水溶性聚合物淬火介质的种类及特点

一、水溶性聚合物淬火介质的种类及特点

1．水溶性聚合物的种类

迄今为止，人们已掌握了大量的天然及合成聚合物，但其中可以作为淬火介质的并不多，表2－51列出了一些聚合物的种类。在我国得到实际应用的只有聚乙烯醇(PVA)聚醚、聚烷撑乙二醇(PAG)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等少数几种，目前，使用量最大的是聚烷撑乙二醇(PAG)。

聚合物淬火介质可以进一步分为逆溶性和非逆溶性两大类(表2－52)两者共同之处是都在工件表面高温作用下形成聚合物膜，区别则在于:

①逆溶性聚合物(PAG、PEOX等)。在工件的高温表面附近，液温超过聚合物的逆溶点(浊点)时，聚合物从溶液中脱溶(沉淀)出来，在工件表面形成聚合物膜;

②非逆溶性聚合物(PVP等)。在工件的高温表面附近，聚合物溶液迅速蒸发，形成向气—液界面递增的浓度梯度，并随着浓度的进一步增高而在工件表面形成聚合物膜。

表2－51　主要水溶性聚合物淬火介质

表2－52　两种不同类型聚合物比较

(1)聚乙烯醇(PVA)。

优点是使用浓度低，成本低，使用方便。所以，国内外在感应加热淬火冷却上目前仍然有一些应用。缺点是冷却能力随浓度变化敏感，浓度控制难度较大;聚合物层不能再溶解，随工件带出较多，易老化变质，产生糊状物(堵塞喷孔)。

(2)聚烷撑乙二醇(PAG)。

聚烷撑乙二醇是目前应用最多的一种有逆溶性的聚合物淬火介质。通常用浊点(一般在60～90℃)来衡量其逆溶性。根据其分子量和分子量分布情况，又可以进一步分为一类和二类两种。长期使用中性能稳定。

(3)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

无逆溶性聚合物淬火介质。其冷却特性更接近于油，使用浓度一般较聚烷撑乙二醇低，易于管理，且化学耗氧量低。是取代淬火油的理想选择。近年来其应用范围不断扩大，是一种很有发展前途的聚合物淬火介质。

(4)聚丙烯酰胺(PAM)。

无逆溶性聚合物淬火介质。缺点是其化学耗氧量高，对环境冲击较大。

(5)聚乙烯恶唑啉(PEOX)。逆溶性聚合物淬火介质。目前国内使用较少，黏度低，工件带出量少。易被生物分解，有利于环境保护。具有一定的发展潜力。

(6)聚异丁烯顺丁烯二酸钠(PM I)。逆溶性聚合物淬火介质，可用于喷淋和浸淬。在500℃以下形成聚合物膜。

(7)聚乙二醇(PEG)。与聚烷撑乙二醇类似，但无逆溶性。缺点是冷速对浓度和液温较为敏感。

(8)聚丙烯酸钠(PAS)。

阳离子型聚合物淬火介质。加热时不易分解，在热工件上不易生成聚合物膜，其冷速的控制因素是分子量和水溶液的黏度，冷速较慢。缺点是对水硬度敏感，浓度管理困难。

(9)改性纤维素。

非逆溶性改性天然聚合物。常用的有羟乙基纤维素、羧甲基纤维素等，其冷速可以调整到接近于淬火油。缺点是溶解速度慢，浓度测量和控制不便。目前应用较少。

2．水溶性聚合物淬火介质的特点

如前所述，大多数聚合物淬火介质是通过聚合物在工件周围形成聚合物膜来达到降低冷速的目的的。它们的共同特点是:

①聚合物淬火工作液在各温度阶段的冷速分布与聚合物膜的成膜机制、膜的结构和强度有直接关系;

②具有较短的蒸汽膜沸腾阶段，且蒸汽膜的破裂较为均匀;

③聚合物膜厚度与冷速成反比;

④淬火工作液的浓度与聚合物膜的厚度成正比，与冷速成反比;

⑤淬火工作液的温度与冷速成反比;

⑥淬火工作液的相对流速与冷速成正比。

根据这些特点，人们不仅可以按照工艺上的实际需要选择聚合物淬火介质的类型，而且可以在使用过程中，通过调整聚合物淬火液的浓度、液温和流速，在一定程度上调整和控制冷速和冷速分布。

(1)聚合物淬火介质的应用。

①各类碳素钢、低中合金结构钢、渗碳钢、弹簧钢、模具钢、轴承钢等多种钢制工件，各种铝合金板材及铸锻件的热处理。

②各种开式淬火槽和感应加热淬火。

(2)聚合物淬火介质与淬火油相比的优点。

①非可燃性。无火灾危险，无需消防设备及其管理维护费用。

②无油烟油雾。无需空气净化设备。

③蒸汽膜均匀破裂。有助于控制开裂和畸变。

④在淬火过程中不会生成有害的气味和热分解产物。人体健康安全。

⑤泄漏和溅出的淬火工作液可以用水清洗。清洁的工作环境。

⑥可改变浓度调整冷速。更大的热处理工艺操作弹性。

⑦采用非逆溶性聚合物淬火液，可实现工件的局部淬火和在高温出液，以满足特殊的热处理工艺要求。

⑧对于淬火后需经回火处理的工件，可免去中间的清洗步骤。

(3)聚合物淬火介质的应用局限。

①一般不适用于各种密闭式气氛炉(水蒸气将破坏炉内气氛)。

②不适用于经盐浴炉加热后工件的淬火。

③成批工件淬火时，工件之间应保持足够的距离。

聚合物淬火介质仍然是液体淬火介质的主要发展方向。在今后相当长的一段时间里，用水基淬火介质，尤其是聚合物淬火介质进一步取代淬火油和水仍然是一个不可逆转的技术和市场发展趋势。为此，必须开发新的水基介质，如新的水溶性聚合物或其他无机材料，拓宽可控制冷速变化范围，目前，许多产品在理论上都可以达到“从水到油之间的任何冷速”，但在实际应用上，其可控制冷速往往只能在靠近水冷速的一个很窄的范围内变化。由于受到材料本身和诸多热处理工艺多样性的限制，许多在实验室冷速曲线上能够达到的冷却速度，在工业生产规模上根本无法实现。理论上能溶于水并且改变其冷速的聚合物或其他材料很多，但是，真正能够通过浓度改变在工业热处理设备上有效和稳定地达到特定冷速的材料就不是很多了，而如果这个特定冷速要在一个足够宽的范围内实现可控制变化，则实际可选之物就寥寥无几了。随着高分子聚合物材料及整个材料工业的不断发展，在水基热处理淬火材料的取材上必将提供许多新的机会和可能。除此之外，对于天然以及改性天然高分子聚合物在热处理淬火冷却材料中的应用，也应当给予充分的注意。