有機(jī)聚合物淬火液的研究進(jìn)展

李松林, 李忠琳, 芮 斌

（武漢工程大學(xué) 研究設(shè)計(jì)院, 湖北 武漢 430074）

有機(jī)聚合物淬火液的研究進(jìn)展

李松林, 李忠琳, 芮 斌

（武漢工程大學(xué) 研究設(shè)計(jì)院, 湖北 武漢 430074）

有機(jī)聚合物淬火液由于其優(yōu)良的性質(zhì)，在金屬加工行業(yè)得到了越來越多的應(yīng)用。對(duì)淬火介質(zhì)的種類、有機(jī)聚合物淬火液的種類和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，指出了有機(jī)聚合物淬火液目前存在的問題，并展望了其未來的發(fā)展方向。

有機(jī)聚合物；淬火液；金屬加工

鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料，經(jīng)過熱處理后可以獲得不同的性能，其中冷卻工藝在鋼鐵的熱處理生產(chǎn)中具有重要地位，常見的冷卻處理工藝有正火、回火、退火、淬火等［1］。淬火是指先將工件加熱到相變或部分相變溫度并且保溫一段時(shí)間后，然后在淬火介質(zhì)中快速冷卻的處理工藝。經(jīng)過淬火工藝處理可以提高工件的綜合機(jī)械性能[2,3]，理想的冷卻過程曲線如圖 1所示[4]。

圖1 冷卻過程曲線Fig.1Coolingprocess curve

1 淬火介質(zhì)的種類

淬火介質(zhì)是進(jìn)行淬火操作的重要基礎(chǔ)，淬火冷卻工藝的關(guān)鍵是通過選擇合適的淬火介質(zhì)以得到理想的淬火性能，從而生產(chǎn)出滿足要求的工件成品[5,6]。

淬火介質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種，最常用的淬火介質(zhì)為液態(tài)淬火介質(zhì)，包括水、鹽或堿的水溶液、有機(jī)聚合物水溶液、礦物油等。

1.1 水

水是一種來源豐富、價(jià)格低廉的淬火介質(zhì)，其冷卻能力受水溫的影響很大。一般使用溫度為 20～40 ℃，當(dāng)水溫在 60 ℃以上時(shí)，其冷卻能力會(huì)出現(xiàn)明顯下降[7]。單一的水作為淬火液時(shí)冷卻特性并不理想，因此需要加入其它添加劑以調(diào)節(jié)其性能。

1.2 鹽或堿的水溶液

水中溶入鹽（如 NaCl）、堿（如 NaOH）等物質(zhì)后能在一定程度上加快冷卻速度。其中，堿水（NaOH）溶液作淬火介質(zhì)時(shí)能與工件表面發(fā)生反應(yīng)得到較好的外觀。但該溶液對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)，且對(duì)皮膚有刺激性。因此，堿水溶液未能在實(shí)際生產(chǎn)中作為淬火液廣泛應(yīng)用。

1.3 有機(jī)聚合物水溶液

有機(jī)聚合物淬火液是以高分子有機(jī)聚合物為主要成分經(jīng)復(fù)配而成的復(fù)合水溶液。其中，聚合物的種類、分子鏈的長度及使用濃度等對(duì)淬火液的性能都有較大的影響，但同時(shí)也說明，可以通過控制以上因素來調(diào)節(jié)淬火液的性能。

1.4 礦物油

礦物油是從石油中提煉得到的，礦物油在高溫區(qū)域的冷卻能力較低。目前一般是通過向礦物油中加入添加劑以提高其特性溫度。

綜上可知：水的冷卻能力較強(qiáng)，但冷卻特性并不理想；油的冷卻特性比較理想，但其冷卻能力有限；通過向水中添加有機(jī)聚合物可以改善其冷卻特性，有望得到具有較好性能的淬火液。水、油、聚合物淬火介質(zhì)的冷卻速度曲線如圖 2 所示[7]。有機(jī)聚合物淬火液不易燃、更安全、性能易調(diào)節(jié)[8]，因此而成為當(dāng)前淬火液領(lǐng)域研究的主要方向。

圖2 水、油、聚合物淬火介質(zhì)的冷卻速度曲線Fig.2 Cooling rate curves of water, oil andpolymer quenching media

2 高分子聚合物淬火液的種類

實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的聚合物淬火介質(zhì)主要有聚烷撐二醇(PAG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸鈉(SPA)、聚丙烯酰胺(PAM)等。在以上聚合物淬火介質(zhì)中，以p A G 為主要成分的淬火介質(zhì)的的應(yīng)用最為廣泛[9]。

2.1 聚烷撐二醇(PAG)

