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金润宝ZFQ-B型聚合物淬火介质热处理冷却技术

2019-05-13 888

1、前言

洛阳金润宝科技有限公司的ZFQ-B型聚合物淬火介质,在内有多年的成功使用经验,它是种目前世界上应用广泛的环保不可燃淬火剂。上世纪 70 年代以来,外热处理界在聚合物淬火剂的应用方面,取得了很大成功。在内也早在上世纪 90 年代起,开始小规模应用进口的聚合物淬火剂,其代表产品型号有好富顿 AQ251、联碳公司(现改为陶 氏)UCON 系列,以及德润宝 PF2000。大连起重矿山机械厂于 1995 年起 使用陶氏 UCNOE 淬火剂,已有 23 年的经验,其技术服务直由丁得刚 教授负责。实践证明,这种淬火剂不但环保、无烟、不起火、工件不开裂,而且大幅度提高了钢材的力学性能,所以受到了用户的欢迎,目前大连地区 UCON 系列淬火剂得到大面积的推广。

进入上世纪 90 年代,内些淬火介质生产企业开始仿制聚合物淬火剂,洛阳金润宝科技有限公司,在吸收内外聚合物介质成功应用的基础上,推出了 ZFQ 系列环保无烟,不可燃水基淬火液。获得内用户的信赖和欢迎,目前内热处理界普遍认同用环保不可燃无烟聚合物水溶液 代替淬火油,是淬火介质热处理冷却技术的革命。

2、聚合物淬火介质工作原理

把聚合物水溶液代替淬火油当做淬火介质的主要驱动力,是因为它没有火灾风险,没有烟尘和合乎环保要求。油是很粘稠的,比水有更高的沸点,热交换理论告诉我们,油所以能减少裂纹倾向,是因为它具有高的粘度,从而降低了热交换系数,对于许多钢而言,减少了马氏体形成区的冷却速度(热交换率是随着粘度的增加呈指数递减的)。同样的逻辑,被用于聚合物淬火介质的开发,用以替代油。

我们知道,多种聚合物是有的稠化剂,经过多年的研究,聚烷氧化物通常叫聚烷撑乙二醇(PAG),抢占了人造淬火介质的 大市场份额。

上述聚合物具有的逆溶性(通常称为浊点应)。它在室温下完 溶于水,呈清澈的均匀水溶液,而在高温下,聚合物在水中析出呈不溶解相,当冷却下来时,聚合物又重溶于水,再次形成均匀水溶液。这个过程是完可逆的。根据上述机理,当热金属淬入聚合物淬火介质水溶液时,液状聚合物膜会包围,沉积在热金属表面,该金属冷却速率就部分通过富含聚合物膜的热传导性得到控制。聚合物介质的浓度决定了这层膜的厚度(浓度越大,膜越厚,冷却速度越慢),所以调节介质的浓度,使聚合物淬火介质的冷却速度在很宽范围内变化,可以从水到慢速淬火油。

金润宝ZFQ水基淬火剂

3、聚合物淬火介质的优点和缺点

聚合物淬火介质比淬火油有许多优点:

3.1 消除火灾

聚合物淬火介质,完消除了油的火灾危害,根据美家防火协会 (NFPA)测定,卫生=1,可燃性=0,活化度=0,聚合物淬火介质,还被工 厂互助研究协会批准为无害淬火剂,因此,取消了防护设备即不需要灭火车和节省火灾保险费用,以及购置油烟收集及净化处理设备的费用。

3.2 改善生产环境 聚合物淬火介质不产生烟雾,淬火时很少产生蒸汽,而且淬火剂抑制细菌繁殖,长期使用不发臭,不变质,所以生产环境卫生,经生态毒理试 验表明,对生物基本无毒。

3.3 操作安淬火介质中的防锈剂,对生物基本无害。

3.4 灵活性通过控制浓度,溶液温度和搅拌速率,可获得 佳的操作条件,经调整这些参数可在单浴槽中,得到很宽的淬火烈度范围。

3.5 降低操作成本由于消除了软点,控制了变形和开裂,降低了辅助加工成本,提高了产品质量。淬火工件清洗十分容易,任何残留的介质,在超过摄 340 度回火炉,会蒸发干净。如果用淬火油清洗很困难,回火中会产生大量油 烟。

