CN102417955B - 用于热模具钢的水溶性淬火介质 - Google Patents
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Abstract
本发明用于热模具钢的水溶性淬火介质，由聚烷撑二醇、聚乙烯吡咯烷酮、防锈剂、杀菌剂、pH调节剂、沉降剂、消泡剂、水，按配比混合均匀制得。生产成本低、不易燃、环保。替代油类淬火介质，充分满足了以4Cr5MoSiV1、5CrMnMo、5CrNiMo为代表的热模具钢的淬火要求。
Description
技术领域
本发明涉及的是热处理用水溶性淬火介质，特征是用于热模具钢的水溶性淬火介质。
背景技术
热处理中使用水溶性淬火介质日益普及，最具代表的是PAG类水溶性淬火介质，对于中低碳钢如30#、45#，中低合金钢如40Cr、42Cr、35Cr等均采用PAG类水溶性淬火介质进行热处理，在硬度、金相组织、抗拉强度、屈服强度、变形量等方面能够满足工业生产要求，例如汽车用曲轴、半轴、前桥、农用机械等的热处理。
但普通PAG类水溶性淬火介质也存在局限性，并不适用热模具钢的淬火处理，例如并不适用于4Cr5MoSiV1、5CrNiMO、5CrMnMo热模具钢的淬火处理。热模具钢的淬火热处理目前仍然使用淬火油，尚未有PAG类水溶性淬火介质在模具钢热处理方面应用的公开资料报道。
我国聚烷撑二醇类（PAG）水溶性淬火介质，近几年来也有了一定程度的发展，但也存在着诸多不足，如CN201110052521.8专利文献报道的聚烷撑二醇类水溶性淬火介质，分子量在 5000-30000，其组成比例为：聚烷撑二醇（分子量：20000-30000）0.5-20%，聚烷撑二醇（分子量5000-15000）0.5-30%，防锈剂0.5-1.5%，消泡剂0.1-0.2%，杀菌剂300PPM-800PPM，表面活性剂200PPM-500PPM，PH值调节剂0.1-5%，其余为水。该淬火介质适用于大型铸锻件的淬火热处理，其特点在于通过调整浓度来调整淬火冷却速度，提高淬火介质的适用范围。
CN02132504.9专利文献报道的聚烷撑二醇类水溶性淬火介质，聚烷撑二醇分子量在4000-15000，其组成比例为：聚烷撑二醇45-55%，表面活性剂为0.05-0.1%，无机盐0-2.0%，无机碱0-0.6%，杀菌剂200PPM，自来水余量。该产品主要用于碳钢淬火，其特点为价格低廉、环保。
CN200810119463专利文献报道的聚烷撑二醇类水溶性淬火介质，聚烷撑二醇分子量在2000以下，其组成比例为：聚烷撑二醇1-30%，防锈剂0.1-1.0%，消泡剂100-500PPM，复合杀菌剂0.1-1.0%，PH值调节剂0.2-2.0%，余量为水。该淬火介质原料易得，价格低廉，适合中低碳钢淬火。
普通碳钢、中低合金钢热处理，采用单一聚烷撑二醇类水溶性淬火介质即能满足热处理淬火要求，但热模具钢H13（4Cr5MoSiV1）、5CrMnMo、5CrNiMo等具有高淬透性、高抗热裂能力、优异耐磨性能的金属工件在淬火时就要求淬火介质具有油类介质的低冷速，但普通PAG类淬火剂冷速普遍偏高，不能满足热模具钢淬火要求。
热模具钢特点：（1）模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时，其模腔表面温度可达300-400℃，这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中易发生打垛。为此，对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度、高温强度、高的回火稳定性。（2）模腔表层金属产生热疲劳（龟裂）。热模的工作特点是具有间歇性，反复受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，引起模腔表层出现龟裂，称为热疲劳现象，因此对热模具钢提出了第二个基本使用性能要求，即具有高的热疲劳抗力。热磨具钢材料以4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo为代表，它们都具有高的淬透性和抗热裂能力、优异的耐磨性以及优良的综合力学性能和较高抗回火稳定性。
由于热模具钢在使用过程中对其金属性能有较高要求，因此该类钢在淬火过程中对淬火剂也提出了较高的要求。目前该类钢材淬火都使用淬火油。但淬火油使用成本高、易燃、环保性能差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于热模具钢的水溶性淬火介质，该介质具有低冷速、低成本、不易燃、环保等特点。根据热模具钢的金属材质特性，结合淬火介质的化学特性，通过合理的调配使发明的淬火剂充分满足了热模具钢淬火的要求。
