《毕业设计（论文）-40Cr连杆用水溶性淬火液的研制.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-40Cr连杆用水溶性淬火液的研制.doc（33页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、长春工业大学学士论文摘 要本文是研制一种针对40Cr连杆锻造余热淬火的水基淬火液，代替价格高又不能保证生产安全的淬火油，本文主要是利用具有降低淬火冷却速度的水玻璃、加快冷却速度的氯化钠和碳酸钠以及作为保持悬浊液稳定的氢氧化钠做溶质，自来水做溶剂，通过调整溶质比例，配制合理的淬火液。通过测定淬火和回火的硬度和观察金相组织，验证所配制的淬火液是否符合能达到力学性能要求，如不能达到，视情况调整各溶质浓度。经过多次实验，最后得出结论，所配置的方案六淬火液（水玻璃 412g ,NaCl 1100g,Na2CO3 1100g, NaOH 50g,自来水7500g，配合900淬火、560回火）是既能保证力学
2、性能要求，又能兼顾节省成本并环保的最佳配方。关键词 连杆 水基淬火液 水玻璃 力学性能 33Title: The Development of 40Cr Connecting Rod with Water-soluble Quenching LiquidAbstractThis article is developing a water-based quenching liquid for 40Cr connecting rod forging Quenching. Instead of the quenching oil which is high prices and cant guara
3、ntee the production safety. In this paper, solutes are sodium silicat, NaCl, sodium carbonate and sodium hydroxide. sodium silicate is used to reduce quenching cooling rate, NaCl and sodium carbonate is used to improve quenching cooling rate,and sodium hydroxide acts as keeping the suspension stable
4、 sodium. Water to do the solvent. By adjusting the solutes ratio, make up a reasonable quenching liquid. Determination of the hardness of the quenched and tempered, and observation of the microstructure, to verify the preparation of the quenching liquid in line with to achieve the mechanical perform
5、ance requirements or not. If it can not reach, as the case may adjust the solutes concentrationAfter a series of adjustments, the final experimental verification that We configure the program five quenching liquid (sodium silicate 412g ,NaCl 1100g and Na2CO3 1100g and NaOH 50g, water 7500g, with the