3.6 淬火介质成本较低水溶性淬火剂在使用中主要添加的是水,以补充蒸发损失部分。这种介质带出量少。而受到较重污染的淬火溶液,可以通过加热分离和过滤分 离等技术得到重复使用。

3.7 维护和保存容易用水溶性淬火剂,使得设备维护和工厂清洁十分容易,工作场地非常干净,如果是淬火油肯定是生产车间脏乱差的地方。

3.8 大幅度提高钢材的力学性能根据内外有关报道,比较淬火油,用聚合物介质水溶液,经淬火后,工件表面硬度和心部硬度都有定程度提高。

根据丁得刚教授的研究发现(见《重型卸扣用钢研究——UCONE 淬火介质在 34CrNilMoA 钢上的应用》),直径 260mm34CrNilMoA 试样经聚 合物介质水溶液淬火后具有优良的力学性能:Rm 970 mpaRp0.2 850 mpaA18%Z63%AKv-20 0C68J。相应油淬火力学性能标准(直径 100-300mm)为 Rm>=765mpaRe>=635mpaA>=14%Z>=63%。在塑性指标 (A Z)基本相同条件下,用聚合物介质淬火的抗拉强度比油淬火的标 准值提高 1.27 倍。而屈服强度则提高 1.34 倍。

所以,用聚合物介质淬火充分挖掘了钢材的潜力,如果零件尺寸不变,则提高了零件安系数。如果条件许可,则可以减少零件的尺寸,减轻零件重量,降低了零件成本。丁得刚教授还认为,如果钢材采用聚合物介质代替油做淬火介质之后,对钢材的标准中的力学性能应进行升处理。由此带来的经济益将十分惊人。

聚合物淬火介质也有缺点,即对不同碳当量的钢种,要求不同的聚合物浓度。给用户造成不便。例如:台网带炉既要处理 45 碳钢零件,又要处理 40Cr 钢零件,则需要两种浓度淬火液。这种情况下,就需要准备两个淬火液贮槽,个为低浓度,另个为比较高浓度,轮流使用。

4、金润宝 ZFQ 系列水基淬火液

金润宝 ZFQ 系列水基淬火剂分五大系列,即 A 型,B 型(又细分Ⅰ 型和Ⅱ型),C 型,D 型和 E 型。

这些系列产品的点是使用时无毒,不燃烧,无烟雾,无火灾危险,无污染,不老化,使用寿命长。在使用中,只需补充原液,无需整槽更换。

300 0C 冷却速度进行淬火介质冷却性能定。理论和经验告诉我 们,淬火介质的 300 0C 冷却速度对多数钢件淬裂与否起着决定性作用。 为此,选用 300 0C 冷却速度值来对淬火介质定。把常用淬火介质在 300 0C 冷却速度从300C冷却速度从<10C/S110C/S 分成11,即从0,102030....100PAG淬火剂15%的别是20-60(因不同品种而不同),快速淬火油是0-20(因品种而不同)。对不同钢种,选择淬火剂别的建议,如表1

       表1 

钢种

适合的别范围

钢种碳素结构钢

70-110

碳素工具钢、低碳低合金钢

50-80

碳量较低的中合金钢

30-70

高碳合金钢、中碳中合金钢及模具钢

<10-30

从冷却性角度讲,比较理想的淬火介质在冷却初期,冷却速度稍慢些,避免处于奥氏体和过冷奥氏体状态的工件因冷却速度快,收缩急剧 而发生弯曲畸变;在过冷奥氏体不稳定的区间(珠光体转变曲线“鼻子”处的 600-400℃),希望快冷,避免发生珠光体类转变;又希望进入 马氏体转变区(Ms 点以下),冷却速度愈慢愈好,缓解马氏体转变体积 膨胀而产生的应力,防止开裂和减小畸变。对于珠光体转变滞后贝氏体转 变突出的些钢种,为了避免在冷却时产生上贝氏体而出现脆性,要求淬 火介质在贝氏体转变区 350-400℃有较快的冷却速度。作者认为:除了用 300℃冷却速度进行淬火介质冷却性能定外还要加入从 300℃到 200℃ 时的冷却所用时间。300℃到 200℃时的冷却所用时间越长,工件淬火引 起的内应力越小越不易淬裂。作者认为,对般中小热处理企业,常见的 中碳低合金钢,如 40Cr40CrMo ,选用淬火剂以 30-45 为宜,即淬火 介质 300 0C 冷速在 30-45 0C/S。对多用炉渗碳件可选用 10-20 淬火剂。

