淬火介質(zhì)是影響淬火工藝及零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之，正確選擇和合理使用淬火介質(zhì)，可以減少工件變形，防止開裂，保證達(dá)到所有要求的組織和力學(xué)性能，目前大型鑄鍛件和機(jī)器零件，淬火介質(zhì)主要為水和淬火油。用水淬火時(shí)，工件會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，造成開裂和變形等。油淬火雖然對(duì)減少工件變形和開裂有利，但在高溫區(qū)冷卻能力低，工件淬透性較差，尺寸較大工件淬火不硬，且產(chǎn)生的煙塵嚴(yán)重污染環(huán)境，容易發(fā)生火災(zāi)。而水溶性淬火介質(zhì)，主要成分是高分子有機(jī)聚合物。這類淬火介質(zhì)通過改變濃度，溫度和攪拌方式，能使冷卻能力在較大范圍內(nèi)變化，具有介于水和油之間的冷卻能力。所以外對(duì)聚合物水溶液淬火介質(zhì)，有“萬 能”淬火介質(zhì)的美譽(yù)，在外，聚合物淬火介質(zhì)的應(yīng)用已有 50 多年的歷史，是目前世界上應(yīng)用廣泛的環(huán)保不可燃淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)進(jìn)入中熱處理市場(chǎng)也有近 30 年的歷史了，聚合物淬火介質(zhì)的外品，典型的有好高頓AQ251，陶氏 UCON 系列以及德潤(rùn)寶 F2000 等。為內(nèi)熱處理工作者所熟知。到目前為止，對(duì)聚合物介質(zhì)的研究和應(yīng)用的文獻(xiàn)多達(dá)數(shù)百篇。因此在技術(shù)上早已進(jìn)入成熟期，廣大用戶不應(yīng)該有任何的疑慮。去年丁得剛教授將 Totten  教授的《 Handbook  of Quenchants  and  QuenchingTechnology》書五章“聚合物淬火介質(zhì)”譯成中文，約 13000 字，引起業(yè)內(nèi)家關(guān)注。另外，陶氏公司的《UCON 淬火介質(zhì)用戶手冊(cè)》有 A4 紙42 頁，對(duì)產(chǎn)品的性質(zhì)，使用方法及應(yīng)用實(shí)例，有詳盡的說明，體現(xiàn)了外廠商以用戶為中心的經(jīng)營(yíng)理念，值得我們仿。上世紀(jì) 90 年代末以來，內(nèi)生產(chǎn)的聚合物介質(zhì)的質(zhì)量已經(jīng)趕上際水平，也很快分享到內(nèi)市場(chǎng)。近年來，洛陽金潤(rùn)寶科技公司開發(fā)了新代聚合物淬火介質(zhì)，引人注目。本文主要介紹內(nèi)聚合物淬火介質(zhì)在鑄鍛件和機(jī)器零件在熱處理上的應(yīng)用實(shí)例，其目的是進(jìn)步推動(dòng)聚合物介質(zhì)代替淬火油的步伐。同時(shí)，本2文對(duì)聚合物淬火介質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，聚合物淬火介質(zhì)的冷卻機(jī)制，聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)淬火機(jī)理的影響，聚合物淬火介質(zhì)代替油的經(jīng)濟(jì)性等，也作了論述。
　　聚合物淬火介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)
　　聚合物淬火液的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在環(huán)保、生產(chǎn)和技術(shù)等方面。
　　1）環(huán)保優(yōu)點(diǎn)
　?。?）消除火災(zāi)危險(xiǎn)。
　　（2）清潔、安的工作環(huán)境。淬火或回火過程中無煙霧，地面無油污。
　　2）技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
　?。?）冷卻速度靈活可調(diào)。通過改變濃度、溫度和攪拌，能在相當(dāng)大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷卻速度，適應(yīng)不同材料和不同厚度工件的淬火冷卻要求。
　?。?）減少軟點(diǎn)。聚合物具有潤(rùn)濕性，避免感應(yīng)淬火過程中水冷因穩(wěn)定蒸汽膜而產(chǎn)生的淬火軟點(diǎn)。
