專利名稱：水溶性淬火介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水溶性淬火介質(zhì)，屬于熱處理淬火介質(zhì)。
背景技術(shù)：
近年來，許多發(fā)達(dá)國家對水溶性淬火介質(zhì)的研究取得了飛速發(fā)展，各類新型的水溶性淬火介質(zhì)應(yīng)運而生，并在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但使用濃度普遍較高。例如，某進(jìn)口品牌的水溶性淬火A推薦應(yīng)用于整體淬火時的使用濃度18～20％；某合資品牌的水溶性淬火B(yǎng)推薦應(yīng)用于高頻淬火時的使用濃度12～16％。
目前零件傳統(tǒng)熱處理工序使用的淬火介質(zhì)仍主要為油類或自來水。油淬主要用于淬裂傾向大的中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，由于油的冷速較緩，所以經(jīng)常出現(xiàn)淬火不硬或淬硬層淺等問題；低溫水主要用于淬裂傾向小的碳結(jié)構(gòu)鋼的淬火，一般能夠滿足要求，而熱水主要用于淬裂傾向大的碳結(jié)鋼以及淬裂傾向小的合金結(jié)構(gòu)鋼。由于水的特性是在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域冷速較快，而提高水溫又使蒸汽膜階段過長，這種工藝條件在實際生產(chǎn)中很難控制，無法避免淬火零件裂紋的現(xiàn)象，同時也存在淬火不硬或淬火不均(淬火軟點)等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水溶性淬火介質(zhì)。水溶性淬火介質(zhì)的冷速介于油和水之間，可以克服油和水的上述缺點，同時這類介質(zhì)與油相比具有無毒、無有害氣體產(chǎn)生、成本低等特點，同時也改善了工人的工作環(huán)境、節(jié)約石油資源、提高熱處理質(zhì)量、并且使壽命延長、淬火質(zhì)量更穩(wěn)定。
該水溶性淬火介質(zhì)是由適量的聚醚高分子混合物，表面活性劑，無機(jī)鹽，殺菌劑，自來水組成。本發(fā)明所涉及的水溶性淬火介質(zhì)混合物的百分比為分子量為4000～15000的聚醚為45～55％、表面活性劑為0.05～0.1％、無機(jī)鹽0～2.0％、無機(jī)堿0～0.6％，殺菌劑200ppm、自來水余量。水溶性淬火介質(zhì)用于碳鋼的整體淬火的最低濃度為4～6％、用于碳鋼的高頻淬火的最低的濃度為8～12％。
為實現(xiàn)上述目的，首先選用的原料是聚醚成份，這種成份可以在溫度為150～180℃，壓力為0.3～0.4Mpa的反應(yīng)條件下，以NaOH的稀溶液為催化劑，以水為引發(fā)劑，采用環(huán)氧乙烷以間歇式加成聚合反應(yīng)的工藝制成分子量在4000～15000之間不同分子量的高聚物的混合物。其中，低分子量的聚合物有助于改善淬火時該液體在零件表面上的潤濕性能，而高分子量的聚合物成份有助于改善淬火時該液體在高溫時的冷卻穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)過快的冷卻，避免出現(xiàn)淬火裂紋，提高使用性能。
水溶性淬火介質(zhì)的冷卻過程包括蒸汽膜階段、沸騰膜階段和對流階段。