本发明原料组成重量比：
A 聚烷撑二醇 (分子量：22000） 35-45份
B 聚乙烯吡咯烷酮（分子量：36万） 5-10份
C 防锈剂 2-5份
D 杀菌剂 2×10-4份
E PH调节剂 2-5份
F 沉降剂 0.5份
G 消泡剂 0.2份
H 水 35-55份
本发明配方中各组分具体成分如下：
聚烷撑二醇为一种极其粘性的、高分子量的液态聚亚氧烷基乙二醇多羧基化合物，该化合物在淬火液中作为浓缩物特别有效，分子量在22000，与水可以任意比例互溶。具有优异的成膜性能以及化学和切变稳定性，无腐蚀和不起泡，不淤积和胶结，此外，它具有良好的润滑作用，与其他材料的显著的相容性，而且在通常的使用或贮存条件下，它不受水解、细菌、氧化或加热的影响。在金属的淬火剂配方中，聚烷撑二醇在板上平铺开来的独特性能可以控制冷却速度。
聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，是一种非离子型高分子化合物，白色或乳白色的粉末固体，其平均分子量一般用K值表示，K值通常分为K-15、K-30、K-60、K-90，分别代表1万、4万、16万、36万的分子量范围，无逆溶性。
防锈剂：为水溶性防锈剂，是联合润滑材料（深圳）有限公司的Metali-Guard 2032。
杀菌剂：为武汉新大地环保材料有限公司代理的BASFQK-20防腐杀菌剂，该杀菌剂对真菌、霉菌、细菌有较强的抑制作用，可有效防止水溶性介质在使用过程中出现的质变问题。
PH调节剂：为三乙醇胺。
沉降剂：为聚丙烯酰胺，大幅降低水性溶液表面张力，在疏水性表面表现出极佳的铺展性，可改善水基液体的润湿，铺展性能，提高砂轮灰的沉降能力。
消泡剂：为青岛德润凯化工有限公司代理的路博润LZ5674。
制备方法：
将聚烷撑二醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、防锈剂、杀菌剂、PH调节剂、沉降剂、消泡剂、水，按配方中比例加入反应釜中，搅拌均匀，得产品。
本发明适合热模具钢淬火的水溶性淬火介质，该淬火介质除具有成本低、不易燃、环保等普通PAG所具有的性质外还具有与油相近的冷速，从而充分满足了以4Cr5MoSiV1、5CrMnMo、5CrNiMo为代表的热模具钢的淬火要求，解决了用油淬火造成的高成本、易燃、不环保等问题，是油类淬火介质的理想替代品。
热作模具钢在淬火过程中，从奥氏体到马氏体的转变要求在高温区有高的冷却速度，而在低温区要有很低的冷却速度，本发明所用的介质恰好满足了上述要求。在高温区聚烷撑二醇可以保证淬火介质有很高的冷却速度，在低温区时聚乙烯吡咯烷酮发挥主要作用，使得冷却速度降低到类似于油的冷却速度，因此保证了热作模具钢的淬火要求。在热模具钢相变区250-400℃左右具有更低的冷速，保证工件热处理时安全通过相变点，从而保证工件硬度、金相组织、抗拉强度、屈服强度、变形量、抗热裂能力、耐磨性能等性能要求。
具体实施方式
实施例1：
A 聚烷撑二醇(分子量：22000） 35份
B 聚乙烯吡咯烷酮（分子量：36万） 10份
C 防锈剂 5份
D 杀菌剂 2×10-4份
E PH调节剂 2份
F 沉降剂 0.5份
G 消泡剂 0.2份
H 水 47份
4Cr5MoSiV1因为材料中含有较高的合金和硅，因此它的淬透性非常好，这就要求介质中影响高温区冷却速度的聚烷撑二醇成分稍低即可，而影响低温区冷却速度的聚乙烯吡咯烷酮的含量适当提高，从而保证本介质对4Cr5MoSiV1的淬火效果达到比较理想的状态。
实施例2：
A 聚烷撑二醇(分子量：22000） 45份
B 聚乙烯吡咯烷酮（分子量：36万） 5份
C 防锈剂 2份
D 杀菌剂 2×10-4份
E PH调节剂 5份
F 沉降剂 0.5份
G 消泡剂 0.2份
H 水 42份
5CrNiMo这种热作模具钢因含有镍及工作条件要承受反复受热和冷却，要求有好的耐热性、耐磨性和淬透性，因此聚烷撑二醇的含量要高一些，介质的淬透性也要好一点，以保证5CrNiMo有高的淬透性，5CrNiMo的均一性更高。
实施例3：
A 聚烷撑二醇(分子量：22000） 40份
B 聚乙烯吡咯烷酮（分子量：36万） 8份
C 防锈剂 3份
D 杀菌剂 2×10-4份
E PH调节剂 3份
F 沉降剂 0.5份
G 消泡剂 0.2份
H 水 45份
5CrMnMo这种热作模具钢的淬透性比较差，因此需要较高含量的聚烷撑二醇的淬火剂才能保证模具淬火后具有高的机械性能和高的均一性。