　?。?）減少應(yīng)力及變形。均勻致的聚合物膜可減少伴隨水冷出現(xiàn)的較大溫度梯度及殘余應(yīng)力，減少變形。對(duì)鋁合金固溶處理，減少變形的作用尤為突出。
　?。?）更能包容水分混入。只要不嚴(yán)重影響濃度，可以容許相對(duì)較大量水分存在。而淬火油即使混入微量水分，也會(huì)造成軟點(diǎn)、變形甚至開裂。
　　3）生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)
　?。?）降低成本。稀釋使用，所以次投入成本低于油，而且聚合物淬火液粘度通常比油低，帶出量和添加量會(huì)有所減少。
　　（2）易于清洗。殘留聚合物會(huì)在高溫下完分解，形成水蒸氣及二氧化碳。工件可直接回火，不必用堿清洗或蒸汽脫脂，降低工序成本。低溫回火或時(shí)處理時(shí)，殘留聚合物不能完分解，可用清水方便地清洗去除。
　　（3）降低淬火過程的槽液溫升。聚合物淬火液比熱容幾乎是淬火油的兩倍，對(duì)相同淬火量而言，溫升大約只有油的半。另外，據(jù)報(bào)道，礦物油對(duì)地下水污染長(zhǎng)達(dá) 100 年之久，僅 0.1 克的礦物油，就能降低海水中小蝦的壽命達(dá) 20%。礦物淬火油，在淬火中會(huì)發(fā)出碳?xì)浠衔?多環(huán)芳烴，多環(huán)芳烴是重要的環(huán)境和食品污染物，其中苯丙芘是強(qiáng)致物，長(zhǎng)期接觸苯丙芘，除能引起肺外，還會(huì)引起消化道，膀
　　胱，乳腺等。礦物淬火油的殘?jiān)?具危害性，在際上被列為危險(xiǎn)污染物，在我 2008 年“家危險(xiǎn)廢物名錄”明確將礦物淬火油殘?jiān)腥肫渲校V物淬火油屬于對(duì)健康和生態(tài)有嚴(yán)重危害的淬火介質(zhì)，其廢棄物屬于長(zhǎng)期影響的污染物。由以上分析可見，用水溶性聚合物淬火介質(zhì)取代淬火油的確到了刻不容緩的時(shí)候。
　　兩年前，內(nèi)家淬火槽制造廠收到家外資企業(yè)的詢價(jià)單，其中要求制造三臺(tái)大型淬火槽：分別是清水槽，冷卻性能與油相同的聚合物水溶液槽和 15%PAG 聚合物水溶液槽，已經(jīng)明確要求不用礦物淬火油。這份詢價(jià)單，對(duì)于內(nèi)大企業(yè)的淬火油槽的技術(shù)改造具有指導(dǎo)意義。
　　聚合物淬火介質(zhì)的冷卻機(jī)制
　　把聚合物水溶液代替淬火油當(dāng)做淬火介質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)力，是因?yàn)樗鼪]有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，沒有煙塵和合乎環(huán)保要求。油是很粘稠的，比水有更高的沸點(diǎn)，熱交換理論告訴我們，油所以能減少裂紋傾向，是因?yàn)樗哂懈叩恼扯龋瑥亩档土藷峤粨Q系數(shù)，對(duì)于許多鋼而言，減少了馬氏體形成區(qū)的冷卻速度（熱交換率是隨著粘度的增加呈指數(shù)遞減的）。同樣的邏輯，被用于聚合物淬火介質(zhì)的開發(fā)，用以替代油。
　　我們知道，多種聚合物是有的稠化劑，經(jīng)過多年的研究，聚烷氧化物通常叫聚烷撐乙二醇（PAG），搶占了人造淬火介質(zhì)的 大市場(chǎng)份額。上述聚合物具有的逆溶性（通常稱為濁點(diǎn)應(yīng)）。它在室溫下完溶于水，呈清澈的均勻水溶液，而在高溫下，聚合物在水中析出呈不溶解相，當(dāng)冷卻下來時(shí)，聚合物又重溶于水，再次形成均勻水溶液。這個(gè)過程是完可逆的。根據(jù)上述機(jī)理，當(dāng)熱金屬淬入聚合物淬火介質(zhì)水溶液時(shí)，液狀聚合物膜會(huì)包圍，沉積在熱金屬表面，該金屬冷卻速率就部分通過富含聚合物膜的熱傳導(dǎo)性得到控制。聚合物介質(zhì)的濃度決定了這層膜的厚度（濃度越大，膜越厚，冷卻速度越慢），所以調(diào)節(jié)介質(zhì)的濃度，使聚合物淬火介質(zhì)的冷卻速度在很寬范圍內(nèi)變化，可以從水到慢速淬火油。
　　聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)淬火機(jī)理的影響
　　如果將只金屬探頭加熱到奧氏體化溫度（即 850℃），然后將它浸入淬火介質(zhì)中，則淬火介質(zhì)的溫度/時(shí)間曲線和溫度/冷卻速度曲線被記錄下來，冷卻曲線能反映出淬火過程中在不同的溫度階段的淬火介質(zhì)冷卻能力。對(duì)于聚合物淬火介質(zhì)而言，利用冷卻曲線所顯示的水溶液冷卻性，決定在生產(chǎn)中采用何種類型的聚合物。