對于聚醚水溶性淬火介質(zhì)來講它還有另一個重要特性即逆溶性。所謂逆溶性是指水溶性淬火介質(zhì)水溶液的工作溫度超過一定數(shù)值后，原來呈溶解狀態(tài)的聚醚分子的溶解能力降低，轉(zhuǎn)變成析出狀態(tài)。當(dāng)零件淬火時，由于零件表面的高溫(≥800℃)可迅速使淬火件表面及周圍的淬火介質(zhì)的溫度升高達(dá)到其逆溶點以上，原來呈溶解狀態(tài)的聚醚便從溶液中析出，并在零件表面形成一層均勻的薄膜，生成一層‘隔熱屏障’。
雖然‘隔熱屏障’是不良的導(dǎo)熱介質(zhì)，但零件的熱量仍可通過此熱屏障向外傳導(dǎo)，此時的冷速與該介質(zhì)所能形成的屏障厚度有關(guān)，而與零件幾何形狀和尺寸關(guān)系不大，因此就減少了淬火熱應(yīng)力，減少了變形和開裂。
這種屏障的厚度可以通過調(diào)整淬火介質(zhì)的濃度而進(jìn)行，從而實現(xiàn)了對聚醚淬火介質(zhì)冷速控制。為了降低冷速通常是提高介質(zhì)的濃度，反之則降低濃度。為了使聚醚淬火介質(zhì)的逆溶點在60～80℃之間，須使其分子量保持在4000～15000為好。
本發(fā)明中所使用的無機(jī)鹽可以是鈉鹽或鉀鹽，例如碳酸鹽或硝酸鹽，試驗發(fā)現(xiàn)硝酸鈉的效果最好，在測試中冷卻曲線出現(xiàn)抖動的幾率最小，反映在促進(jìn)穩(wěn)定淬火方面的作用最大，并且無機(jī)鹽加入原液后可以適當(dāng)增加其粘度，可以使淬火介質(zhì)的性能更接近于淬火油，在淬火介質(zhì)中加入無機(jī)鹽后也使其電導(dǎo)率增高，如自來水的電導(dǎo)率在1000μΩ/cm左右，而加入0.5％左右的無機(jī)鹽后可使電導(dǎo)率達(dá)到10000μΩ/cm以上。據(jù)推斷，少量無機(jī)鹽的存在可使其‘隔熱屏障’膜的生成更均勻，有利于控制淬火不均問題。此外，聚醚本身是一種乳化劑，對任何滲入的油類有一些乳化作用，如果油被部分乳化后很容易造成淬火零件的軟點，無機(jī)鹽加入后可使乳液迅速破乳，消除漏油的影響，保證零件整體淬火均勻。確保代替淬火油成功。硝酸鈉的加入量可以為零，此時的水溶性淬火劑借助壓力噴射的能量很容易潤濕淬火件的表面，使冷卻均勻，最適合用應(yīng)于汽車零件的高頻淬火；當(dāng)加入量為2％時則更適合于把汽車零件浸入水溶性淬火劑中的整體淬火方式。
本發(fā)明中所使用的表面活性劑可以是任意類型的，例如可以是脂肪醇醚、磷酸脂、磺化油、脂肪酸脂等，但考慮到淬火中液體的分子必將受到較高的熱剪切，即加入的表面活性劑要有較好的抗氧化性能，并在經(jīng)歷氧化后也不形成酸泥，因此，可以看出脂肪醇醚是最合適的一類表面活性劑，其中以聚氧乙烯的C8-10醇醚最合適。但原液中表面活性劑的加入量可以為0，這種水溶性淬火劑最適合于應(yīng)用于高頻淬火，因為高頻淬火時一般采用泵加壓輸送供液，使液體在零件的淬火區(qū)域潤濕效果好；而整體淬火時零件表面的液體攪動較慢，對流換熱的效率相對較低，特別是復(fù)雜零件的一些盲孔，更容易造成液體的潤濕困難，引起淬火不均，產(chǎn)生淬火應(yīng)力，造成裂紋，微量的表面活性劑可以改善水溶性淬火劑潤濕性能的不足，但加入量不能超過0.1％，因為，在激烈循環(huán)和攪動淬火條件下，過量的表面活性劑很容易產(chǎn)生泡沫，過多的泡沫也容易產(chǎn)生零件淬火軟點。