6、 840 quenching, 560 tempering) can guarantee the mechanical performance requirements, while maintaining the cost-saving and environmental protectionthe best formula.Keywords: Connecting rod Water-based quenching liquid Sodium silicate Mechanical properties 目录第一章 绪论41.1 40Cr连杆41.1.1 40Cr的特性41.1.2 连杆的
7、性能要求41.1.3 40Cr淬火对力学性能的影响51.1.4 锻热淬火51.1.5 锻热淬火后的力学性能61.1.6 40Cr淬火的意义61.2钢的淬火缺陷71.2.1淬火裂纹71.2.2淬火变形71.2.3淬火后硬度不足71.2.4淬火硬度不均匀71.3淬火剂的要求81.3.1 淬火剂的工艺要求81.3.2淬火剂环保节约的要求81.4常用的淬火介质91.4.1水91.4.2盐水和碱水91.4.3油91.4.4新型淬火剂101.5理想淬火液111.6 水基淬火剂的发展前景121.6.1 淬火介质的发展历程121.6.2 水基淬火介质发展的现状131.6.3 水基淬火介质发展前景151.6.4
8、 本文所研究的内容16第二章 实验172.1 实验材料与设备172.1.1 实验材料172.1.2实验设备172.2实验方案172.3 实验步骤19第三章 40Cr连杆的组织与性能分析213.1 引言213.2 40Cr连杆的硬度测试分析213.3 40Cr连杆的显微组织性能分析233.4 本章小结28第四章 结论29致谢30参考文献：31第一章 绪论1.1 40Cr连杆1.1.1 40Cr的特性40Cr钢在机械制造业应用十分广泛。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到2860mm,油淬时可淬透到1540mm。表1-1 40Cr的化
9、学成分牌号40CrC0.370.44Si0.170.37Mn0.500.80Cr0.801.10Ni0.030P0.035S0.0351.1.2 连杆的性能要求图1-1 连杆连杆（connecting rod）连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。 连杆是汽车与船舶等发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除
10、承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力1。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。1.1.3 40Cr淬火对力学性能的影响钢的淬火就是将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或下贝氏体组织的工艺方法1。淬火是最重要的热处理工艺，可以显著提高钢的强度和硬度。如果与回火相结合可以得到不同强度韧性和塑性的配合，从而获得不同的应用。亚共析钢一般在Ac3+3050加热，因为这样可以得到细小均匀
11、的奥氏体晶粒，淬火后就可以得到细小的马氏体组织。如果加热温度低于Ac3,钢组织中将会保留部分铁素体，使淬火硬度和强度都低;而加热温度过高，将会引起奥氏体晶粒粗大，使淬火钢的机械性能降低。由于淬火温度Ac3+3050处于完全奥氏体的相区，故称作完全淬火。过共析钢淬火加热温度是Ac1+3050,因为在淬火前需要进行球化退火，得到球化体组织，故加热到上述温度就可以得到颗粒状渗碳体和马氏体。由于存在颗粒渗碳体，不但没有降低钢的硬度，反而提高他的耐磨性；同时，因为加热温度较低，故奥氏体晶粒很小，淬火后就可以得到细小（隐针）马氏体。可以得到机械性能较好的钢。如果加热温度太高，就会带来不良后果：由于渗碳体全
