一、聚合物淬火劑的優(yōu)點(diǎn)

    現(xiàn)在世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都大力發(fā)展并擁有自己的聚合物淬火劑，一些品種已納入熱處理工藝范圍。其原因在于：傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，通常為水、油、鹽水溶液、融堿或鹽等。水價(jià)廉物美，但主要缺點(diǎn)是高溫階段冷卻慢，低溫階段冷卻太快，容易使零件形成軟點(diǎn)和開裂。油一般只適應(yīng)合金鋼的淬火，對(duì)碳鋼和合金鋼大件往往達(dá)不到淬火性能要求，同時(shí)淬火時(shí)產(chǎn)生煙霧，不僅污染環(huán)境，甚至有時(shí)還導(dǎo)致著火危險(xiǎn)。一般的鹽水淬火，通常只能用于淬透性低的或大尺寸零件，而且易于銹蝕零件和工裝。有些鹽和堿適用范圍有限，還對(duì)人體有害，如融堿和熔融硝鹽。優(yōu)良的聚合物淬火劑，可以克服一些常規(guī)介質(zhì)存在的缺點(diǎn)，同時(shí)還具有優(yōu)良的冷卻特性，具有強(qiáng)大的生命力。因?yàn)橛腥缦轮饕攸c(diǎn)：

1，用聚合物冷卻介質(zhì)淬火的零件具有較高的力學(xué)性能和冶金質(zhì)量。可以使零件得到較大的淬透深度，良好的內(nèi)部組織，從而滿足機(jī)械性能要求。同時(shí)，與水相比，可大大減小零件的變形和防止零件的開裂、報(bào)廢。

2，適應(yīng)性寬。因聚合物淬火劑，系水溶液，濃度可調(diào)，從而得到不同的冷卻速度。所以無論鋼鐵零件，還是有色金屬零件，都可用聚合物淬火劑淬火。

3，消除污染和公害。優(yōu)良的聚合物淬火劑，無毒、無害、無味、不產(chǎn)生煙霧、也不會(huì)著火，消除了礦物油、融堿等帶來污染和公害，改善了環(huán)境。

4，用戶的總成本低。通常是淬火油的1/2--1/4。

二、聚合物淬火劑的冷卻機(jī)理

    世界各主要工業(yè)國已蓬勃發(fā)展了多種的聚合物淬火劑，如丙烯類聚合物（聚丙烯酸鈉，代號(hào)ACR或SPA和PAM）、聚二醇（PAG）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）、聚氧化乙烯（PEO）等，其中的商品代號(hào)更是多種多樣。但從冷卻機(jī)理上分析，主要有兩大類。這里所述的機(jī)理是排除外部影響因素如攪拌，僅從介質(zhì)本身物理、化學(xué)屬性在淬火介質(zhì)冷卻高溫物體時(shí)，固體與液體界面及界面附近所發(fā)生的現(xiàn)象。

1，依工件表面蒸汽膜控制冷卻速度

    屬于這類的典型冷卻介質(zhì)如聚乙烯醇（由于濃度檢測(cè)很難，容易變質(zhì)，國際已淘汰，國內(nèi)少數(shù)單位還在使用），其溶液中的高分子，在遇到高溫金屬接觸時(shí)，促進(jìn)金屬表面蒸汽膜形核、長(zhǎng)大并增厚。在蒸汽膜破裂之前，膜的厚度不斷增大。介質(zhì)中聚乙烯醇的濃度越大，蒸汽膜的厚度越大，而且蒸汽膜的壽命越長(zhǎng)。在金屬表面由于水蒸汽膜的形成，氣膜外側(cè)介質(zhì)的濃度不斷增大，以致高于平均介質(zhì)濃度，在高濃度的外側(cè)，才是原來的平均濃度。所以諸如聚乙烯醇這樣的介質(zhì)，在冷卻高溫金屬時(shí)，在沸騰階段發(fā)生之前，金屬表面蒸汽膜外側(cè)只是形成高于平均濃度的濃溶液，而不是早期所說的塑料膜或聚合物膜。蒸汽膜具有隔熱作用，同時(shí)蒸汽膜與液體界面上的高濃度的介質(zhì)會(huì)降低沸騰階段的熱傳導(dǎo)。所以控制介質(zhì)的濃度，可得到一定厚度的蒸汽膜，從而控制冷卻速度。

2，依工件表面析出聚合物薄膜控制冷卻速度

    許多水溶性的高分子聚合物，其水溶液都具有逆溶性質(zhì)，即溶液受熱升高到某一特定的溫度時(shí)，高分子溶質(zhì)不再溶于水而析出。這一特定的析出溫度稱為逆溶溫度或逆溶點(diǎn)。析出的高分子聚合物呈團(tuán)絮狀，其比重大于水的則下沉，比重小于水的則上浮到水溶液的表面。高分子聚合物析出的量與濃度有關(guān)，濃度越大，析出的量越大。

    作為聚合物淬火劑，使用的都是水溶液，在多種聚合物淬火劑中，大多都具有逆溶性而發(fā)生聚合物的析出現(xiàn)象。國內(nèi)聚合物淬火劑使用多年，但現(xiàn)時(shí)仍有人認(rèn)為只有一、二種聚合物淬火劑具有逆溶性并在工件表面成膜的觀點(diǎn)，這是違背科學(xué)規(guī)律的，違背客觀實(shí)際的，是未深入研究的結(jié)果。

