添加乙二醇對聚醚淬火劑冷卻特性的影響

第11卷第4期材料與冶金學(xué)報Vol. 11 No. 42012年12月Journal of Materials and Metallurgy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(xué)材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng)110819)摘要:通過(guò)測試聚醚淬火劑和聚醚-乙二醇淬火劑的冷卻曲線(xiàn)、冷卻硬化能力來(lái)評價(jià)乙二醇的加入對聚醚淬火劑冷卻性能的影響,研究結果表明:乙二醇質(zhì)量分數為20%的聚醚-乙二醇淬火劑具有良好的冷卻特性,聚醚-乙二醇淬火劑的質(zhì)量分數為5%時(shí)的最大冷卻速度可達120℃/s,且可有效抑制40Cr鋼的先共析鐵素體產(chǎn)生,向聚醚淬火劑中添加乙二醇可使淬火劑的冷卻硬化能力增強,并有效提高了工件的硬度均勻性關(guān)鍵詞:乙二醇;聚醚淬火劑;冷卻特性;冷卻硬化能力中圖分類(lèi)號:TG154.4文獻標識碼:A文章編號:16716620(2012)04028104Effect of adding glycol on cooling characteristics ofpolyether quenching mediumZU Guo-yin, WANG Yi-qiong, ZHANG Jing-hua, LU Ri-huarSchool of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, ChinaAbstract: The effect of adding glycol on cooling characteristics of polyether quenching medium was measured in thispaper based on the cooling curves and cooling hardening ability of polyether quenching medium and polyether-glycolquenching medium. It's found that the quenching medium with 20 percent glycol has a good cooling characteristicsThe polyether -glycol quenching medium with concentration of 5 percent reaches maximum cooling velocity of120C/s, and effectively restrains the formation of proeutectoid ferrite in 40Cr steel. The addition of glycol intopolyether quenching medium can improve the cooling hardening ability and uniformity of hardness of workpieceKey words: glycol; polyether quenching medium; cooling characteristics; cooling hardening ability聚醚型水溶性淬火劑是一類(lèi)具有逆溶性、冷的變化淬火后工件的硬度均勻性和淬火劑老化卻速度可調、熱穩定性好、防淬裂效果明顯、無(wú)毒、規律的影響,為實(shí)際生產(chǎn)工藝提供參考依據.研究不污染金屬零件表面便于清洗、節約能耗等特點(diǎn)中開(kāi)發(fā)的聚醚淬火劑的成分如表1所示的新型淬火劑1-4,在熱處理生產(chǎn)中有廣泛的應表1聚醚淬火劑的組成成分(質(zhì)量分數用前景已報道的聚醚型水溶性淬火劑通常由環(huán) Table 1 The components( mass fraction) of polyether氧乙烷和環(huán)氧丙烷通過(guò)無(wú)規則共聚反應制quenching medium得6,但其成本價(jià)格較高,且存在易老化、淬火er-后工件硬度均勻性不足等缺點(diǎn)polyether Kwai two acid Ethanolanuine Sodium nitrate在系統分析淬火劑主要成分對材料組織與性1010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(zhì)量較低的乙二醇添加到為了改善聚醚淬火劑的性能,向其中加入乙聚醚淬火劑中,以期顯著(zhù)改善淬火劑的冷卻性能.二醇配制聚醚-乙二醇淬火劑,其成分如表2所示1實(shí)驗材料及方法1.1測定冷卻曲線(xiàn)本文主要研究乙二醇對聚醚淬火劑冷卻特性根據GB/中國煤化工個(gè)幾何中收稿日期:20120913CNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目50971038;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目N作者簡(jiǎn)介:祖國胤(197-),男,東北大學(xué)副教授,E-mal:aug@smm.neu.edu.cn.282材料與冶金學(xué)報第11卷心裝有 Inconel600合金熱電偶的熱探頭加熱到繪制的溫度-時(shí)間的函數關(guān)系,讀取不同冷卻階800℃并保溫5min1,然后分別淬入2L不同濃段所用時(shí)間根據繪制的冷卻速度與溫度的函數度的聚醚淬火劑和聚醚-乙二醇淬火劑中并冷卻關(guān)系,得到最大冷卻速度發(fā)生最大冷卻速度時(shí)所到室溫測試完畢后將探頭從淬火液中移出,根據在溫度等特性參數表2聚醚-乙二醇淬火劑的組成成分(質(zhì)量分數Table 2 The components of polyether-glycol quenching