12、都溶于奥氏体中，淬火钢的耐磨性会降低；奥氏体晶粒显著增大，淬火后就会得到粗大的马氏体，进而形成显微裂纹的倾向增大；奥氏体中碳含量显著增高，Ms点降低，淬火后大大增加了残余奥氏体量，使钢的硬度降低，氧化、脱碳加剧，同时淬火变形和开裂程度增大等等2。1.1.4 锻热淬火锻热淬火是指在热锻成型后立即投入淬火介质中淬火以获得淬火组织的一种将锻造和淬火结合于一起的工艺方法。锻热淬火在生产上早早就有应用。如古代在生产刀剑时经常是在最后锻打成型后立即淬火。但是当时并不清楚这种工艺的本质。最初采用这种工艺，主要是为了节约能源和简化工艺。但实践表明，好处远远大于如此，采用锻热淬火还能进一步改善性能，经过锻热淬火
13、结合高温回火后的强度和硬度一般都高于普通调质，但是塑性和韧性稍低。锻热淬火不仅可提高性能外，还有下述一系列优点：1.节约能力采用锻热淬火就可以省去原调质工艺中锻后正火和调质淬火的两道加热工序，所以能显著节约能量。另外，采用锻热淬火工艺时，加热锻坯一般采用连续加热炉。相较于锻造车间通常用的周期式炉，它热效率高，燃料消耗自然低。2.节约钢材由于锻热淬火能在保证足够塑性与韧性的前提下，提高强度，所以采用此工艺可以减轻零件的重量。又由于锻热淬火可显著提高淬透性，因此原来采用水淬的，就可以改用油淬；原来采用的合金结构钢可以改用普通碳钢。这样可以节省昂贵的合金元素，也就降低了原材料成本。3.节约基本投资采
14、用热锻淬火会省去原工艺中正火及调质的工序，因此可以节省用来正火和调质淬火的加热设备及这些设备所占车间面积。另外，减少了设备，所以设备的维修费也会相应得到节省。4.节约工时，缩短生产周期简化了工序，自然工时会显著减少，缩短生产周期。 5.便于机械加工形变热处理就是运用形变强化和热处理强化结合的一种强化工艺。其优点就是能同时提高钢的强度，塑性和韧性。或是保持塑性和韧性不降低的前提下，显著提高强度。缺点就是在提高强度的同时也会改变其形状。因为锻轧成型不能保证零件的几何精度，所以在形变热处理后要进行机械加工。但是强度及硬度的提高增加了机械加工的难度。这就是为什么许多类型的形变热处理不易在生产上得到推广
15、应用。用锻造余热淬火和随后的高温回火代替原来的调质工艺避免了这一缺陷。因为经高温回火，钢的强度和硬度并不高，容易进行机械加工，所以锻热淬火是易于推广的形变热处理3。1.1.5 锻热淬火后的力学性能影响锻热淬火后力学性能的因素很多，一般来说，锻热淬火能在保持韧性和塑性的前提下，显著提高强硬度。锻热淬火和普通淬火相比，韧性和强度的配合一般以锻热淬火的为佳。与普通调质钢相比较，锻热淬火结合高温回火可以使强度极限提高310%，硬度提高10%，延伸率提高1040%，冲击值提高2030%4。同时锻热淬火还可以提高钢的断裂韧性、裂纹扩展功与疲劳极限。一般认为，锻热淬火能抑制可逆回火脆性，并且这种效应还可以遗
16、传，即在锻热淬火后再一次淬火和回火，不仅冲击值高，且不会出现可逆回火脆性的低谷。而未经锻热淬火的钢件在淬火后的回火时会随回火温度升高，在550600时出现一个可逆回火脆性低谷。但是40Cr锻热淬火后，可逆回火脆性没有被抑制，所以一般在锻热淬火后还是要避免在脆化区回火或者缓慢通过脆化区5。1.1.6 40Cr淬火的意义淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。淬火工艺在现代机
17、械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求，发展了各种各样的淬火工艺。6淬火工艺的发展，大大满足了工业需求，同时节省了一些高价格的材料的应用，所以淬火基本上是一项每个工厂必备的工序，或者说是每个零件必须经历的工序。1.2钢的淬火缺陷1.2.1淬火裂纹淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变
18、开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状7。因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。1.2.2淬火变形一
