添加乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性的影响

第11卷第4期材料与冶金学报Vol. 11 No. 42012年12月Journal of Materials and Metallurgy添加乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性的影响祖国胤,王漪琼,张精华,卢日环(东北大学材料与冶金学院,沈阳110819)摘要:通过测试聚醚淬火剂和聚醚-乙二醇淬火剂的冷却曲线、冷却硬化能力来评价乙二醇的加入对聚醚淬火剂冷却性能的影响,研究结果表明:乙二醇质量分数为20%的聚醚-乙二醇淬火剂具有良好的冷却特性,聚醚-乙二醇淬火剂的质量分数为5%时的最大冷却速度可达120℃/s,且可有效抑制40Cr钢的先共析铁素体产生,向聚醚淬火剂中添加乙二醇可使淬火剂的冷却硬化能力增强,并有效提高了工件的硬度均匀性关键词:乙二醇;聚醚淬火剂;冷却特性;冷却硬化能力中图分类号:TG154.4文献标识码:A文章编号: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聚醚型水溶性淬火剂是一类具有逆溶性、冷的变化淬火后工件的硬度均匀性和淬火剂老化却速度可调、热稳定性好、防淬裂效果明显、无毒、规律的影响,为实际生产工艺提供参考依据.研究不污染金属零件表面便于清洗、节约能耗等特点中开发的聚醚淬火剂的成分如表1所示的新型淬火剂1-4,在热处理生产中有广泛的应表1聚醚淬火剂的组成成分(质量分数用前景已报道的聚醚型水溶性淬火剂通常由环 Table 1 The components( mass fraction) of polyether氧乙烷和环氧丙烷通过无规则共聚反应制quenching medium得6,但其成本价格较高,且存在易老化、淬火er-后工件硬度均匀性不足等缺点polyether Kwai two acid Ethanolanuine Sodium nitrate在系统分析淬火剂主要成分对材料组织与性1010能影响规律的基础上,本研究尝试采用将性能稳定、黏度较小、相对分子质量较低的乙二醇添加到为了改善聚醚淬火剂的性能,向其中加入乙聚醚淬火剂中,以期显著改善淬火剂的冷却性能.二醇配制聚醚-乙二醇淬火剂,其成分如表2所示1实验材料及方法1.1测定冷却曲线本文主要研究乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性根据GB/中国煤化工个几何中收稿日期:20120913CNMHG基金项目:国家自然科学基金资助项目50971038;中央高校基本科研业务费项目N作者简介:祖国胤(197-),男,东北大学副教授,E-mal:aug@smm.neu.edu.cn.282材料与冶金学报第11卷心装有 Inconel600合金热电偶的热探头加热到绘制的温度-时间的函数关系,读取不同冷却阶800℃并保温5min1,然后分别淬入2L不同浓段所用时间根据绘制的冷却速度与温度的函数度的聚醚淬火剂和聚醚-乙二醇淬火剂中并冷却关系,得到最大冷却速度发生最大冷却速度时所到室温测试完毕后将探头从淬火液中移出,根据在温度等特性参数表2聚醚-乙二醇淬火剂的组成成分(质量分数Table 2 The components of polyether-glycol quenching mediumGlycoKwai two acidEthanolamineSodium nitrate1.2测定冷却硬化能力部磨光后沿截面直径每隔2mm测量其硬度,通将尺寸为Φ30mmx100mm的圆柱形40Cr过硬度V曲线来分析工件的硬度均匀性及淬火试样加热到820℃保温30min后,经聚醚淬火剂剂的硬化能力试样冷却后在中心位置切断,在截和聚醚-乙二醇淬火剂淬火,试样的成分如表3面上中心处标记并观察该区域的金相组织所示将淬火后的试样截断为两个相等的部分,端表340Cr钢的化学成分(质量分数)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实验结果与讨论21淬火剂的冷却曲线聚醚淬火剂冷却过程的冷却曲线如图1所600示从图中可以看出,随着聚醚淬火剂质量分数的增加冷却过程中蒸气膜阶段经历”的时间明显cm增长.淬火剂的质量分数和最大冷速、最大冷速温度、特性温度成反比,和特性时间成正比(最大冷速代表冷却过程中热交换最剧烈时工件每秒能够下降的温度;最大冷速温度是产生最大冷速时所处温度;特性温度代表冷却第一阶段和第二阶段的交点;特性时间代表到达特性温度的时间).因30%10%此,聚醚淬火剂的冷却速度可以通过调整聚合物浓度加以调节.不同浓度聚醚淬火剂在300℃时冷速均小于50℃/s,表明马氏体相变不易引起淬60火工件的变形开裂此外,冷却曲线显示高浓度聚醚淬火剂的冷却特性和淬火油较为相似9聚醚-乙二醇淬火剂冷却过程的冷却曲线如图2所示结合图1所示的聚醚淬火剂的冷却曲线进行对比分析,可以发现质量分数为5%20%的聚醚-乙二醇淬火剂具有与质量分数为12010%~40%的聚醚淬火剂相似的冷却特性.与聚图110%~40%的聚醚淬火剂的温度一时间、醚淬火剂不同的是,聚醚-乙二醇淬火剂的冷却第一阶段所经历的时间受浓度的影响变小,淬火 Fig 1 The temp.中国煤化工cool剂最大冷速范围为80~120℃/s,与聚醚淬火剂 velocity cooliCNMH Quenching相比,聚醚-乙二醇淬火剂的最大冷速范围更宽medium with concentration of 10%0-40%可适应更为广泛的淬火工件尺寸及淬火后组织第4期祖国胤等:添加乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性的影响283要求淬火剂的冷却能力,并且工件的重复进出所造成的聚合物损耗变小,提高淬火剂耐老化能力2.2硬度均匀性图3为试样经质量分数为20%的聚醚淬火剂和质量分数为20%的聚醚-乙二醇淬火剂淬15%500火后的硬度Ⅴ曲线.