    具有逆溶性的聚合物淬火劑，市場(chǎng)上常見的有聚二醇PAG（Polyalkylene Glycol)也可稱為聚二醇醚或聚醚；丙烯聚合物如聚丙烯酸鈉（Sodium Polyacrylates ,簡(jiǎn)稱SPA)；聚丙烯酰胺酸酯(Polyacrylamide簡(jiǎn)稱PAM); 聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,簡(jiǎn)稱PVP）; 聚氧化乙烯（Polyethyleneoxide；簡(jiǎn)稱PEO）等。

2-1，隔離膜的形成

    在具有明顯逆溶性和析出物的聚二醇（PAG）介質(zhì)中冷卻高溫工件時(shí)，工件表面附近的溶液瞬間可達(dá)到逆溶溫度以上，此時(shí)工件表面除形成一些蒸汽泡的核心外，還將從溶液中析出一些高分子。這些高分子由于熱運(yùn)動(dòng)和對(duì)工件的浸潤(rùn)，會(huì)把蒸汽泡核心破壞而粘附到工件表面，隨溫度的降低和冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，工件表面即形成一定厚度含水的聚合物隔離膜，在特定溫度下，隔離膜及其內(nèi)外的蒸汽泡將發(fā)生爆破，形成最大冷卻速度。在此后的對(duì)流階段，由于高分子的溶質(zhì)存在，熱傳導(dǎo)能力與水相比，總是減弱的。故比水的冷卻速度小。

2-2，二次爆破

    不只是PAG淬火劑，其他聚合物介質(zhì)在高濃度時(shí)，冷卻的高溫金屬表面附近，通常都會(huì)產(chǎn)生二次爆破，而且是發(fā)生在較低溫度階段，造成低溫時(shí)的快速冷卻。這是淬火冷卻絕對(duì)應(yīng)該避免的?？梢哉f這是聚合物介質(zhì)的“癌癥”。是無論如何都應(yīng)當(dāng)克服的。在第一次爆破后，金屬表面溫度還再次達(dá)到逆溶溫度以上，再次在金屬表面形成更濃的聚合物膜和大大、小小的蒸汽泡。由于熱力學(xué)能量關(guān)系，聚合物膜和蒸汽泡能維持的壽命是有限的，所以必然再次爆破。優(yōu)良的聚合物淬火劑，由于溶質(zhì)的合理配置，是沒有二次爆破的。

三、聚合物淬火劑的要求

1，力求具有好的溶解于水的性能；高分子聚合物的品種很多，但能溶于或混溶于水的，并達(dá)到較大溶解度的品種并不是很多，最好能與水無限互溶。

2， 分子量大小應(yīng)有一定要求；前述聚合物淬火介質(zhì)已有多種，但對(duì)某一特定的品種，其分子量要分布在一定方圍內(nèi)，因?yàn)橥痪酆衔?，在其他條件相同時(shí)，冷卻曲線的形狀與分子量密切有關(guān)。如PAG是很多供應(yīng)廠家推出的品種，但PAG只是有機(jī)聚合物的一個(gè)名稱，它的分子量從幾百到上萬，其物態(tài)從液體到固體，其他物理化學(xué)指標(biāo)亦十分分散。各廠家供應(yīng)的PAG不盡相同。但是PAG的平均分子量在什么范圍內(nèi)最適合做淬火劑，缺少了解和研究。所以不能一說PAG就意味著它是很好的淬火介質(zhì)。生產(chǎn)PAG的廠家，由于配方和聚合工藝的不同，生產(chǎn)出的PAG，其分子量的大小差別很大。

3， 具有比較理想的冷卻特性；即由淬火溫度，或由預(yù)冷溫度到Ar1附近，即所謂的高溫區(qū)，介質(zhì)對(duì)零件應(yīng)具有緩慢的冷卻速度，以防止熱應(yīng)力過大而引起零件變形。在奧氏體最不穩(wěn)定的范圍，即C--曲線的鼻部溫度附近或所謂的中溫區(qū)，介質(zhì)對(duì)工件應(yīng)用足夠的冷卻速度，以防止過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成非馬氏體組織。在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，即所謂的低溫區(qū)，介質(zhì)對(duì)零件的冷卻速度應(yīng)當(dāng)緩慢，以防止造成過大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的疊加值，導(dǎo)致零件的開裂。比較理想的冷卻特性與恰當(dāng)?shù)倪x擇濃度有關(guān)。某一品種淬火介質(zhì)，在不同濃度時(shí)，冷卻特性是不同的。

4，淬火介質(zhì)來源方便、便宜、性質(zhì)穩(wěn)定和帶耗少，經(jīng)濟(jì)性和可靠性要高；有的淬火劑如聚乙烯醇（PVA）來源方便，價(jià)格也便宜，但化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，它的水溶液在工件高溫受熱和機(jī)械攪拌外力作用下容易變質(zhì)，甚至出現(xiàn)異味。有的淬火介質(zhì)如聚二醇（PAG）,雖然工件表面形成隔離膜，能在工件表面溫度低于逆溶溫度后，慢慢回溶到液體中，但工件淬火時(shí)通常要帶溫出水，所以帶耗大。聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）不僅帶耗大，還在工件冷卻后于表面形成硬殼膜。有的品種是表面活性物質(zhì)，如PAG、PEO(聚氧化乙烯)在攪拌時(shí)極易形成泡沫，必須再加入消泡劑加以解決。這種類型的淬火介質(zhì)，通?？刮⑸锏哪芰Σ?，由于微生物的混入，在夏天或長(zhǎng)時(shí)間不用容易發(fā)臭變質(zhì)，只好加入防腐劑來解決。

5，無毒、無害、無味、無煙霧、無污染；不腐蝕工件、工件和工裝且易清洗。對(duì)黑色金屬和有色金屬淬火冷卻，應(yīng)相應(yīng)控制不同的酸堿度。

作者：南京洲聯(lián)