19、般来说,完全淬透的情况下,碳素钢的Ms点比合金钢的Ms点高,其马氏体相变在比较高温度下开始。又由于钢在较高温度时具有较好的塑性,另外碳素钢本身的屈服强度相对较低,所以带有内孔(或型腔)的碳素钢件,变形比较大,内孔(或型腔)趋于胀大。对合金钢来说，由于强度比较高,Ms点比较低,残余奥氏体量比较多,故淬火变形比较小,并且主要表现为热应力型变形,其钢件的内孔(或型腔)趋于缩小。因此,与中碳钢同样条件下淬火,高碳钢和高合金钢工件基本以内孔收缩为主。1.2.3淬火后硬度不足在生产过程中,有时会出现淬火后硬度不足的情况, 这是热处理淬火过程中常见的缺陷。硬度不足有时表现为整个工件硬度值偏低,有时是局部硬度
20、不够8。淬火时硬度不足的原因很多, 与材料内在的冶金缺陷、选材不当、错料、 设计上的结构工艺性差、加热工艺、冷却介质、冷却方法以及回火温度等都有密切关系。1.2.4淬火硬度不均匀硬度不均即工件淬火后有软点9，产生的原因有：(1).工件表面有氧化皮和污垢；(2).淬火介质中有杂质，例如，水中有油，会使淬火后产生软点；(3).工件在淬火介质冷却的时候，如果冷却介质的搅动不够，不能及时赶走工件凹槽及大截面处的气泡会产生软点；(1).渗碳件的表面碳浓度不均匀，在淬火后会产生软点；(2).淬火前的原组织不均匀，如有严重的碳化物偏析，或者原始组织粗大，铁素体呈大块状分布。1.3淬火剂的要求1.3.1 淬火
21、剂的工艺要求在工件的热处理工艺中，我认为淬火工艺是最复杂和难以控制的。淬火工艺之所以复杂是因为淬火时要得到马氏体，冷却速度就必须大于临界冷却速度，而快速冷却又难免引起较大的内应力，往往造成工件的变形或开裂，或者使工件的韧性降低。如果冷却速度小于临界速度，淬火后又得不到马氏体，工件的硬度、耐磨性和强度又不足。因此，淬火时，冷却速度必须恰到好处，既要保证得到马氏体又要减小变形、防止开裂、保持韧性，这是淬火工艺上最主要的问题。为了满足上述要求，我们首先必须掌握钢淬火时最理想的冷却速度。从过冷奥氏体的等温转变曲线坐标图我们可以知道，过冷奥氏体在650500度的范围内转变的速度是最快的，高于这个温度范围
22、和低于这个温度范围，过冷奥氏体都比较稳定，转变速度稍微缓慢。所以淬火时要得到马氏体，并不需要在整个冷却过程中快速冷却，而是在650500度之间快速冷却，在650度以上可以冷却得慢一点，减少工件内外温差所引起的热应力，在300度以下又可以冷却得慢一点，避免奥氏体向马氏体转变过程有先后，引起过大的组织应力(在300度以下，钢的塑性小，强度大，在热应力和组织应力的共同作同下，易造成变形和开裂)。综上所述，钢材理想的淬火冷却速度是：从慢(650度以上)到快(650500度)再到慢(300度以下)的冷却过程。1.3.2淬火剂环保节约的要求 人类文明和金属材料的使用是密不可分的。据统计 , 目前各种机器设
23、备所用的材料中, 金属材料仍约占90% 以上。淬火是使金属材料获得所需性能的一个重要手段, 而淬火介质则是获得高的淬火质量的关键因素之一。在20 世纪以前, 基本上是采用动植物油脂进行淬火的。动植物油含有较多的不饱和脂肪酸, 因水解、氧化等会产生羧酸、醛、酮等带刺激性气味的物质, 很容易酸败变质, 对环境产生恶劣的影响 。同时, 由于组分的不稳定, 淬火质量不高, 这样人们不得不另外寻找新的淬火介质。我们需要找到既环保又节省的淬火介质，淬火油不环保，而且淬火后的清理很费时费力，而水又没有油能达到的淬火效果，我们要找的一种类似油的水溶液，又要比油环保，易清理。1.4常用的淬火介质1.4.1水 优
24、点:冷却能力较强、来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点:是在C曲线的“鼻子”区(500600左右),水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”；而在马氏体转变温度区（300100),水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。适用: 截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。 1.4.2盐水和碱水 优点:在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高