mediumGlycoKwai two acidEthanolamineSodium nitrate1.2測定冷卻硬化能力部磨光后沿截面直徑每隔2mm測量其硬度,通將尺寸為Φ30mmx100mm的圓柱形40Cr過(guò)硬度V曲線(xiàn)來(lái)分析工件的硬度均勻性及淬火試樣加熱到820℃保溫30min后,經(jīng)聚醚淬火劑劑的硬化能力試樣冷卻后在中心位置切斷,在截和聚醚-乙二醇淬火劑淬火,試樣的成分如表3面上中心處標記并觀(guān)察該區域的金相組織所示將淬火后的試樣截斷為兩個(gè)相等的部分,端表340Cr鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數)Table 3 The chemical composition( mass fraction) of 40Cr steelFe0.39~0.440.17~0.370.50~0.80≤0.001≤0.0050.80~0.10Allowance2實(shí)驗結果與討論21淬火劑的冷卻曲線(xiàn)聚醚淬火劑冷卻過(guò)程的冷卻曲線(xiàn)如圖1所600示從圖中可以看出,隨著(zhù)聚醚淬火劑質(zhì)量分數的增加冷卻過(guò)程中蒸氣膜階段經(jīng)歷”的時(shí)間明顯cm增長(cháng).淬火劑的質(zhì)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(shí)間成正比(最大冷速代表冷卻過(guò)程中熱交換最劇烈時(shí)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(shí)所處溫度;特性溫度代表冷卻第一階段和第二階段的交點(diǎn);特性時(shí)間代表到達特性溫度的時(shí)間).因30%10%此,聚醚淬火劑的冷卻速度可以通過(guò)調整聚合物濃度加以調節.不同濃度聚醚淬火劑在300℃時(shí)冷速均小于50℃/s,表明馬氏體相變不易引起淬60火工件的變形開(kāi)裂此外,冷卻曲線(xiàn)顯示高濃度聚醚淬火劑的冷卻特性和淬火油較為相似9聚醚-乙二醇淬火劑冷卻過(guò)程的冷卻曲線(xiàn)如圖2所示結合圖1所示的聚醚淬火劑的冷卻曲線(xiàn)進(jìn)行對比分析,可以發(fā)現質(zhì)量分數為5%20%的聚醚-乙二醇淬火劑具有與質(zhì)量分數為12010%~40%的聚醚淬火劑相似的冷卻特性.與聚圖110%~40%的聚醚淬火劑的溫度一時(shí)間、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(shí)間受濃度的影響變小,淬火 Fig 1 The temp.中國煤化工cool劑最大冷速范圍為80~120℃/s,與聚醚淬火劑 velocity cooliCNMH Quenching相比,聚醚-乙二醇淬火劑的最大冷速范圍更寬medium with concentration of 10%0-40%可適應更為廣泛的淬火工件尺寸及淬火后組織第4期祖國胤等:添加乙二醇對聚醚淬火劑冷卻特性的影響283要求淬火劑的冷卻能力,并且工件的重復進(jìn)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)量分數為20%的聚醚淬火劑和質(zhì)量分數為20%的聚醚-乙二醇淬火劑淬15%500火后的硬度Ⅴ曲線(xiàn).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(xiàn)沒(méi)有出現半馬氏體區(即硬度值變10%5%化平緩區域突然下降的點(diǎn)),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T/s度小,當冷卻第二階段到來(lái)時(shí)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,且乙二醇薄膜不如聚醚類(lèi)薄膜堅固,易溶解,能夠顯著(zhù)提高淬火劑的冷卻硬化能力和工件的硬度均勻性620%(聚醚-乙58圖25%~20%的聚醚-乙二醇淬火劑的溫度一時(shí)間、20%(聚醚)溫度一冷卻速度曲線(xiàn)56Fig. 2 The temperature-time and temperature54cooling velocity cooling characteristics of different-15-10concentration polyether- glycol quenching mediumDistance from the center/mmwith concentration of 5%0-20%o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(xiàn)聚醚-乙二醇淬火劑在工件淬火冷卻過(guò)程Fig 3 Hardness V curve of sample after quench in中,遵循有物態(tài)變化淬火介質(zhì)冷卻過(guò)程的經(jīng)典理20%o polyether quenching medium and polyethe論淬火劑中的聚合物淬火時(shí)在高溫區析出,可在glycol quenching medium工件表面起浸潤作用,促使蒸氣膜較快破壞.當聚圖4為經(jīng)20%的聚醚淬火劑和聚醚-乙二合物濃度增大時(shí),在淬火過(guò)程中在工件表面形成醇淬火劑淬火后試樣截面上中心位置的金相照沉積膜,起到隔熱層的作用濃度越大聚合物含量片,由圖中可以看出金相組織均為針狀馬氏體和越多,在冷卻第一階段即蒸氣膜階段所形成的蒸殘余奧氏體的混合物相比之下,經(jīng)20%的聚醚氣膜越厚,隔熱性越好且不易破裂所以經(jīng)歷的時(shí)乙二醇淬火劑淬火的試樣組織比經(jīng)聚醚淬火劑間越長(cháng)導致冷卻速度下降聚合物濃度越高沉積淬火的試樣組織更加均勻,馬氏體尺寸更加膜的厚度越厚,冷卻過(guò)程中第二冷卻階段的初始細小溫度就越低,持續時(shí)間越長(cháng).