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金潤寶ZFQ-B型聚合物淬火介質熱處理冷卻技術

2019-05-13 6045

1、前言

洛陽金潤寶科技有限公司的ZFQ-B型聚合物淬火介質,在內有多年的成功使用經驗,它是種目前世界上應用廣泛的環保不可燃淬火劑。上世紀 70 年代以來,外熱處理界在聚合物淬火劑的應用方面,取得了很大成功。在內也早在上世紀 90 年代起,開始小規模應用進口的聚合物淬火劑,其代表產品型號有好富頓 AQ251、聯碳公司(現改為陶 氏)UCON 系列,以及德潤寶 PF2000。大連起重礦山機械廠于 1995 年起 使用陶氏 UCNOE 淬火劑,已有 23 年的經驗,其技術服務直由丁得剛 教授負責。實踐證明,這種淬火劑不但環保、無煙、不起火、工件不開裂,而且大幅度提高了鋼材的力學性能,所以受到了用戶的歡迎,目前大連地區 UCON 系列淬火劑得到大面積的推廣。

進入上世紀 90 年代,內些淬火介質生產企業開始仿制聚合物淬火劑,洛陽金潤寶科技有限公司,在吸收內外聚合物介質成功應用的基礎上,推出了 ZFQ 系列環保無煙,不可燃水基淬火液。獲得內用戶的信賴和歡迎,目前內熱處理界普遍認同用環保不可燃無煙聚合物水溶液 代替淬火油,是淬火介質熱處理冷卻技術的革命。

2、聚合物淬火介質工作原理

把聚合物水溶液代替淬火油當做淬火介質的主要驅動力,是因為它沒有火災風險,沒有煙塵和合乎環保要求。油是很粘稠的,比水有更高的沸點,熱交換理論告訴我們,油所以能減少裂紋傾向,是因為它具有高的粘度,從而降低了熱交換系數,對于許多鋼而言,減少了馬氏體形成區的冷卻速度(熱交換率是隨著粘度的增加呈指數遞減的)。同樣的邏輯,被用于聚合物淬火介質的開發,用以替代油。

我們知道,多種聚合物是有的稠化劑,經過多年的研究,聚烷氧化物通常叫聚烷撐乙二醇(PAG),搶占了人造淬火介質的 大市場份額。

上述聚合物具有的逆溶性(通常稱為濁點應)。它在室溫下完 溶于水,呈清澈的均勻水溶液,而在高溫下,聚合物在水中析出呈不溶解相,當冷卻下來時,聚合物又重溶于水,再次形成均勻水溶液。這個過程是完可逆的。根據上述機理,當熱金屬淬入聚合物淬火介質水溶液時,液狀聚合物膜會包圍,沉積在熱金屬表面,該金屬冷卻速率就部分通過富含聚合物膜的熱傳導性得到控制。聚合物介質的濃度決定了這層膜的厚度(濃度越大,膜越厚,冷卻速度越慢),所以調節介質的濃度,使聚合物淬火介質的冷卻速度在很寬范圍內變化,可以從水到慢速淬火油。

金潤寶ZFQ水基淬火劑

3、聚合物淬火介質的優點和缺點

聚合物淬火介質比淬火油有許多優點:

3.1 消除火災

聚合物淬火介質,完消除了油的火災危害,根據美家防火協會 (NFPA)測定,衛生=1,可燃性=0,活化度=0,聚合物淬火介質,還被工 廠互助研究協會批準為無害淬火劑,因此,取消了防護設備即不需要滅火車和節省火災保險費用,以及購置油煙收集及凈化處理設備的費用。

3.2 改善生產環境 聚合物淬火介質不產生煙霧,淬火時很少產生蒸汽,而且淬火劑抑制細菌繁殖,長期使用不發臭,不變質,所以生產環境衛生,經生態毒理試 驗表明,對生物基本無毒。

3.3 操作安淬火介質中的防銹劑,對生物基本無害。

3.4 靈活性通過控制濃度,溶液溫度和攪拌速率,可獲得 佳的操作條件,經調整這些參數可在單浴槽中,得到很寬的淬火烈度范圍。

3.5 降低操作成本由于消除了軟點,控制了變形和開裂,降低了輔助加工成本,提高了產品質量。淬火工件清洗十分容易,任何殘留的介質,在超過攝 340 度回火爐,會蒸發干凈。如果用淬火油清洗很困難,回火中會產生大量油 煙。