本發(fā)明中所使用的無機(jī)堿可以是NaOH或KOH，推薦使用KOH，其加入比例在用于整體淬火的水溶性淬火介質(zhì)可以為0，也可以為0.6％，但在高頻中用的水溶性淬火介質(zhì)中必須為0.6％，從而使介質(zhì)中的PH值9.0達(dá)到以上。原因是整體淬火的零件表面粗糙，表面有較厚的氧化層，不容易生銹；而高頻淬火的零件的淬火部位通常加工精度較高，不允許生銹，通常在零件的淬火區(qū)域容易殘留氧化后的酸性介質(zhì)，引起銹蝕。因此，水溶性淬火介質(zhì)應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)姆冷P性。
本發(fā)明中所使用的殺菌劑不可以選用無機(jī)類型的，以免影響冷卻特性，但可以是其它適合類型的有機(jī)殺菌劑，如三嗪類、金剛烷胺、噻唑，但試驗中發(fā)現(xiàn)三嗪容易產(chǎn)生刺激性的氣體；金剛烷胺價格高；而1-氯-2-甲基-3-異噻唑酮殺菌劑完全消除了上述缺點，在工作液中含由200ppm的濃度的該殺菌劑時可以保證水溶性淬火介質(zhì)的使用壽命為兩年以上而不需更換。
本發(fā)明的積極效果在于水溶性淬火介質(zhì)能夠滿足中碳低合金鋼的整體淬火要求，并可提高淬火質(zhì)量、改善金相組織，淬火效果明顯優(yōu)于N32普通淬火油。并且不易發(fā)生氧化或聚合等變質(zhì)反應(yīng)，濃度相對穩(wěn)定，壽命長，該水溶性淬火介質(zhì)無銹蝕問題，無泡沫和變質(zhì)問題，不須更換。無毒，無有害氣味，不燃燒，減少污染，可消除隱患，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。
具體的實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述實施例1本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)的原液在配制時需要把水預(yù)先加熱到40～60℃，攪拌下加入各有關(guān)成份即可。例如分子量為4000～15000的聚醚為49％、聚氧乙烯的C8-10醇醚表面活性劑為0.05％、硝酸鈉2.0％、氫氧化鉀0.6％、殺菌劑1-氯-2-甲基-3-異噻唑酮200ppm、自來水48％。
實施例2采用銀探頭法分別對國產(chǎn)的某水溶性淬火介質(zhì)A、美國UCON A聚醚水溶性淬火介質(zhì)同本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)以及其它幾種淬火介質(zhì)的理化指標(biāo)和冷卻曲線進(jìn)行了測定和對比。如表1所示。
表1幾種淬火介質(zhì)的理化指標(biāo)和冷卻曲線

實施例3模擬淬透性試驗。淬火件的加熱設(shè)備為箱式電阻爐。淬火試件材質(zhì)為40Cr，直接采用汽車零件(轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向臂)的毛坯進(jìn)行試驗。淬火件加熱溫度830℃，保溫50分鐘，回火加熱溫度630℃，保溫120分鐘，水溶性淬火介質(zhì)的數(shù)量均為300公斤。
表2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂試件淬入兩種不同濃度的淬火介質(zhì)的表面硬度情況。從這些表只可以看表面硬度值隨濃度的增高而變化，硬度均能滿足要求(dB＝2.7～3.2)，本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)硬度值也比較均勻穩(wěn)定。
表2材料為40Cr轉(zhuǎn)向節(jié)臂模擬淬火結(jié)果

表3為試件經(jīng)普通淬火油的試驗結(jié)果，兩種試件均淬火不良，經(jīng)金相檢驗，邊部5級，心部6-7級，金相組織不合格.