25、介质在高温区的冷却能力。缺点:介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10，苛性钠水溶液的浓度为1015。适用: 可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。 1.4.3油 冷却介质一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。 目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种。 高速淬火油是在高温区冷却速度得到提高的淬火油。获得高速淬火油的基本途径有两种，一种是选取不同类型和不同黏度的矿物油，以适当的配比相互混合，通
26、过提高特性温度来提高高温区冷却能力；另一种是在普通淬火油中加入添加剂，在油中形成粉灰状浮游物。添加剂游磺酸的钡盐、钠盐、钙盐以及磷酸盐、硬脂酸盐等。生产实践表明，高速淬火油在过冷奥氏体不稳定区冷却速度明显高于普通淬火油，而在低温马氏体转变区冷速与普通淬火油相接近。这样既可得到较高的淬透性和淬硬性，又大大减少了变形，适用于形状复杂的合金钢工件的淬火。 光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。在矿物油中加入不质的高分子添加物，可获得不同冷却速度的光亮淬火油。这些添加物的主要成分是光亮剂，其作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来，防止在工件上积聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加剂中还含有抗氧化剂、表面活性
27、剂和催冷剂等。 真空淬火油是用于真空热处理淬火的冷却介质。真空淬火油必须具备低的饱和蒸汽压，较高而稳定的冷却能力以及良好的光亮性和热稳定性，否则会影响真空热处理的效果。 盐浴和碱浴淬火介质一般用在分级淬火和等温淬火中。 1.4.4新型淬火剂 （1）聚乙烯醇水溶液 原理: 当工件淬入该溶液时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却。进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却能力高，有良好的冷却特性。优点:价格便宜 缺点:很容易变质,特别是夏天，干活质量不稳定。（2）PAG淬
28、火液该PAG淬火液是由聚醚类高分子材料添加多种表面活性剂制成，由于其对水有逆溶性的特点。在热处理得到广泛应用，使用本品能有效改善工作环境，提高零件的淬火质量，降低生产成本，是一种成熟的淬火介质。优点：1 安全环保 淬火剂完全不燃烧，无火灾危险，无毒，无油烟，使工作环境大大改善，满足环保部门对企业的环保要求。 2通过控制淬火液的浓度，可以得到近于水到油之间的冷却速度，以满足不同材料和工件的淬火要求。 3操作成本大大降低，通常工件的PAG淬火液成本仅相当于淬火油价格的20%左右。4 由于PAG淬火剂比热溶与水比热溶相近，可以提高车间的生产量，进而使企业效益比原来得到提高。 5 淬硬层深，淬火硬度均
29、匀无软点，大幅减少淬火变形和开裂的倾向，对低、中碳钢以及大件淬火尤其适用。 6 对工件无腐蚀，且有短期防锈作用，使用寿命长，不易老化变质，淬火后的工件可不清洗直接回火。 7 PAG淬火剂的浓度测试易测易控，维护和保存特别简单。 8 本PAG淬火剂在使用中，带出量少，使用成本低，综合经济性好。缺点:不能用于盐浴炉。解决的方法： 1.延长回溶时间，让聚合物完全溶解于工作液中，当温度低于74时，聚合物就会溶解于水中。 2.在保证工件不会淬裂的前提下加快淬火液的流速 3.淬火结束，工件出水前可摆动几次。 4.如果个别工作表面残留较多，也可以用清水冲洗后溶液在倒入工作液中。1.5理想淬火液本文想要的理想