淬火劑的質(zhì)量分數和向聚醚淬火劑中添加乙二醇后,形成的聚合最大冷速、最大冷速溫度、特性溫度成反比,和特物膜對工件的潤濕作用變強,導致淬火劑質(zhì)量分性時(shí)間成正比因此淬火劑的冷卻速度可以通過(guò)數對介質(zhì)冷卻過(guò)程中蒸氣膜階段的影響減弱,這調整聚合物濃度來(lái)調節.沉積膜的存在使散熱比非常有利于提中國煤化工度抑制淬較均勻,從而可消除軟點(diǎn),并減小工件的內應力,火工件中先爿CNMHG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(guò)程中聚合物膜穩定性變差,能夠提高284材料與冶金學(xué)報第11卷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參考文獻:1 ] Hartmut B, Thorsten B. Quench ants for induction hardeningMaterials and Heat Treatment, 2004, 25(5): 514-519ons offor the automotive and maintenance [J].Transacti[2]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.( Li Mao -shan, Zhang Ke-jian. New development ofquenching medium for heat treatment[J]. Heat Treatment oftals,1999(4):39-42.)[3]于程歆,劉林淬火冷卻技術(shù)及淬火介質(zhì)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2010:89( Yu Cheng-xin, Liu Lin. Quenching cooling techand quenching medium[ M]. Shenyang: Liaoning SciencTechnology Press, 2010: 89.[4]Liscic B, Filetin T. Computer-aided evaluation of quenchingtensity and prediction of hardness distribution[J]. JourmalHeat Treatment, 1988, 5(2): 115-124[5]Ma L, Zhu X. Determination of emodintrimethyl ammonium bromide sensitized fluorescence quenchingmethod of the derivatives of calix 4 arene[J]. Spectrochimica(95):246-251[6]陳萬(wàn)才,郭允升.氯化鈣水溶液淬火介質(zhì)的應用[J].熱加工工藝,1995(3):51-52Chen Wan-cai, Guo Yun-sheng. Application of calciumchloride water quenching medium [J]. Hot WorkingTechnology,1995(3):51-52.)[7]曾廣益淬火介質(zhì)冷卻能力的數值表示方法[J].熱處理,1996,2(5):48-5圖4經(jīng)20%聚醚淬火劑和聚醚一乙二醇淬火劑淬火后(Zeng Guang yi. Mathematic representation methods of試樣中心區域金相組織ling ability of quenching medium [J]. Heat TreatmentFig 4 Microstructures of sample after quench in 20%o1996,2(5):48-51.)polyether quenching medium and polyether-glycol[8] Bodin J, Segerberg S. Measurement and evaluation of thepower of quenching media for hardening[ J]. Heat Treatingquenching medium1992(4):24-26(a)一聚醚淬火劑;(b)一聚醚-乙二醇淬火劑[9]楊桂生,劉麥秋,胡紹文.淬火油的冷卻性能[J].熱處理技術(shù)與裝備,2007,28(3):29-343結論( Yang Gui-sheng, Liu Mai-qiu, Hu Shao-wen. Coolinghing oils [J]. Heat Treatment(1)向聚醚淬火劑中添加乙二醇,形成的聚Technology and Equipment, 2007, 28(3): 29-34.[10 Zhang HB, Chen YD, Zhang YC, et al. Synthesis and合物膜對工件的潤濕作用增強,所以濃度對介質(zhì)characterization of polyurethane elastomers [J]. Journal of冷卻過(guò)程中蒸氣膜階段的影響減弱,有利于提高Elastomers and Plastics, 2008, 40(2): 161-177高溫冷卻速度,抑制40Cr鋼的先共析鐵素體11rwoy,mwN, Sumeru K. Effect of prior austenite產(chǎn)生martensite in medium carbon steel [J]. Journal of Materials(2)聚醚-乙二醇的冷卻能力介于水與油之Science Technology, 2012, 28(5): 461-466間,可通過(guò)調節濃度調節冷卻特性聚醚-乙二醇的質(zhì)量分數為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.中國煤化工CNMHG