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 MetallurgyDec.2012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2%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:1671-6620(2012)04-0281-04 Effect of adding glycol on cooling characteristics of polyether quenching medium ZU Guo-yin, WANG Yi-qiong, ZHANG Jing-hua, LU Ri-huan (School of Materials and Metallurgy, Northe y, Shenyang 1108i9, China Abstract: The effect of adding glycol on cooling characteristics of polyether quenching medium was measured in this paper based on the cooling curves and cooling hardening ability of polyether quenching medium and polyether -glyco ol quenching medium. It's found that the quenching medium with 20 percent glycol has a good cooling characteristics. The polyether- glycol quenching medium with concentration of 5 percent reaches maximum cooling velocity of 120/s, and effectively restrains the formation of proeutectoid ferrite in 40Cr steel. The addition of glycol into polye ter asuenching medieum imerove ther coling barde inga oifrmrdrning abilirf workpiece. Key words: glycol; polyether quenching medium; cooling characteristics; cooling h ing abilit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 Table1 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56,但其成本价格较高,且存在易老化、淬火 Water-based后工件硬度均匀性不足等缺点 polyether Kwai two acid Ethanolanine Sodium nitrate在系统分析淬火剂主要成分对材料组织与性70101010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/T7951标准的规定,将一个几何中收稿日期:201209-13.基金项目:国家自然学基金资,北大学,高校基本科研业务费0作者简介:祖国胤(1977),男,东北大学副教授,-mail: zugy smm neuedu.cn282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5min,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 The components of polyether-glycol quenching medium% Water-based polyether Glycol Kwai two acid Ethanolamine Sodium nitrate50201010101.2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30mm×100mm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) Table3 The chemical composition( mass fraction)of40 0Cr steel%C Si MnPS Cr Fe0.39~0.440.17~0.370.50~0.80≤0.001≤0.0050.80~0.10 Allowance2实验结果与讨论80010%2.1淬火剂的冷却曲线700聚醚淬火剂冷却过程的冷却曲线如图1所60030%示.从图中可以看出,随着聚醚淬火剂质量分数的50040%增加,冷却过程中蒸气膜阶段经历的时间明显20%增长.淬火剂的质量分数和最大冷速、最大冷速温400度、特性温度成反比,和特性时间成正比(最大冷300速代表冷却过程中热交换最剧烈时工件每秒能够200下降的温度;最大冷速温度是产生最大冷速时所0510152025303540处温度;特性温度代表冷却第一阶段和第二阶段/s的交点;特性时间代表到达特性温度的时间)因80040%30%10%此,聚醚淬火剂的冷却速度可以通过调整聚合物20%700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600火工件的变形开裂此外,冷却曲线显示高浓度聚500醚淬火剂的冷却特性和淬火油较为相似400聚醚-乙二醇淬火剂冷却过程的冷却曲线300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%~20020%的聚醚-乙二醇淬火剂具有与质量分数为0306090120v/(℃.s)10%~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温度冷却速度曲线第一阶段所经历的时间受浓度的影响变小,淬火 Fig The temperature-time- and temperature-cooling-剂最大冷速范围为80~120℃/s,与聚醚淬火剂 velocity cooling characteristics of polyether quenching相比,聚醚-乙二醇淬火剂的最大冷速范围更宽, medium with concentration of 110%~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8002.2硬度均匀性700图3为试样经质量分数为20%的聚醚淬火600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40020%的硬度V曲线没有出现半马氏体区(即硬度值变30010%5%化平缓区域突然下降的点),淬火后硬度值较高,200硬度值变化趋势平缓.出现这种现象的原因在于010向聚醚淬火剂中添加乙二醇后,由于乙二醇的黏/s度小,当冷却第二阶段到来时聚合物膜能够迅速800破裂完全,试样上润湿面推移速度变快,具有更好700的重润湿性101,且乙二醇薄膜不如聚醚类薄膜坚20%固,易溶解,能够显著提高淬火剂的冷却硬化能力600和工件的硬度均匀性500400300200020406080106020%聚醚乙二醇v/(s58图25%~20%的聚醚-乙二醇淬火剂的温度-时间、20%(聚醚)温度-冷却速度曲线56 Fig. 2 The temperature-time and temperature-54 cooling velocity cooling characteristics of different-10-5051015 concentration polyether-glycol quenching medium with concentration of 5%-20%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fig3 Hardness 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 %% polyether quenching medium and polyether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高淬火剂的高温冷却速度,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共析铁素体的产生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: Hartmut B, Thorsten B. 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Synthesis and合物膜对工件的润湿作用增强,所以浓度对介质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 Prawoto Jasmawati Sumeru Effect of prior austenite grain size on the morphology and mechanical properties of产生 martensite in medium carbon stee [)] Jourmal 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