30、淬火液是要求工件既能淬硬又不能开裂，小变形，硬度均匀，能达到这些要求的有很多，但是最优的还是水溶性淬火液。这样的淬火液有以下五大优点：一、 环保安全。水性的产品本身就比油性产品安全环保，使用浓度一般是原液的5%-20%之间，剩下都是水10，所以不会象油淬时起火、冒烟。有些热处理厂工件大，油淬每次下去后浓烟滚滚，火苗窜很高，易发生火灾。事实上，这种原因造成重大火灾在国内外不胜枚举。使用本品决不会起火、冒烟。有效克服油的缺点。二、 成本低、经济实惠。油价上升，越来越显示出其优势，以32#机械油为例，现价在8000元左右。本品虽总价高，但是一般可以按1：15-1：4兑水使用，平均下来，就大大低于油的
31、价格。三、 比热值较高。其比热值与水比热溶相近，浓度与比热溶成正比，比油要高很多，这一特点能为热处理厂解决大问题。有好些用户由于从油换到淬火剂，结果干的工件单体重量比以前大很多，日常处理量也多多了。四、工件硬度高，变形量减少。对很多材质和各种类型工件，油改用淬火剂，硬度普遍提高2HRC，变形量减少。某链条厂链片用32#机械油淬火,硬度52HRC，回火硬度44HRC，拉断力20千牛，韧性断裂，用本淬火剂，淬火硬度55HRC，回火硬度45HRC，拉断力20.2千牛，韧性断裂，多方面性能都好于油淬。五、 容性强、防腐耐用性能要好得多。PAG类水性淬火剂比聚乙烯醇淬火剂化学忍耐性能要好很多，混入小量的
32、酸、碱、盐，杂质影响不太大，并不会立即变质11，不象聚乙烯醇，特易变质。使用过程：1.通过调整水溶液的浓度，可在很大范围内调整其冷却能力，可以得到近于水，或介于水、油之间，以及相当于油或者更慢的冷却速度，以满足不同材料和工件的淬火要求。2.取代机油淬火可降低工艺成本约80%；且工件清洁卫生不粘杂物，并有一定防锈能力。3.淬火时，初淬阶段冷速较慢，在沸腾阶段则冷速提高，有利于得到马氏体，当进入对流阶段，其冷却能力比水要慢得多，从而可以减少工件淬火变形和开裂倾向。4.适用范围：这种介质在感应加热淬火冷却方面获得比较广泛的应用，多用于碳素钢、合金钢1.6 水基淬火剂的发展前景金属热处理是机械制造中的
33、重要工艺之一，淬火冷却作为金属热处理工艺过程的重要组成部分，自始至终伴随着热处理的发展而不断进步。目前在现实生产中的淬火介质大多都是淬火油，但淬火油中矿物油的闪点较低，在淬火过程中易产生浓烟甚至还会引发火灾，另外矿物油生物降解能力差，废弃的矿物油对环境的污染的潜在威胁就很大12。此外，矿物油在使用中感到油的高、中温区冷却速度过慢，且冷却速度无法调节，对于低淬透性钢件淬火后易出现硬度不足、淬硬层深度浅等弊病。13随着经济的发展，环境保护、安全生产和清洁生产等一系列问题引起业界越来越多的关注，因此必须重视并大力加强淬火介质的研究和推广应用工作，积极研究开发经济、安全、无污染的新型淬火介质，这也将是
34、今后热处理发展的主要方向之一。1.6.1 淬火介质的发展历程 水是最古老又实用的淬水介质，但自来水作为淬火介质存在着低温冷却速度太快，因而自来水淬火时工件容易淬裂、硬度不均且畸变大等问题14。后来人们通过往水中加入各种无机盐、碱或其混合物，形成各种不同的无机物水溶液。虽然无机水溶液提高工件在高温区的冷却速度，改善冷却均匀性，减少淬火开裂和变形，但盐水淬火易生锈，同时碱类溶液淬火不易控制，容易灼伤操作者，硝盐类虽不锈，但易产生有害气体，损害现场生产工人的健康。随着石油工业的蓬勃发展，20 世纪初人们开始使用矿物油作为淬火油，矿物油具有热稳定性好、使用寿命长等优点，适用于壁薄、形状复杂、要求淬火变
35、形小的工件，但淬火油的成本高、油污多，淬火时易引起火灾，生物降解困难等。此外，为改善淬火性能而加入的许多表面活性剂也都加大了废液处理的难度。虽然植物油的降解性能优于矿物油，但动植物油含有较多的不饱和脂肪酸，因水解、氧化等会产生羧酸、醛、酮等带刺激性气味的物质，且易酸败变质，对环境产生恶劣的影响，因此人们不得不另外寻找新的淬火介质。自从1952年德国人申报PVA(聚乙烯醇)专利以后，高分子聚合物开始进入淬火介质这一领域。1965年，美国联合碳化公司最早获得了有关PAG(聚氧化烷撑)的专利并从70年代始向全世界推广其用于淬火介质15。随后有关对聚醚的研究越来越多，在1975年以后已经应用到热处理行