　　圖1 是常見淬火過程典型的溫度/時(shí)間曲線。個(gè)冷卻曲線通常具有三個(gè)區(qū)域，傳統(tǒng)上命名為 A 期、B 期和 C 期。

　　圖 1 冷卻曲線的三個(gè)階段

　　圖 2 lnconel 600 探頭在靜止?fàn)顟B(tài)下的冷卻曲線，介質(zhì)溫度 40℃。其中：（a）PAG(聚烷撐乙二醇)，（b）PVP（聚氧化吡咯烷酮）。

　　圖 3 lnconel 600 探頭在靜止?fàn)顟B(tài)下的冷卻曲線，介質(zhì)溫度 40℃。其中：（c）PEOX（聚乙烯惡唑啉），（d）PSA（聚苯烯酸鈉）。
　　A期冷卻區(qū)域，在熱金屬表面形成了層蒸汽膜。繼續(xù)冷卻過程，從A期到B期出現(xiàn)個(gè)過渡階段。B 期冷卻是經(jīng)過核沸騰完成的，這是淬火過程中冷卻快的區(qū)域。當(dāng)探頭溫度低于淬火介質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，C 期冷卻開始，在該點(diǎn)沸騰停止，探頭的冷卻主要靠介質(zhì)的傳導(dǎo)與對(duì)流而減慢，這時(shí)稱為對(duì)流傳熱期。
　　淬火介質(zhì)，無論是油、水、聚合物水溶液，其冷卻機(jī)理的改變，起決定作用的是熱金屬表面上液體和蒸汽膜性的影響。為了證明這個(gè)這個(gè)問題，對(duì) 4 種主要聚合物淬火介質(zhì)：PAG、PVP、PEOX 和 PSA 的 A、B、C三個(gè)冷卻階段進(jìn)行了研究，具體辦法是對(duì) lnconel 600 探頭淬入介質(zhì)后，在它的金屬和溶液界面上發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行照相。圖 2（a）、（b）、（c）、（d）分別表示了這些照片被疊加到真實(shí)的冷卻曲線上。圖 2 中部曲線是在靜止的濃度為 20%的聚合物水溶液中測(cè)定的。這研究結(jié)果不能被過度解釋。因?yàn)槊糠N淬火介質(zhì)在介質(zhì)溫度、濃度和攪拌條件變化的條件下，淬火行為會(huì)在很大的范圍內(nèi)變化。這些圖簡(jiǎn)單地說明，在熱金屬界面上，聚合物膜形成的性能是不同的。
　　如圖 2 所示的每種聚合物水溶液，在 A 期冷卻階段，在金屬圓棒周圍形成層蒸汽膜。很明顯，該膜的性質(zhì)（如強(qiáng)度、厚度、粘度等）控制該區(qū)的冷卻過程。
　　在繼續(xù)冷卻過程中，出現(xiàn)個(gè)突變過程，蒸汽膜破裂，這不是核沸騰（如傳統(tǒng)上所描述的），因?yàn)橛械哪さ膹?qiáng)度影響沸騰過程。例如，PSA和 PVP 淬火介質(zhì)的冷卻先是膜破裂引起的。PSA 出現(xiàn)膜破裂比起 PVP伴隨有很多較小對(duì)膜的損傷，至少存在于這次測(cè)試不攪拌條件下。PEOX淬火介質(zhì)同樣經(jīng)歷膜破裂過程，但是破裂出現(xiàn)伴隨有部分聚合物釋放到溶液里，因?yàn)榫酆衔锊蝗芙庑砸鹑芤旱臏啙?，這是由于膜的溫度高于聚合物濁點(diǎn)。PAG 淬火介質(zhì)不形成連續(xù)的膜，也不出現(xiàn)膜的破裂。同 PVP、PSA 及PEOX 比較，PAG 在冷卻行為上的差異或許是因?yàn)樗偷姆肿又亓亢偷偷木酆衔锬?qiáng)度。另外，溶液渾濁是因?yàn)樵搮^(qū)溫度高于共聚物濁點(diǎn)的結(jié)果。
