添加乙二醇對聚醚淬火劑冷卻特性的影響

祖國胤，王漪瓊，張精華，盧日環(huán)

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

聚醚型水溶性淬火劑是一類具有逆溶性、冷卻速度可調(diào)、熱穩(wěn)定性好、防淬裂效果明顯、無毒、不污染金屬零件表面、便于清洗、節(jié)約能耗等特點的新型淬火劑［1～4］，在熱處理生產(chǎn)中有廣泛的應用前景.已報道的聚醚型水溶性淬火劑通常由環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷通過無規(guī)則共聚反應制得［5，6］，但其成本價格較高，且存在易老化、淬火后工件硬度均勻性不足等缺點.

在系統(tǒng)分析淬火劑主要成分對材料組織與性能影響規(guī)律的基礎上，本研究嘗試采用將性能穩(wěn)定、黏度較小、相對分子質(zhì)量較低的乙二醇添加到聚醚淬火劑中，以期顯著改善淬火劑的冷卻性能.

1 實驗材料及方法

本文主要研究乙二醇對聚醚淬火劑冷卻特性的變化、淬火后工件的硬度均勻性和淬火劑老化規(guī)律的影響，為實際生產(chǎn)工藝提供參考依據(jù).研究中開發(fā)的聚醚淬火劑的成分如表1所示.

表1 聚醚淬火劑的組成成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 The components(mass fraction)of polyether quenching medium %

為了改善聚醚淬火劑的性能，向其中加入乙二醇配制聚醚－乙二醇淬火劑，其成分如表2所示.

1.1 測定冷卻曲線

根據(jù)GB/T 7951標準的規(guī)定，將一個幾何中心裝有Inconel 600合金熱電偶的熱探頭加熱到800℃并保溫5 min［7］，然后分別淬入2 L不同濃度的聚醚淬火劑和聚醚－乙二醇淬火劑中并冷卻到室溫.測試完畢后將探頭從淬火液中移出，根據(jù)繪制的溫度－時間的函數(shù)關(guān)系，讀取不同冷卻階段所用時間.根據(jù)繪制的冷卻速度與溫度的函數(shù)關(guān)系，得到最大冷卻速度、發(fā)生最大冷卻速度時所在溫度等特性參數(shù).

表2 聚醚－乙二醇淬火劑的組成成分(質(zhì)量分數(shù))Table 2 The components of polyether－glycol quenching medium %

1.2 測定冷卻硬化能力

將尺寸為Ф30 mm×100 mm的圓柱形40Cr試樣加熱到820℃保溫30 min后，經(jīng)聚醚淬火劑和聚醚－乙二醇淬火劑淬火，試樣的成分如表3所示.將淬火后的試樣截斷為兩個相等的部分，端部磨光后沿截面直徑每隔2 mm測量其硬度，通過硬度V曲線來分析工件的硬度均勻性及淬火劑的硬化能力.試樣冷卻后在中心位置切斷，在截面上中心處標記并觀察該區(qū)域的金相組織.

表3 40Cr鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 3 The chemical composition(mass fraction)of 40Cr steel %

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 淬火劑的冷卻曲線

聚醚淬火劑冷卻過程的冷卻曲線如圖1所示.從圖中可以看出，隨著聚醚淬火劑質(zhì)量分數(shù)的增加，冷卻過程中蒸氣膜階段經(jīng)歷［8］的時間明顯增長.淬火劑的質(zhì)量分數(shù)和最大冷速、最大冷速溫度、特性溫度成反比，和特性時間成正比(最大冷速代表冷卻過程中熱交換最劇烈時工件每秒能夠下降的溫度;最大冷速溫度是產(chǎn)生最大冷速時所處溫度;特性溫度代表冷卻第一階段和第二階段的交點;特性時間代表到達特性溫度的時間).因此，聚醚淬火劑的冷卻速度可以通過調(diào)整聚合物濃度加以調(diào)節(jié).不同濃度聚醚淬火劑在300℃時冷速均小于50℃/s，表明馬氏體相變不易引起淬火工件的變形開裂.此外，冷卻曲線顯示高濃度聚醚淬火劑的冷卻特性和淬火油較為相似［9］.

圖1 10%～40%的聚醚淬火劑的溫度－時間、溫度－冷卻速度曲線Fig.1 The temperature－time and temperature－cooling velocity cooling characteristics of polyether quenching medium with concentration of 10%～40%

聚醚－乙二醇淬火劑冷卻過程的冷卻曲線如圖2所示.結(jié)合圖1所示的聚醚淬火劑的冷卻曲線進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)為5%～20%的聚醚－乙二醇淬火劑具有與質(zhì)量分數(shù)為10%～40%的聚醚淬火劑相似的冷卻特性.與聚醚淬火劑不同的是，聚醚－乙二醇淬火劑的冷卻第一階段所經(jīng)歷的時間受濃度的影響變小，淬火劑最大冷速范圍為80～120℃/s，與聚醚淬火劑相比，聚醚－乙二醇淬火劑的最大冷速范圍更寬，可適應更為廣泛的淬火工件尺寸及淬火后組織要求.