PAG 淬火劑是目前應(yīng)用最廣的聚合物淬火液[10]。該類聚合物淬火液的穩(wěn)定性較好，氧化降解性和老化速率相對(duì)較低。無煙、無毒、無腐蝕，能有效降低工件的開裂傾向[11]。PAG 淬火液具有最佳使用溫度范圍，一般為 20～40 ℃, 在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中需要有熱交換降溫裝置[12]。吳鵬等[13]以pAG 為主要原料制備了水性聚合物淬火液，該淬火液無毒、無油煙、不燃燒、使用安全，無環(huán)境污染。

2.2 聚乙烯醇(PVA)

PVA是最早使用的有機(jī)聚合物淬火劑，低濃度的pVA 淬火液的冷卻能力與水相近，高濃度的pVA淬火液的冷卻能力與油相近。在實(shí)際使用過程中需要控制好濃度，操作繁瑣，同時(shí)其穩(wěn)定性較差，易發(fā)臭，目前已很少使用。葉菊蘭等 研究了不同濃度的PVA 淬火介質(zhì)對(duì)鋼制剎車零件的性能的影響。結(jié)果表明，選用濃度為 0.3%～0.5%的pVA 淬火劑進(jìn)行淬火處理能夠滿足剎車零件的技術(shù)要求。

2.3 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)

PVP 淬火液的使用濃度一般不高，該類聚合物淬火介質(zhì)可以一定程度上代替淬火油，在應(yīng)用過程中對(duì)環(huán)境的污染小，且安全性良好。但是其本身分子鏈穩(wěn)定性較差，存在遇熱易分解的問題，因此在實(shí)際生產(chǎn)中并沒有被廣泛使用。

2.4 聚丙烯酸鈉(SPA)

SPA 淬火液的性能與使用濃度和分子量范圍有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中需要保持特定的分子量范圍，溶液中的其它金屬離子（如鈣離子、鐵離子、鎂離子等）會(huì)影響淬火液的黏度，造成維護(hù)和管理困難。李穎悟[15]開發(fā)了一種基于聚丙烯酸鈉的水溶性聚合物淬火劑，可用于鍛造、鑄造、軋制制造中的可控淬火或二次加熱時(shí)的可控淬火，具有無毒、無味、無污染等優(yōu)點(diǎn)，且成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.5 聚丙烯酰胺(PAM)

PAM 淬火液化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，使用安全，對(duì)工件設(shè)備無腐蝕，可用于大型工件的淬火。但該類淬火液在堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性相對(duì)較差，容易發(fā)生水解[16]，因此使用范圍有限。

2.6 其它

以其它高分子聚合物為原料的淬火液也有報(bào)道，但實(shí)際應(yīng)用的并不多。如馮紹康[17]以羧甲基纖維素鈉為主要原料制備了一種水溶性有機(jī)淬火劑，具有配方簡單、成本低、使用方便、易清洗等優(yōu)點(diǎn)；陳守介[18]介紹了以聚乙二醇(PEG)為主要成分的聚合物淬火液，具有無刺激性、防銹性能優(yōu)良、泡沫少、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

以上幾種常見聚合物淬火液的性能比較如表 1所示。

3 聚合物淬火液目前存在的問題及未來的發(fā)展方向

聚合物淬火介質(zhì)一般具有不燃燒、無毒、無腐蝕、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊，但同時(shí)也存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）聚合物淬火介質(zhì)對(duì)溫度和濃度比較敏感，使用溫度范圍和濃度范圍較窄。在使用的過程中需要對(duì)溫度和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，操作較繁瑣。

（2）聚合物淬火介質(zhì)的淬火性能有限，目前還不能夠?qū)嶋H完全代替油淬火。

（3）水溶性聚合物淬火液容易滋生細(xì)菌，會(huì)加速淬火液的老化并影響其性能。實(shí)踐表明，配制用水會(huì)對(duì)聚合物淬火液的使用性能造成影響[20-21]。

（4）為了充分發(fā)揮聚合物淬火液的性能，在使用過程中需保持淬火液體系的清潔，維護(hù)比較麻煩[22]。

表1 常見聚合物淬火液原料的性能比較[19]Table 1performance comparison of raw materials for commonpolymer quenching liquid

聚合物淬火介質(zhì)的應(yīng)用前景廣闊，為最大程度地提升和發(fā)揮聚合物淬火劑的性能，需要對(duì)聚合物淬火介質(zhì)的組成和應(yīng)用做進(jìn)一步的研究。同時(shí)還要不斷創(chuàng)新、提高質(zhì)量、降低成本，開發(fā)出各種類型和性能的淬火液以滿足市場需求。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)淬火液的管理與維護(hù)，保證其高效、清潔、安全的應(yīng)用[23-26]。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)淬火介質(zhì)的要求越來越高，傳統(tǒng)的淬火介質(zhì)將會(huì)逐漸被市場淘汰。開發(fā)新型環(huán)保、高效的聚合物淬火介質(zhì)將具有重要意義[27]。隨著研究的深入和有機(jī)聚合物淬火介質(zhì)性能的不斷提高，有機(jī)聚合物淬火介質(zhì)在熱處理領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛。

［1］王慧峰.切割鋼線生產(chǎn)過程中水基聚合物淬火工藝研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34(36):109-110.