上述实施例原料组成为重量比。
表一 技术指标典型值比较
注：
外观：目测。 PH值：GB/T9724 。 运动粘度：GB/T265。闪点： GB/T3536。凝点： GB/T3535 。密度： GB/T1884。折光率： GB/T614。逆溶点： GB/T5559。最大冷速（Vmax）： JB/T7951。最大冷速温度（TVmax）：JB/T7951。300℃冷速（V300）：JB/T7951 。
实验例1：
将实施例1中原液3份与17份水混合溶解（即溶液为15%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
将热模具钢4Cr5MoSiV1在加热炉中加热到1030℃，保温5小时，分别在350℃、650℃和850℃分别均温2小时、2.5小时、和3小时淬火，淬火结束后分别在590℃和560℃回火，各保温5小时；
将热模具钢5CrNiMo在加热炉中加热到840℃，保温8小时，在650℃均温3小时，用本品淬火时在工件表面温度200℃时取出，并立即回火，回火温度560℃，保温5小时；
将热模具钢5CrMnMo在加热炉内加热到840-850℃，要求加热速度小于每小时40℃，保温7小时，在650℃均温5小时，工件预冷至750℃淬火，冷至工件表面温度150℃左右取出并回火，回火温度530℃保温7小时。
各种具体测试指标见表二。
实验例2：
将实施例1中原液9份与41份水混合溶解（即溶液为18%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表二。
实验例3：
将实施例1中原液1份与4份水混合溶解（即溶液为20%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表二。
实验例4：
将实施例2中原液3份与17份水混合溶解（即溶液为15%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表三。
实验例5：
将实施例2中原液9份与41份水混合溶解（即溶液为18%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表三。
实验例6：
将实施例2中原液1份与4份水混合溶解（即溶液为20%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表三。
实验例7：
将实施例3中原液3份与17份水混合溶解（即溶液为15%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表四。
实验例8：
将实施例3中原液9份与41份水混合溶解（即溶液为18%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表四。
实验例9：
将实施例3中原液1份与4份水混合溶解（即溶液为20%浓度），对4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo进行热处理；
淬火工件材质：4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrMnMo；
淬火工件尺寸：4Cr5MoSiV1（长16000mm，直径：φ220mm）、5CrNiMo（350*350*400mm）、5CrMnMo（400*400*500mm）；
具体淬火工艺见实验例1淬火工艺。
各种具体测试指标见表四。
性能测试比较表二
性能测试比较表三
性能测试比较表四
注： HRC：GB/T230.1-2004。抗拉强度：GB/T228-2002 。冲击韧性： GB/T1817-1995。延伸率： ISO37:2005。
Claims (1)
1.用于热模具钢的水溶性淬火介质，其特征是：
由原料重量配比包括：
A 聚烷撑二醇 分子量：22000 35-45份 ；
B 聚乙烯吡咯烷酮 分子量：36万 5-10份；
C 防锈剂 2-5份；
D 杀菌剂 2×10-4份；
E pH调节剂 2-5份；
F 沉降剂 0.5份 ；
G 消泡剂 0.2份 ；
H 水 35-55份；
混合均匀制成；
防锈剂：为水溶性防锈剂，是联合润滑材料深圳有限公司的Metali-Guard 2032；
杀菌剂：为武汉新大地环保材料有限公司代理的BASFQK-20防腐杀菌剂；
pH调节剂：为三乙醇胺；
沉降剂：为聚丙烯酰胺；
消泡剂：为青岛德润凯化工有限公司代理的路博润LZ5674。
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