有机聚合物淬火液的研究进展

李松林, 李忠琳, 芮 斌

（武汉工程大学 研究设计院, 湖北 武汉 430074）

有机聚合物淬火液的研究进展

李松林, 李忠琳, 芮 斌

（武汉工程大学 研究设计院, 湖北 武汉 430074）

有机聚合物淬火液由于其优良的性质，在金属加工行业得到了越来越多的应用。对淬火介质的种类、有机聚合物淬火液的种类和研究进展进行了综述，指出了有机聚合物淬火液目前存在的问题，并展望了其未来的发展方向。

有机聚合物；淬火液；金属加工

钢铁是机械工业中应用最广泛的材料，经过热处理后可以获得不同的性能，其中冷却工艺在钢铁的热处理生产中具有重要地位，常见的冷却处理工艺有正火、回火、退火、淬火等［1］。淬火是指先将工件加热到相变或部分相变温度并且保温一段时间后，然后在淬火介质中快速冷却的处理工艺。经过淬火工艺处理可以提高工件的综合机械性能[2,3]，理想的冷却过程曲线如图 1所示[4]。

图1 冷却过程曲线Fig.1Coolingprocess curve

1 淬火介质的种类

淬火介质是进行淬火操作的重要基础，淬火冷却工艺的关键是通过选择合适的淬火介质以得到理想的淬火性能，从而生产出满足要求的工件成品[5,6]。

淬火介质有固态、液态、气态三种，最常用的淬火介质为液态淬火介质，包括水、盐或碱的水溶液、有机聚合物水溶液、矿物油等。

1.1 水

水是一种来源丰富、价格低廉的淬火介质，其冷却能力受水温的影响很大。一般使用温度为 20～40 ℃，当水温在 60 ℃以上时，其冷却能力会出现明显下降[7]。单一的水作为淬火液时冷却特性并不理想，因此需要加入其它添加剂以调节其性能。

1.2 盐或碱的水溶液

水中溶入盐（如 NaCl）、碱（如 NaOH）等物质后能在一定程度上加快冷却速度。其中，碱水（NaOH）溶液作淬火介质时能与工件表面发生反应得到较好的外观。但该溶液对设备的腐蚀性较强，且对皮肤有刺激性。因此，碱水溶液未能在实际生产中作为淬火液广泛应用。

1.3 有机聚合物水溶液

有机聚合物淬火液是以高分子有机聚合物为主要成分经复配而成的复合水溶液。其中，聚合物的种类、分子链的长度及使用浓度等对淬火液的性能都有较大的影响，但同时也说明，可以通过控制以上因素来调节淬火液的性能。

1.4 矿物油

矿物油是从石油中提炼得到的，矿物油在高温区域的冷却能力较低。目前一般是通过向矿物油中加入添加剂以提高其特性温度。

综上可知：水的冷却能力较强，但冷却特性并不理想；油的冷却特性比较理想，但其冷却能力有限；通过向水中添加有机聚合物可以改善其冷却特性，有望得到具有较好性能的淬火液。水、油、聚合物淬火介质的冷却速度曲线如图 2 所示[7]。有机聚合物淬火液不易燃、更安全、性能易调节[8]，因此而成为当前淬火液领域研究的主要方向。

图2 水、油、聚合物淬火介质的冷却速度曲线Fig.2 Cooling rate curves of water, oil andpolymer quenching media

2 高分子聚合物淬火液的种类

实际生产中应用的聚合物淬火介质主要有聚烷撑二醇(PAG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸钠(SPA)、聚丙烯酰胺(PAM)等。在以上聚合物淬火介质中，以p A G 为主要成分的淬火介质的的应用最为广泛[9]。

2.1 聚烷撑二醇(PAG)

PAG 淬火剂是目前应用最广的聚合物淬火液[10]。该类聚合物淬火液的稳定性较好，氧化降解性和老化速率相对较低。无烟、无毒、无腐蚀，能有效降低工件的开裂倾向[11]。PAG 淬火液具有最佳使用温度范围，一般为 20～40 ℃, 在实际生产应用中需要有热交换降温装置[12]。吴鹏等[13]以pAG 为主要原料制备了水性聚合物淬火液，该淬火液无毒、无油烟、不燃烧、使用安全，无环境污染。

2.2 聚乙烯醇(PVA)