［2］王先會(huì).金屬加工油劑應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中石化出版社,2005:123.

［3］張曉軍, 閆焉服, 宋克興, 等. F2000 水基淬火液濃度對(duì)其冷卻特性 曲 線 及 42CrMo 鋼 性 能 的 影 響 [J].金 屬 熱 處 理 ,2011, 36(11): 116-119.

［4］ 崔忠? .金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:295-300.

［5］宋從真,胡少濤,楊秀成,等.PAG 淬火介質(zhì)在齒輪滲碳淬火中的應(yīng)用[J]. 熱處理技術(shù)與裝備,2014,35(2):63-64.

［6］楊俊偉.PAG 水溶性淬火液在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2015, 30 (4):76-77.

［7］胡紹文,李衛(wèi)明,劉麥秋.水溶性淬火介質(zhì)[J].熱加工工藝,2006, 35 (16): 75-77.

［8］王玉林,溫志高,杜建波,等.水基淬火液用于汽車軸管零件的淬火冷卻[J].熱處理,2004,19(3) : 49-51.

［9］新型聚合物：安全淬火介質(zhì)將成為石油產(chǎn)品的替代品[J].熱處理/鍛壓/鑄造,2014(23):96-97.

［10］何林 軍 ,陳立 功 .聚烷撐 二 醇 淬火液的 研 制 [J].合成潤 滑 材 料, 2014,41(1):1-3.

［11］曲德毅.新型淬火介質(zhì)在合金鋼中的應(yīng)用[J].熱處理技術(shù)與裝備, 2013,34(1):51-54.

［12］陳希原.pAG 淬火劑的使用要點(diǎn)及典型應(yīng)用實(shí)例[J]. 熱處理技術(shù)與裝備, 2006,27(2):51-55.

［13］吳鵬,汪小龍.合成型水性淬火液及其使用方法: CN, 102816905B [P].2014-07-02.

［14］葉菊蘭,張連榮,李東生.合成淬火劑pVA 在鋼制飛機(jī)剎車零件熱處理中的應(yīng)用[J].材料工程,1998(8):14-15.

［15］李穎悟.水溶性聚合物淬火劑: CN,1076220A [P].1993-09-15.

［16］尹麗娜.紡紗鋼絲圈水基清潔淬火液研究[D].無錫:江南大學(xué),2009.［17］馮紹康.一種水溶性有機(jī)淬火劑的配制方法: CN, 1084573A [P]. 1994-03-30.

［18］陳守介.高分子聚合物淬火介質(zhì)與應(yīng)用管理[J].國外金屬熱處理, 1996, 18(1/2):109-114.

［19］徐安達(dá).聚合物淬火介質(zhì)[J].國外金屬熱處理,1986(5):50-56.

［20］張康夫,王余高,屠偉剛,等.水基金屬加工液[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:174-175.

［21］唐在興,薄鑫濤.代油有機(jī)聚合物淬火介質(zhì)的使用[J].熱處理技術(shù)與裝備,2009,30(5):68-70.

［22］陳希原.PAG 類聚合物水溶性淬火介質(zhì)的選擇、應(yīng)用及維護(hù)[J].四川兵工學(xué)報(bào),1999,20(1):43-46.

［23］蓋麗芳,尚會(huì)建,彭麗敏,等.水溶性聚合物淬火介質(zhì)及其發(fā)展[J].河北工業(yè)科技,2006,23(4):257-259.

［24］李強(qiáng).熱處理淬火冷卻介質(zhì)及其新發(fā)展[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 12(2):30-33.

［25］解輝.熱處理淬火介質(zhì)及其發(fā)展前景的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械, 2005 (1): 84-85.

［26］李茂山,張克儉.熱處理淬火介質(zhì)的新進(jìn)展[J]金屬熱處理, 1999 (4): 39-42.

［27］陳銳.鋼鐵工件控制淬火工藝研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2006.

Researchprogress of Organicpolymer Quenching Liquid

LI Song-lin, LI Zhong-lin, RUI Bin
（Research and Design Institute of WIT, Hubei Wuhan 430073, China）

The organicpolymer quenching liquid has been wildly used in the metalprocessing industry because of its excellentproperties. In thispaper, types of quenching media, types of organicpolymer quenching liquid and researchprogress were reviewed. The existingproblems of organicpolymer quenching liquid werepointed out, and the future development direction of organicpolymer quenching liquid wasprospected.

Organicpolymer; Quenching liquid; Metalprocessing

TQ 325

： A

： 1671-0460（2017）02-0316-03

2016-10-11

李松林（1985-），男，湖北松滋人，碩士，工程師。E-mail：lslwhu@qq.com。

李忠琳，碩士，工程師。E-mail: 63232152@qq.com。