利用以上概念,作者列出了“金润宝 ZFQ 系列水基淬火介质 300 0C 冷却速度谱系”见表 2。对用户选择介质型号具有指导意义。

2 金润宝 ZFQ 系列水基淬火介质 大冷却速度和在 300冷却速度及从 300 200冷却时间谱系

(测试方法:按照 ISO9950 标准)

介质型号 成分 与水配比比例 大冷却速度(℃/s) 300℃冷却速度(℃/s) 300℃到 200℃所用时间(s) 冷却速度分        主要用途         (用户可向本公司技术人员咨询)
ZFQ-A 高分子 1:6至1:16,共12个等 15-20 6.4-16.6 20.3-9.8 很慢速 厚大件高铬铸铁(Cr15,Cr20,Cr26,Cr28)高速钢、模具钢等中、低合金结构钢,合金模具钢,多用炉内渗碳件(尚需更多案例),及使用油淬的钢种
ZFQ-B I
PAG类
(类油型)
1:4至1:12,共9个等 66.6-110 7.2-27 23.4-14.7 慢速
ZFQ-B II PAG 类 1.5%,2%,2.5%,6% 135-151 43.2-47.4 10.8-3.2 中速(冷却速度介于快速油与水之间) 中碳、中合金结构钢,以42CrMo 为代表齿轮钢,轴承滚子,及用水淬开裂用油淬硬度又偏低的钢种使用于自来水淬硬度偏低且易淬裂和低碳低合金结构钢,高锰钢
ZFQ-C 无机物 1:02 174.5-187.8 73.4-80 1.9-1.8 快速
ZFQ-D 无机物 1:03 350.6 88.9 1.8 很快速
ZFD-E 高分子 1:4-1:6 25-60 9.8-13.5 24.4-13.5 很慢速 高铬铸铁,高铬钢,高铬磨球,高合金模具钢及高速钢,高、中碳中铬钢
快速淬火油 114 16.4 15.9 快速淬火油
普通淬火油 83 6.5 19.8 中速淬火油
清水 203 111.5 1.2

根据丁得刚教授的经验,对 42CrMo 钢选用 15%浓度的 PAG 介质水 溶液是安的。实践证明,对于起重机车轮、轮缘厚度 20-25mm 的复杂 结构也不会产生淬火裂纹。淬火后硬度可达 HRC55 左右。

金润宝 ZFQ-B-Ⅱ型水基淬火介质是 PAG 的改良型,在浓度较低的情 况下(如 2.5%),其 300 0C 冷速,相当于进口 PAG 介质 15%浓度下的 冷却速度,大大降低了用户的生产成本,也就是说,金润宝的淬火介质技 术某些方面已超过当代际水平。

5、结论

5.1、环保不可燃聚合物水溶液代替淬火油是热处理冷却技术的革命,是目前世界上应用广泛的淬火剂。

5.2、以金润宝科技有限公司为代表的金润宝 ZFQ 系列水基淬火液已 经进入淬火介质市场的先进行列,在某些指标上已经超过际水平(已申 报利多件)。

5.3 金润宝 ZFQ 系列水基淬火液五个系列的 300 0C 冷却速度从 6.4 0C/S 88.9 0C/S,基本上满足各种髙铬铸铁和大部分钢种的淬火工艺的需要。

5.4 金润宝 ZFQ 系列水基淬火液可用于开式淬火槽,网带炉以及密封式多用炉和感应热处理的喷淬。(次性淬火件重量与淬火槽中淬火液之比:在开式淬火槽中 1:10;在多用炉中 1:15.淬火槽中按规定配置搅 拌器和淬火液循环冷却器。)


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