3.6 淬火介質成本較低水溶性淬火劑在使用中主要添加的是水,以補充蒸發損失部分。這種介質帶出量少。而受到較重污染的淬火溶液,可以通過加熱分離和過濾分 離等技術得到重復使用。

3.7 維護和保存容易用水溶性淬火劑,使得設備維護和工廠清潔十分容易,工作場地非常干凈,如果是淬火油肯定是生產車間臟亂差的地方。

3.8 大幅度提高鋼材的力學性能根據內外有關報道,比較淬火油,用聚合物介質水溶液,經淬火后,工件表面硬度和心部硬度都有定程度提高。

根據丁得剛教授的研究發現(見《重型卸扣用鋼研究——UCONE 淬火介質在 34CrNilMoA 鋼上的應用》),直徑 260mm34CrNilMoA 試樣經聚 合物介質水溶液淬火后具有優良的力學性能:Rm 970 mpaRp0.2 850 mpaA18%Z63%AKv-20 0C68J。相應油淬火力學性能標準(直徑 100-300mm)為 Rm>=765mpaRe>=635mpaA>=14%Z>=63%。在塑性指標 (A Z)基本相同條件下,用聚合物介質淬火的抗拉強度比油淬火的標 準值提高 1.27 倍。而屈服強度則提高 1.34 倍。

所以,用聚合物介質淬火充分挖掘了鋼材的潛力,如果零件尺寸不變,則提高了零件安系數。如果條件許可,則可以減少零件的尺寸,減輕零件重量,降低了零件成本。丁得剛教授還認為,如果鋼材采用聚合物介質代替油做淬火介質之后,對鋼材的標準中的力學性能應進行升處理。由此帶來的經濟益將十分驚人。

聚合物淬火介質也有缺點,即對不同碳當量的鋼種,要求不同的聚合物濃度。給用戶造成不便。例如:臺網帶爐既要處理 45 碳鋼零件,又要處理 40Cr 鋼零件,則需要兩種濃度淬火液。這種情況下,就需要準備兩個淬火液貯槽,個為低濃度,另個為比較高濃度,輪流使用。

4、金潤寶 ZFQ 系列水基淬火液

金潤寶 ZFQ 系列水基淬火劑分五大系列,即 A 型,B 型(又細分Ⅰ 型和Ⅱ型),C 型,D 型和 E 型。

這些系列產品的點是使用時無毒,不燃燒,無煙霧,無火災危險,無污染,不老化,使用壽命長。在使用中,只需補充原液,無需整槽更換。

300 0C 冷卻速度進行淬火介質冷卻性能定。理論和經驗告訴我 們,淬火介質的 300 0C 冷卻速度對多數鋼件淬裂與否起著決定性作用。 為此,選用 300 0C 冷卻速度值來對淬火介質定。把常用淬火介質在 300 0C 冷卻速度從300C冷卻速度從<10C/S110C/S 分成11,即從0,102030....100PAG淬火劑15%的別是20-60(因不同品種而不同),快速淬火油是0-20(因品種而不同)。對不同鋼種,選擇淬火劑別的建議,如表1