表3.普通淬火油的淬火結(jié)果(材料40Cr)

實施例4為檢驗本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)的熱穩(wěn)定性而進(jìn)行高溫下的淬火試驗即劇淬試驗。取2公斤15％的本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)，用總量為40公斤小試件加熱至830℃后先后分批進(jìn)行淬火，劇淬時液溫達(dá)70～120℃，劇淬過程中水分蒸發(fā)，溶液隨件帶出，損失的部分，不斷加水補(bǔ)充，整個過程共加水1公斤。劇淬前后的特性變化見表4。劇淬時對液溫進(jìn)行測量，并觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)液溫超過80℃時，介質(zhì)中有不溶物析出，但當(dāng)溫度降至80℃以下時，析出物又迅速溶解，具有逆溶性，濁點約為80℃，這樣就保證了溶質(zhì)不易被淬火件大量帶走，能保證濃度的相對穩(wěn)定，補(bǔ)充水分后濃度沒有變化。
劇淬后的介質(zhì)在80℃以下濃縮脫水，脫凈水后的物質(zhì)與劇淬前脫凈水后的物質(zhì)進(jìn)行檢測，紅外譜圖完全重合，說明聚醚是非常穩(wěn)定聚合物，沒發(fā)生氧化或聚合，這是聚醚不同于其它種類聚合物(聚乙烯醇、羧甲基纖維素等)的一大特性。
表4.本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)的抗老化性能

實施例5本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)整體淬火試驗。在某卡車生產(chǎn)公司的半軸淬火生產(chǎn)線上，先把淬火油槽中原有的9000公斤的淬火油徹底清理干凈后換上9000公斤4～5％濃度的本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)，應(yīng)用于(材質(zhì)為40Cr)卡車半軸套管等零件的正常生產(chǎn)。從應(yīng)用結(jié)果來看，以4～5％的濃度完全可以代替淬火油，淬火質(zhì)量完全合格，既消除了淬火時的油煙，消除火災(zāi)隱患，也改善了操作環(huán)境。
本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)成本低，其中5％工作液的價格僅為0.7元/公斤，普通淬火油價格為4.3元/公斤，快速淬火油的價格為5.5元/公斤，使用后每年的經(jīng)濟(jì)效益20多萬元。
實施例6本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)高頻淬火試驗。在某卡車生產(chǎn)公司的半軸外花鍵(材質(zhì)為40Cr)、前殼差速器內(nèi)花鍵(材質(zhì)為40Cr)的高頻淬火工序上，濃度為4～5％，介質(zhì)的循環(huán)量為10000公斤，介質(zhì)的噴射壓力約為1～2kgf/cm2，淬火后硬度和金相組織合格，使原來自來水淬火時的淬裂率從0.5％降低到0，并滿足防銹要求。
實施例7本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)高頻淬火試驗。在某轎車發(fā)動機(jī)公司的凸輪軸(材質(zhì)為45#鋼)的高頻淬火工序上，介質(zhì)的循環(huán)量為500公斤，濃度為10～12％，介質(zhì)的噴射壓力約為1～2kgf/cm2，淬火后硬度和金相組織合格，解決原用進(jìn)口或國產(chǎn)水溶性淬火介質(zhì)生銹問題。
權(quán)利要求
1.一種水溶性淬火介質(zhì)，其特征在于溶液中由分子量為4000～15000的聚醚為45～55％、表面活性劑為0.05～0.1％、無機(jī)鹽0～2.0％、無機(jī)堿0～0.6％、余量為自來水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水溶性淬火介質(zhì)，其特征在于所述的水溶性淬火介質(zhì)中還含有殺菌劑200ppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水溶性淬火介質(zhì)，其特征在于所述的水溶性淬火介質(zhì)用于碳鋼的整體淬火的最低濃度為4～6％、用于碳鋼的高頻淬火的最低的濃度為8～12％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水溶性淬火介質(zhì)，該水溶性淬火介質(zhì)是由適量的聚醚高分子混合物、表面活性劑、無機(jī)鹽、殺菌劑、無機(jī)堿和自來水組成。本發(fā)明的水溶性淬火介質(zhì)以4～6％的濃度可以用于碳鋼的整體淬火，以8～12％的濃度可以用于碳鋼的高頻淬火，具有使用濃度低、壽命長、淬火質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號C21D1/60GK1465722SQ0213250
公開日2004年1月7日 申請日期2002年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者張克金 申請人:中國第一汽車集團(tuán)公司