,可克服采用单一品种聚合物的某些缺点。2.1　性能特点

3

粘度为2′27″30(涂氏杯)、折射WGY型淬火剂浓缩液外观呈棕黑色,密度为1.15g󰃗cm、

率为1.3844、～9.5。pH值为8

①WGY型淬火剂主要原料立足于本地,其来源充足、价格低廉,1t常用浓度(12%)

6,是国产PAG产品(浓度12%)价格的1󰃗4。WGY水溶液价仅值1t油价的1󰃗

②WGY型淬火剂加水可配制成各种浓度的淬火液,颜色呈深棕色,均为低粘度的水溶

液,工件带出量损失小,技术消耗约2kg󰃗t。

③WGY型淬火剂无毒、无异味、不燃烧、对环境无污染和对淬火设备无腐蚀性。④经强烈淬火、耐老化试验及连续3年生产试验和技术检测证明,WGY型淬火剂长期使用不易变质、不易老化和冷却性能稳定。

⑤淬火工件表面形成一层蓝黑色保护膜,表面光洁,不带粘性残液,回火前不需清洗,在空气中放置一个月无锈蚀发生。

⑥介质使用浓度较同类产品低,且对浓度变化的敏感性不大,淬火质量稳定。⑦介质温度变化时,冷却性能波动较小,温度在60℃以下时,都能获得满意的淬火效果。⑧使用WGY型淬火剂淬火,无需改变加热工艺参数,它不仅比用油缩短了淬火冷却时间,而且对碳素工具钢零件淬火可减化操作工艺。

⑨WGY型淬火剂适用于中碳钢、中碳合金钢和高碳钢零件淬火。它主要适用于电阻炉、燃油炉、燃气炉淬火,盐浴炉加热的淬火有待进一步研究。2.2　WGY型淬火剂冷却特性

采用516mm×48mm纯银棒探头及微机测试系统测试冷却曲线,由冷却曲线得出特性温度、最大冷却速度及对应温度、300℃时的冷却速度来表示介质的冷却特性,并与测试条件基本相同的国内外PAG数据相比较,如表1所示。

①WGY型淬火剂的冷却能力可通过调节浓度进行控制。测试结果表明,当浓度为8%、10%、12%、15%时介质冷却性能相当于机械油;浓度为2%、4%、6%的介质冷却性能介于

水、油之间;浓度大于20%其冷却性能低于油的冷却能力。

②WGY型淬火剂在300℃时的冷却速度与国内外聚合物淬火介质相近或略低。其浓度为8%～20%时,150～400℃低温区间的平均冷却速度为43～106℃󰃗s,低于282A冷却介质的平均冷却速度44～250℃󰃗～200℃󰃗s,也低于国外PAM冷却介质的平均速度110s。这样,便能有效地防止工件热处理变形和开裂。2.3　实际应用效果

生产应用材料涉及中碳钢、中碳合金钢和某些工具钢,其零件有60Si2Mn钢汽车钢板弹

50武　汉　汽　车　工　业　大　学　学　报　　　　　　　　　1997年6月

簧、40Cr钢汽缸盖连杆螺栓,南京IVECO车差速器35CrMoV钢螺栓。

表1　WGY淬火剂与国内外聚合物淬火介质冷却性能比较工件在WGY型水

介质浓度介质型号最大冷却速度最大冷却速度所300℃时的冷溶液中淬火后回火,按

(%)在温度󰃗℃󰃗℃・s-1却速度󰃗℃・s-1

技术条件要求检查其硬

282A14772345.2

1014170250.0PAG度、金相组织和抽查螺栓抗拉强度。笔者作了

钢板弹簧总成疲劳试验。检查结果表明,其各项技术指标均达到了国标及部标的要求,与油(30℃)

文献[1]WGY

282APAG文献[2]UconeAQ251WGY

130120131123120145140116

61153072765067071273052263860155641763461068.041.036.32.50.47.47.46.34.30.57.38.

4005507000

15(30℃)282A102淬性能相近,且疲劳寿

20104PAG

命高于油淬1.55倍。可(30℃)文献[1]101

76WGY

见,WGY型淬火剂可

水341

替代矿物油淬火。若用油114于碳素工具钢零件淬　　注:PAG为国产聚合物淬火介质。

71.032.0火,则可替代常用的水、

油双液淬火工艺,可减化工艺操作。

3　结　论

WGY型淬火剂是采用废物再生利用研制成功的一种新型水溶性淬火剂,在其成份配方

上具有特色,是一种复合型淬火介质。其冷却特性与国内外聚合物淬火介质相近,且价格低,可替代矿物油淬火介质。应用WGY型淬火剂,能减少废物对江河的污染,对环保有十分积极的意义。

参　考　文　献

1　HilderNA.APumpAgitationSystemforAssessingtheCoolingCharacteristicsofQuenchants.Heat

TreatmentofMetals,1985,12(3)∶63

2　HilderNA.PolymerQuenchants——AReview.HeatTreatmentofMetals,1986,13(1):17～21

PolymerQuenchantsandWGYMedium

HuZhidong　LiGuangyin　FanHongli

(DepartmentofMaterialScienceandEngineering)

Abstract　　Dealswithsomecommoncharacteristicsofpolymerquenchantsandassessesthecoolingbehav2iorofthenewlydevelopedWGYmediumwhichisusedinproduction.Somedomesticandinternationalprod2uctswerecompared.ResultsshowthatanewWGYaqueoussolublemediumhasexcellentcoolingcharacter2.istics

Keywords　　polymerquenchants;WGYmedium;coolingcharacteristics

(本文责任编辑:赵迎红)