       表1 

鋼種

適合的別范圍

鋼種碳素結構鋼

70-110

碳素工具鋼、低碳低合金鋼

50-80

碳量較低的中合金鋼

30-70

高碳合金鋼、中碳中合金鋼及模具鋼

<10-30

從冷卻性角度講,比較理想的淬火介質在冷卻初期,冷卻速度稍慢些,避免處于奧氏體和過冷奧氏體狀態的工件因冷卻速度快,收縮急劇 而發生彎曲畸變;在過冷奧氏體不穩定的區間(珠光體轉變曲線“鼻子”處的 600-400℃),希望快冷,避免發生珠光體類轉變;又希望進入 馬氏體轉變區(Ms 點以下),冷卻速度愈慢愈好,緩解馬氏體轉變體積 膨脹而產生的應力,防止開裂和減小畸變。對于珠光體轉變滯后貝氏體轉 變突出的些鋼種,為了避免在冷卻時產生上貝氏體而出現脆性,要求淬 火介質在貝氏體轉變區 350-400℃有較快的冷卻速度。作者認為:除了用 300℃冷卻速度進行淬火介質冷卻性能定外還要加入從 300℃到 200℃ 時的冷卻所用時間。300℃到 200℃時的冷卻所用時間越長,工件淬火引 起的內應力越小越不易淬裂。作者認為,對般中小熱處理企業,常見的 中碳低合金鋼,如 40Cr40CrMo ,選用淬火劑以 30-45 為宜,即淬火 介質 300 0C 冷速在 30-45 0C/S。對多用爐滲碳件可選用 10-20 淬火劑。

利用以上概念,作者列出了“金潤寶 ZFQ 系列水基淬火介質 300 0C 冷卻速度譜系”見表 2。對用戶選擇介質型號具有指導意義。

2 金潤寶 ZFQ 系列水基淬火介質 大冷卻速度和在 300冷卻速度及從 300 200冷卻時間譜系

(測試方法:按照 ISO9950 標準)

介質型號 成分 與水配比比例 大冷卻速度(℃/s) 300℃冷卻速度(℃/s) 300℃到 200℃所用時間(s) 冷卻速度分        主要用途         (用戶可向本公司技術人員咨詢)
ZFQ-A 高分子 1:6至1:16,共12個等 15-20 6.4-16.6 20.3-9.8 很慢速 厚大件高鉻鑄鐵(Cr15,Cr20,Cr26,Cr28)高速鋼、模具鋼等中、低合金結構鋼,合金模具鋼,多用爐內滲碳件(尚需更多案例),及使用油淬的鋼種
ZFQ-B I
PAG類
(類油型)
1:4至1:12,共9個等 66.6-110 7.2-27 23.4-14.7 慢速
ZFQ-B II PAG 類 1.5%,2%,2.5%,6% 135-151 43.2-47.4 10.8-3.2 中速(冷卻速度介于快速油與水之間) 中碳、中合金結構鋼,以42CrMo 為代表齒輪鋼,軸承滾子,及用水淬開裂用油淬硬度又偏低的鋼種使用于自來水淬硬度偏低且易淬裂和低碳低合金結構鋼,高錳鋼
ZFQ-C 無機物 1:02 174.5-187.8 73.4-80 1.9-1.8 快速
ZFQ-D 無機物 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 高鉻鑄鐵,高鉻鋼,高鉻磨球,高合金模具鋼及高速鋼,高、中碳中鉻鋼
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

根據丁得剛教授的經驗,對 42CrMo 鋼選用 15%濃度的 PAG 介質水 溶液是安的。實踐證明,對于起重機車輪、輪緣厚度 20-25mm 的復雜 結構也不會產生淬火裂紋。淬火后硬度可達 HRC55 左右。

金潤寶 ZFQ-B-Ⅱ型水基淬火介質是 PAG 的改良型,在濃度較低的情 況下(如 2.5%),其 300 0C 冷速,相當于進口 PAG 介質 15%濃度下的 冷卻速度,大大降低了用戶的生產成本,也就是說,金潤寶的淬火介質技 術某些方面已超過當代際水平。

5、結論

5.1、環保不可燃聚合物水溶液代替淬火油是熱處理冷卻技術的革命,是目前世界上應用廣泛的淬火劑。

5.2、以金潤寶科技有限公司為代表的金潤寶 ZFQ 系列水基淬火液已 經進入淬火介質市場的先進行列,在某些指標上已經超過際水平(已申 報利多件)。

5.3 金潤寶 ZFQ 系列水基淬火液五個系列的 300 0C 冷卻速度從 6.4 0C/S 88.9 0C/S,基本上滿足各種髙鉻鑄鐵和大部分鋼種的淬火工藝的需要。

5.4 金潤寶 ZFQ 系列水基淬火液可用于開式淬火槽,網帶爐以及密封式多用爐和感應熱處理的噴淬。(次性淬火件重量與淬火槽中淬火液之比:在開式淬火槽中 1:10;在多用爐中 1:15.淬火槽中按規定配置攪 拌器和淬火液循環冷卻器。)


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