圖2 5%～20%的聚醚－乙二醇淬火劑的溫度－時間、溫度－冷卻速度曲線Fig.2 The temperature－time and temperaturecooling velocity cooling characteristics of different concentration polyether－glycol quenching medium with concentration of 5%～20%

聚醚－乙二醇淬火劑在工件淬火冷卻過程中，遵循有物態(tài)變化淬火介質(zhì)冷卻過程的經(jīng)典理論.淬火劑中的聚合物淬火時在高溫區(qū)析出，可在工件表面起浸潤作用，促使蒸氣膜較快破壞.當聚合物濃度增大時，在淬火過程中在工件表面形成沉積膜，起到隔熱層的作用.濃度越大聚合物含量越多，在冷卻第一階段即蒸氣膜階段所形成的蒸氣膜越厚，隔熱性越好且不易破裂，所以經(jīng)歷的時間越長導致冷卻速度下降.聚合物濃度越高，沉積膜的厚度越厚，冷卻過程中第二冷卻階段的初始溫度就越低，持續(xù)時間越長.淬火劑的質(zhì)量分數(shù)和最大冷速、最大冷速溫度、特性溫度成反比，和特性時間成正比.因此，淬火劑的冷卻速度可以通過調(diào)整聚合物濃度來調(diào)節(jié).沉積膜的存在使散熱比較均勻，從而可消除軟點，并減小工件的內(nèi)應力，防止工件變形.乙二醇的黏度比一般聚合物的小，因此淬火過程中聚合物膜穩(wěn)定性變差，能夠提高淬火劑的冷卻能力，并且工件的重復進出所造成的聚合物損耗變小，提高淬火劑耐老化能力.

2.2 硬度均勻性

圖3為試樣經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為20%的聚醚淬火劑和質(zhì)量分數(shù)為20%的聚醚－乙二醇淬火劑淬火后的硬度V曲線.從圖中可以看出，與聚醚淬火劑相比，經(jīng)聚醚－乙二醇淬火劑淬火后的鋼件的硬度V曲線沒有出現(xiàn)半馬氏體區(qū)(即硬度值變化平緩區(qū)域突然下降的點)，淬火后硬度值較高，硬度值變化趨勢平緩.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于向聚醚淬火劑中添加乙二醇后，由于乙二醇的黏度小，當冷卻第二階段到來時聚合物膜能夠迅速破裂完全，試樣上潤濕面推移速度變快，具有更好的重潤濕性［10］，且乙二醇薄膜不如聚醚類薄膜堅固，易溶解，能夠顯著提高淬火劑的冷卻硬化能力和工件的硬度均勻性.

圖3 經(jīng)20%聚醚淬火劑和聚醚－乙二醇淬火劑淬火后試樣的硬度V曲線Fig.3 Hardness V curve of sample after quench in 20%polyether quenching medium and polyetherglycol quenching medium

圖4為經(jīng)20%的聚醚淬火劑和聚醚－乙二醇淬火劑淬火后試樣截面上中心位置的金相照片，由圖中可以看出金相組織均為針狀馬氏體和殘余奧氏體的混合物.相比之下，經(jīng)20%的聚醚－乙二醇淬火劑淬火的試樣組織比經(jīng)聚醚淬火劑淬火的試樣組織更加均勻，馬氏體［11］尺寸更加細小.

向聚醚淬火劑中添加乙二醇后，形成的聚合物膜對工件的潤濕作用變強，導致淬火劑質(zhì)量分數(shù)對介質(zhì)冷卻過程中蒸氣膜階段的影響減弱，這非常有利于提高淬火劑的高溫冷卻速度，抑制淬火工件中先共析鐵素體的產(chǎn)生.

圖4 經(jīng)20%聚醚淬火劑和聚醚－乙二醇淬火劑淬火后試樣中心區(qū)域金相組織Fig.4 Microstructures of sample after quench in 20%polyether quenching medium and polyether－glycol quenching medium

3 結(jié)論

(1)向聚醚淬火劑中添加乙二醇，形成的聚合物膜對工件的潤濕作用增強，所以濃度對介質(zhì)冷卻過程中蒸氣膜階段的影響減弱，有利于提高高溫冷卻速度，抑制40Cr鋼的先共析鐵素體產(chǎn)生.

(2)聚醚－乙二醇的冷卻能力介于水與油之間，可通過調(diào)節(jié)濃度調(diào)節(jié)冷卻特性.聚醚－乙二醇的質(zhì)量分數(shù)為20%的淬火介質(zhì)的冷卻特性接近淬火油，這種物質(zhì)是良好的礦物油替代品.

(3)向聚醚淬火劑中添加20%乙二醇，可以提高淬火劑的最大冷速到120℃/s，淬火劑冷卻硬化能力增強，且有效地提高了工件的硬度均勻性.

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