　　在連續(xù)冷卻過程中，PVP 和 PSA 的膜破裂并保留在探頭上。PEOX 部分不溶物可能被觀察到，因?yàn)榻缑嫔蠝囟冉档降陀诜蛛x溫度。PAG 聚合物會(huì)幾乎完再次溶解到槽內(nèi)，因?yàn)榻缑鏈囟冉档降陀跐狳c(diǎn)。
　　在C 期冷卻過程中，通過保留在工件表面上聚合物膜的傳導(dǎo)熱（或者是對(duì)流或者是傳導(dǎo)）的能力是該區(qū)控制熱轉(zhuǎn)移的主要因素之。聚合物水溶液的粘度是個(gè)因素，當(dāng)溶液粘度增加時(shí)，熱轉(zhuǎn)移率就會(huì)降低。非常高的溶液粘度，典型地大于 10～12Cst。當(dāng)淬火過程結(jié)束，工件從槽中取出時(shí)，導(dǎo)致大量的聚合物帶出。
　　各種聚合物膜的性質(zhì)和它們?cè)诶鋮s過程中對(duì)熱狀態(tài)的反應(yīng)，彼此之間是非常不同的。圖 2 表明，聚合物膜的強(qiáng)度可以是強(qiáng)的（如 PVP 和 PSA），弱的（如 PAG）或者是中等的（如 PEOX）。此外，膜的性也隨著金屬界面至主體溶液距離而變化。隨之而來，熱交換也在這種狀態(tài)下而變化。
　　聚合物淬火介質(zhì)代替淬火油的經(jīng)濟(jì)性姜聚滿等人對(duì)聚合物淬火介質(zhì)代替淬火油的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

　　表 1 是 PAG 水溶性淬火介質(zhì)、淬火油每噸工件的介質(zhì)消耗量。

介質(zhì)名稱	生產(chǎn)每噸工件消耗介質(zhì)量 Kg		處理成本 元/噸
	經(jīng)驗(yàn)值	實(shí)際值
PAG 水溶液	<3	0.42	10.92
淬火油	5～10	6.57	98.55

　　分析表 1 可見，PAG 淬火介質(zhì)的成本只有淬火油的 1/10，按現(xiàn)有平均價(jià)計(jì)算（2011 年），生產(chǎn)每噸工件采用 PAG 水溶性淬火介質(zhì)成本：
　　0.42×26 元/Kg=10.92 元，淬火油成本：6.57×15 元/Kg=98.55 元，PAG 介質(zhì)成本只有淬火油的 11.08%，每噸節(jié)省 87.63 元。如果 50 噸淬火槽用淬火油需 75 萬元（50×1.5），用 PAG 水溶液（10%濃度）只需 13 萬元（50×10%×2.6）即可節(jié)省 60 多萬元。對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)者來說，可大大降低次性投入。如果每年達(dá)到 50%用 PAG 水溶液代替淬火油，則在“十二五”期間，每年節(jié)省費(fèi)用 6.1 億元，經(jīng)濟(jì)益和社會(huì)益十分驚人。