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

(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、熱穩定性好、防淬裂效果明顯、無毒、不污染金屬零件表面、便于清洗、節約能耗等特點的新型淬火劑［1～4］，在熱處理生產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氧乙烷和環氧丙烷通過無規則共聚反應制得［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.

在系統分析淬火劑主要成分對材料組織與性能影響規律的基礎上，本研究嘗試采用將性能穩定、黏度較小、相對分子質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律的影響，為實際生產工藝提供參考依據.研究中開發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(質量分數)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GB/T 7951標準的規定，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，根據繪制的溫度－時間的函數關系，讀取不同冷卻階段所用時間.根據繪制的冷卻速度與溫度的函數關系，得到最大冷卻速度、發生最大冷卻速度時所在溫度等特性參數.

表2 聚醚－乙二醇淬火劑的組成成分(質量分數)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域的金相組織.

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

2 實驗結果與討論

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，隨著聚醚淬火劑質量分數的增加，冷卻過程中蒸氣膜階段經歷［8］的時間明顯增長.淬火劑的質量分數和最大冷速、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整聚合物濃度加以調節.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，可以發現質量分數為5%～20%的聚醚－乙二醇淬火劑具有與質量分數為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，遵循有物態變化淬火介質冷卻過程的經典理論.淬火劑中的聚合物淬火時在高溫區析出，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，持續時間越長.淬火劑的質量分數和最大冷速、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整聚合物濃度來調節.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為試樣經質量分數為20%的聚醚淬火劑和質量分數為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，經聚醚－乙二醇淬火劑淬火后的鋼件的硬度V曲線沒有出現半馬氏體區(即硬度值變化平緩區域突然下降的點)，淬火后硬度值較高，硬度值變化趨勢平緩.出現這種現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20%的聚醚－乙二醇淬火劑淬火的試樣組織比經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，導致淬火劑質量分數對介質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生.

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

3 結論

(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生.

(2)聚醚－乙二醇的冷卻能力介于水與油之間，可通過調節濃度調節冷卻特性.聚醚－乙二醇的質量分數為20%的淬火介質的冷卻特性接近淬火油，這種物質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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