36、业，实现了聚合物水基淬火介质的商业化生产。日益严格的环境保护要求和70 年代中期的西方石油危机，有力地促进了聚合物淬火剂的发展，不久聚合物淬火剂PA G、ACR、PVP、PEO 也相继出现，到80年代欧美市场聚醚类淬火介质销售就达四万吨，日本在10几年前的生产量也有了显著的增长。1.6.2 水基淬火介质发展的现状目前生产中有机聚合物淬火介质已经有一定程度的发展，生产中应用的有PVA (聚乙烯醇)、PEG (聚乙二醇)、PAG (聚烷撑二醇)、PEOx (聚乙烯恶唑啉)、PVP (聚乙烯吡咯烷酮)、PAM (聚酰胺聚烯烃乙二醇)、PSA (聚丙烯酸盐)、PMI (聚异丁烯马来酸盐)等。目前以PA
37、G淬火介质用量最大，应用最广泛，典型的美国DOW化学公司产品有UCONA、UCONHT、UCONE。其中UCONE配制的水基淬火剂性能更接近油，可作为代油的淬火介质，备受热处理行业关注。据估计目前约有20% 左右的淬火介质是聚合物淬火剂16。以PAG为代表的水溶性聚合物淬火介质一直以其安全性、环保、节能性等特点一直受到热处理工作人员的高度关注和热情期盼。一般认为聚合物水基淬火剂具有以下的优点：（1） 具有介于水与油之间大范围的冷却特点，油淬往往使工件硬度不足，而水淬由于其中低温冷速过大容易出现裂纹，水溶性聚合物PAG则能克服它们的缺点，且通过对浓度、温度和搅拌程度的控制，可以使聚合物的水溶液得
38、到从水到油的不同的冷却能力，能很好弥补了水油之间冷却速度的空白17，如图1所示；图1-2 三种不同淬火介质在不同温度下的冷速（2） 采用水溶性淬火介质，消除了油淬时的烟雾，大大改善了现场的工作环境，从而避免了火灾隐患，也没有像盐、碱、油等产生有害雾气和飞溅、烧伤等且无毒性；（3） 从成本上来讲，由于水基聚合物是在稀释状态使用，溶液的粘度低于油，带出量少，所以投资和运行成本低；水溶性淬火介质比热和热传导率都较油大，所以淬火温升小，生产效率高节约了时间和费用；（4） 对于同一种牌号水性淬火剂，例如海明生产的水溶性聚合物PAG1#，调节浓度可以获得不同的效果，由表1可见，若工件用低浓度淬火易裂，可以
39、提高浓度来改变冷却速度。表1-2 海明淬火介质冷却曲线典型数值淬火介质浓度Vmax(/s)TVmax()V300(/s)t 600()t 400()t 200()PAG1# 3%1926248956.59PAG1# 3%1926248956.59PAG1# 4%1976478734.57PAG1# 5%191651873.557.5PAG1# 6%18371783458PAG1# 7%181716783.558PAG1# 8%1827307134.58PAG1# 9%162669696.5811.5（5） 水溶性聚合物淬火剂能适应不同钢种的需要，和油比较，耐污染的能力较强，对淬火工件及淬火设备
40、无腐蚀，工件无需后序清洗；和水相比，对很多材质和各种类型工件，PAG类水性淬火剂消除了水淬时的软点等18，不同淬火介质的淬火强度见表2。表1-3 不同淬火介质的淬火强度介质类型淬火介质H水盐水25清水0.92水基聚合物淬火剂PAG0.72ACR0.30.9PVP0.30.9PEO0.32淬火油快速油0.80.9中速油0.50.8常规油0.30.5热油0.20.3此外，聚合物淬火介质老化后的排放很方便，只需加热将聚合物析出或采用超细过滤方法滤掉聚合物即可排放。使用浓度低时也可直接加水将COD值降低到标准以下进行排放。随着人们对水溶性聚合物淬火介质认识的加深，冷却过程工艺检测控制水平的提高，以及控