PVA是最早使用的有机聚合物淬火剂，低浓度的pVA 淬火液的冷却能力与水相近，高浓度的pVA淬火液的冷却能力与油相近。在实际使用过程中需要控制好浓度，操作繁琐，同时其稳定性较差，易发臭，目前已很少使用。叶菊兰等 研究了不同浓度的PVA 淬火介质对钢制刹车零件的性能的影响。结果表明，选用浓度为 0.3%～0.5%的pVA 淬火剂进行淬火处理能够满足刹车零件的技术要求。

2.3 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)

PVP 淬火液的使用浓度一般不高，该类聚合物淬火介质可以一定程度上代替淬火油，在应用过程中对环境的污染小，且安全性良好。但是其本身分子链稳定性较差，存在遇热易分解的问题，因此在实际生产中并没有被广泛使用。

2.4 聚丙烯酸钠(SPA)

SPA 淬火液的性能与使用浓度和分子量范围有关，在实际应用中需要保持特定的分子量范围，溶液中的其它金属离子（如钙离子、铁离子、镁离子等）会影响淬火液的黏度，造成维护和管理困难。李颖悟[15]开发了一种基于聚丙烯酸钠的水溶性聚合物淬火剂，可用于锻造、铸造、轧制制造中的可控淬火或二次加热时的可控淬火，具有无毒、无味、无污染等优点，且成本低，经济效益显著。

2.5 聚丙烯酰胺(PAM)

PAM 淬火液化学性质较稳定，使用安全，对工件设备无腐蚀，可用于大型工件的淬火。但该类淬火液在碱性环境中的稳定性相对较差，容易发生水解[16]，因此使用范围有限。

2.6 其它

以其它高分子聚合物为原料的淬火液也有报道，但实际应用的并不多。如冯绍康[17]以羧甲基纤维素钠为主要原料制备了一种水溶性有机淬火剂，具有配方简单、成本低、使用方便、易清洗等优点；陈守介[18]介绍了以聚乙二醇(PEG)为主要成分的聚合物淬火液，具有无刺激性、防锈性能优良、泡沫少、耐腐蚀等优点。

以上几种常见聚合物淬火液的性能比较如表 1所示。

3 聚合物淬火液目前存在的问题及未来的发展方向

聚合物淬火介质一般具有不燃烧、无毒、无腐蚀、无污染等诸多优点，应用前景非常广阔，但同时也存在一些问题，主要表现在以下几个方面：

（1）聚合物淬火介质对温度和浓度比较敏感，使用温度范围和浓度范围较窄。在使用的过程中需要对温度和浓度进行监测，操作较繁琐。

（2）聚合物淬火介质的淬火性能有限，目前还不能够实际完全代替油淬火。

（3）水溶性聚合物淬火液容易滋生细菌，会加速淬火液的老化并影响其性能。实践表明，配制用水会对聚合物淬火液的使用性能造成影响[20-21]。

（4）为了充分发挥聚合物淬火液的性能，在使用过程中需保持淬火液体系的清洁，维护比较麻烦[22]。

表1 常见聚合物淬火液原料的性能比较[19]Table 1performance comparison of raw materials for commonpolymer quenching liquid

聚合物淬火介质的应用前景广阔，为最大程度地提升和发挥聚合物淬火剂的性能，需要对聚合物淬火介质的组成和应用做进一步的研究。同时还要不断创新、提高质量、降低成本，开发出各种类型和性能的淬火液以满足市场需求。同时应加强淬火液的管理与维护，保证其高效、清洁、安全的应用[23-26]。

4 结束语

随着技术的不断进步，人们对淬火介质的要求越来越高，传统的淬火介质将会逐渐被市场淘汰。开发新型环保、高效的聚合物淬火介质将具有重要意义[27]。随着研究的深入和有机聚合物淬火介质性能的不断提高，有机聚合物淬火介质在热处理领域的应用必将越来越广泛。

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Researchprogress of Organicpolymer Quenching Liquid

LI Song-lin, LI Zhong-lin, RUI Bin
（Research and Design Institute of WIT, Hubei Wuhan 430073, China）

The organicpolymer quenching liquid has been wildly used in the metalprocessing industry because of its excellentproperties. In thispaper, types of quenching media, types of organicpolymer quenching liquid and researchprogress were reviewed. The existingproblems of organicpolymer quenching liquid werepointed out, and the future development direction of organicpolymer quenching liquid wasprospected.

Organicpolymer; Quenching liquid; Metalprocessing

TQ 325

： A

： 1671-0460（2017）02-0316-03

2016-10-11

李松林（1985-），男，湖北松滋人，硕士，工程师。E-mail：lslwhu@qq.com。

李忠琳，硕士，工程师。E-mail: 63232152@qq.com。