从图中可以看出,与聚醚淬火剂相比,经聚醚-乙二醇淬火剂淬火后的钢件的硬度Ⅴ曲线没有出现半马氏体区(即硬度值变10%5%化平缓区域突然下降的点),淬火后硬度值较高,硬度值变化趋势平缓.出现这种现象的原因在于向聚醚淬火剂中添加乙二醇后,由于乙二醇的黏T/s度小,当冷却第二阶段到来时聚合物膜能够迅速破裂完全,试样上润湿面推移速度变快,具有更好的重润湿性,且乙二醇薄膜不如聚醚类薄膜坚固,易溶解,能够显著提高淬火剂的冷却硬化能力和工件的硬度均匀性620%(聚醚-乙58图25%~20%的聚醚-乙二醇淬火剂的温度一时间、20%(聚醚)温度一冷却速度曲线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图3经20%聚醚淬火剂和聚醚-乙二醇淬火剂淬火后试样的硬度V曲线聚醚-乙二醇淬火剂在工件淬火冷却过程Fig 3 Hardness V curve of sample after quench in中,遵循有物态变化淬火介质冷却过程的经典理20%o polyether quenching medium and polyethe论淬火剂中的聚合物淬火时在高温区析出,可在glycol quenching medium工件表面起浸润作用,促使蒸气膜较快破坏.当聚图4为经20%的聚醚淬火剂和聚醚-乙二合物浓度增大时,在淬火过程中在工件表面形成醇淬火剂淬火后试样截面上中心位置的金相照沉积膜,起到隔热层的作用浓度越大聚合物含量片,由图中可以看出金相组织均为针状马氏体和越多,在冷却第一阶段即蒸气膜阶段所形成的蒸残余奥氏体的混合物相比之下,经20%的聚醚气膜越厚,隔热性越好且不易破裂所以经历的时乙二醇淬火剂淬火的试样组织比经聚醚淬火剂间越长导致冷却速度下降聚合物浓度越高沉积淬火的试样组织更加均匀,马氏体尺寸更加膜的厚度越厚,冷却过程中第二冷却阶段的初始细小温度就越低,持续时间越长.淬火剂的质量分数和向聚醚淬火剂中添加乙二醇后,形成的聚合最大冷速、最大冷速温度、特性温度成反比,和特物膜对工件的润湿作用变强,导致淬火剂质量分性时间成正比因此淬火剂的冷却速度可以通过数对介质冷却过程中蒸气膜阶段的影响减弱,这调整聚合物浓度来调节.沉积膜的存在使散热比非常有利于提中国煤化工度抑制淬较均匀,从而可消除软点,并减小工件的内应力,火工件中先爿CNMHG防止工件变形.乙二醇的黏度比一般聚合物的小,因此淬火过程中聚合物膜稳定性变差,能够提高284材料与冶金学报第11卷3)向聚醚淬火剂中添加20%乙二醇,可以提高淬火剂的最大冷速到120℃/s,淬火剂冷却硬化能力增强,且有效地提高了工件的硬度均匀性参考文献: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,张克俭.热处理淬火介质的新进展[J].金属热处理,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,刘林淬火冷却技术及淬火介质[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,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]陈万才,郭允升.氯化钙水溶液淬火介质的应用[J].热加工工艺,1995(3):51-52Chen Wan-cai, Guo Yun-sheng. Application of calciumchloride water quenching medium [J]. Hot WorkingTechnology,1995(3):51-52.)[7]曾广益淬火介质冷却能力的数值表示方法[J].热处理,1996,2(5):48-5图4经20%聚醚淬火剂和聚醚一乙二醇淬火剂淬火后(Zeng Guang yi. Mathematic representation methods of试样中心区域金相组织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)一聚醚淬火剂;(b)一聚醚-乙二醇淬火剂[9]杨桂生,刘麦秋,胡绍文.淬火油的冷却性能[J].热处理技术与装备,2007,28(3):29-343结论( Yang Gui-sheng, Liu Mai-qiu, Hu Shao-wen. Coolinghing oils [J]. Heat Treatment(1)向聚醚淬火剂中添加乙二醇,形成的聚Technology and Equipment, 2007, 28(3): 29-34.[10 Zhang HB, Chen YD, Zhang YC, et al. Synthesis and合物膜对工件的润湿作用增强,所以浓度对介质characterization of polyurethane elastomers [J]. Journal of冷却过程中蒸气膜阶段的影响减弱,有利于提高Elastomers and Plastics, 2008, 40(2): 161-177高温冷却速度,抑制40Cr钢的先共析铁素体11rwoy,mwN, Sumeru K. Effect of prior austenite产生martensite in medium carbon steel [J]. Journal of Materials(2)聚醚-乙二醇的冷却能力介于水与油之Science Technology, 2012, 28(5): 461-466间,可通过调节浓度调节冷却特性聚醚-乙二醇的质量分数为20%的淬火介质的冷却特性接近淬火油,这种物质是良好的矿物油替代品.中国煤化工CNMHG