41、时浸淬技术的推广应用，水溶性聚合物淬火介质将有广阔的应用前景19。然而，目前水基聚合物在热处理应用上还尚存在着很多问题：（1） 钢材在空气中的氧化皮在水溶性淬火介质中淬火比油淬时更加容易剥落，影响了工件的洁浄性，由于氧化皮不能正常除去，在工作液中长期积累会产生严重影响。（2） 水溶性聚合物淬火液是微生物生长的环境，细菌以有机物为原料并催化其发生变化，加速了淬火液的老化，缩短淬火介质服役寿命；另外细菌的不断积累，可能堵塞过滤系统，影响系统的正常工作，甚至能与现场工人有皮肤接触，危害现场生产者的身体健康。（3） 在密封炉中使用过程中，尚未圆满解决水气对炉气的污染问题，等温和分级淬火到目前为止尚离不
42、开油和硝盐浴。聚合物淬火介质盐份对介质浓度的测量会带来误差，且加剧介质的老化和腐化。因此，要全面实现以水溶性聚合物淬火，还必须重视并大力加强对淬火冷却的基础理论研究，不断改进和提高原有淬火介质的性能，从理论上到现实生产中真正做到以水代油，不断的发现问题和解决问题。1.6.3 水基淬火介质发展前景水溶性代油淬火介质研制的不断成功，使水溶性淬火介质有着广阔的发展前途。随着人们对水溶性聚合物淬火介质认识的加深，冷却过程工艺检测控制水平的提高，以及控时浸淬技术的推广应用，其在热处理领域应用越来越广泛。国外正在积极开展环境友好热处理介质的研究和开发工作，一些公司如好富顿公司、德国德润宝公司已取得了很好的
43、成就，水溶性聚合物淬火介质在国外已经占有很大的市场，如美国DOW化学公司产品UCON A、UCON HT、UCON E等。近期以来，对生产安全和环保的重视日益提高，节能意识越来越强，同时由于聚合物的生产质量、聚合物淬火介质的应用技术的日益进步和应用案例经验的不断积累，为聚合物淬火剂的扩大推广应用提供了可靠的技术基础。近10多年来，国内在推广应用水溶性聚合物淬火介质上取得了一定认识和经验，在使用水溶性聚合物淬火介质上，业界已经掌握了一定的技术，特别是在现场使用时浓度的选用等，为进一步推广应用水溶性聚合物淬火介质提供了可靠的技术支持。然而发展过程多有曲折，市场占有率增长缓慢，推广应用的广泛程度与国
44、外相比，有着很大差距。因此我们要加强对有机聚合物淬火剂的研究，密切注视和分析国外的发展动态，跟踪国际上新型有机聚合物的研究和应用成果，研制生产出具有优异热处理性能的新型有机聚合物淬火剂。1.6.4 本文所研究的内容在环境保护与可持续发展已经越来越引起人们重视的今天，油品所带来的环境污染问题已得到一些国家和政府的高度重视，人们对热处理介质的要求也越来越高，开发研究环保、无毒无害的热处理介质已成为业界关注的问题。同时，联合国环境规划署(UNEP)极为重视这一工业污染的防治，决定在世界范围内推行清洁生产。水溶性聚合物淬火介质在生产中不仅提高了工件的热处理性能和生产效率，还能有效的减少了环境污染和生产
45、中的安全隐患，为环保和清洁生产提高了可靠的基础20。中国在淬火介质应用方面与国外差距很大，淬火介质的应用是热处理行业的薄弱环节，应给予重视和加强，目前我们已逐渐从单纯进口国外产品到国内介质生产厂家自行研制开发的转变，这无疑将我国的热处理冷却技术及工艺材料的发展起着积极的作用。本文所研究的内容就是用水玻璃水溶液代替油来淬火40Cr连杆，既安全卫生又节省资本，最重要的是能得到更好的马氏体组织，得到回火索氏体或下贝氏体21。第二章 实验2.1 实验材料与设备2.1.1 实验材料本实验需要用到具有降低冷却速度的水玻璃（即Na2SiO39H2O），提高冷却速度的氯化钠和碳酸钠以及作用为均匀悬浊液的氢氧化
46、钠做水基淬火液的溶质，自来水做溶剂，若干实验用的40Cr连杆。2.1.2实验设备热处理加热炉； Nikon EPIPHOT300金相显微镜；Q-3A型试样切割机；PG-2C型金相试样抛光机；打磨机；2.2实验方案根据各溶质的性质决定，先配出一种淬火液，然后用它来对40Cr连杆淬火，看结果如何，是否能达到相要的力学性能，根据结果再重新调整淬火液的成分制定淬火液配制方案。方案一溶质 质量（g）水玻璃 555Nacl 1100Na2CO3 1100NaOH 50自来水 7500配合850淬火，500回火方案二溶质 质量（g）水玻璃 555NaCl 1300Na2CO3 1100NaOH 50自来水 7500配合860淬火，500回火方案三溶质 质量（g）水玻璃 555NaCl 1300Na2CO3 1100NaOH