CN103233102B - 高铬铸铁淬火用水溶性淬火介质 - Google Patents
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Abstract
本发明高铬铸铁淬火用水溶性淬火介质，由原料重量配比，聚乙烯吡咯烷酮12-18、聚丙烯酸钠1-3、防锈剂6-8、杀菌剂0.5、pH调整剂5、水65.5-75.5混配构成。适合高铬铸铁淬火，安全环保，具有较低的冷却速度，使淬火后的产品耐磨性能好，能充分满足了高铬铸铁淬火的热处理要求。
Description
技术领域
本发明涉及的是高铬铸铁（高铬球、高铬衬板）热处理时，使用的一种水溶性淬火介质。
背景技术
高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。在耐磨性上，它比合金钢高得多，在韧性、强度上，它又比一般白口铸铁高得多。同时，它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，而且生产便捷、成本适中，因此成为当代最优良的抗磨损材料之一。
高铬铸铁是含碳量在2.0%~3.2%，含铬量在12%~28%之间的铬系白口铸铁。铬的大量加入，是为了赋予材料的高硬度、高耐磨性、高回火稳定性和高抗腐蚀性，同时极大提高了材料的淬透性，使得材料在热处理时要求淬火介质的冷速慢。
高铬铸铁（高铬球、高铬衬板）的热处理冷却加工中，采用淬火油作为冷却介质，油淬后硬度在HRC56-58，耐磨性较差。淬火油使用一段时间后，容易混进水分，就能引起钢球、衬板等开裂。而且淬火工艺周期长，安全系数低，易引发火灾，淬火时产生大量烟雾，对环境以及工作人员的健康都会产生极大的危害。
现使用最广泛的水溶性淬火介质之一是聚烷撑二醇（PAG）淬火液。PAG不燃烧、安全环保，通过对浓度、温度以及搅拌情况的调节可以得到不同的冷却性能。但PAG类淬火介质具有局限性，适合普通碳钢、中低合金钢等，但对于高合金钢如高铬铸铁（高铬球、高铬衬板）等具有高淬透性的材质在淬火时则易出现淬火裂纹，不能满足高铬铸铁的热处理要求。
发明内容
本发明的目的是针对高铬铸铁（高铬球、高铬衬板）的组织特点，结合淬火介质的化学特性，提供一种适合高铬铸铁淬火的水溶性淬火介质。它具有低冷速，安全环保等特性。使淬火后的产品有良好的耐磨性，能充分满足了高铬铸铁淬火的热处理要求。
本发明高铬铸铁淬火用水溶性淬火介质由原料重量比混合构成：
A 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）(分子量：3000 ) 12-18份
B 聚丙烯酸钠（PAAS）(分子量：25000000） 1-3份
C 防锈剂 6-8份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5份
F 水 65.5-75.5份。
A 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）(分子量：3000)，是一种非离子型高分子聚合物，具有水溶性高分子化合物的一般性质，即成膜性、粘结性、吸湿性、增溶或凝聚作用，并无逆溶性，有优异的溶解性能及生理相容性。选用分子量为3000的聚乙烯吡咯烷酮，分子链长，粘度适中，由于有成膜保护作用，可有效防止工件开裂，而且与聚丙烯酸钠有很好的配伍性。
B 聚丙烯酸钠（PAAS）(分子量：25000000），是一种水溶性高分子化合物，溶于水形成粘稠的透明液体。具有增稠、乳化、赋形、膨化、稳定等多种功能，与水可以任意比例互溶，无逆溶性。选用分子链为25000000的聚丙烯酸钠，分子链长，有效减缓介质的V300冷却速度，减小工件开裂危险。
C 防锈剂为诺泰生物科技（合肥）有限公司的NEUF316，是有机硼酰胺类防锈剂，具有高黏度、水溶性好、pH值缓冲性能佳、防锈优异等特点，同时具有对细菌、真菌的抑制能力，不易起泡等特点。
D 杀菌剂为上海裕诚化工有限公司的Busan77杀菌剂，是一种季胺化合物，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变质问题。
E pH调整剂为华阳恩赛有限公司的CWT-03，是有机碱性胺，能使体系的pH稳定在9-10，可提高淬火液使用寿命。
本发明优点是提供一种具有防锈、防腐、防泡沫、润湿、杀菌功能的淬火介质，是水溶液，可以与水多倍稀释使用，调节到一定浓度，冷却特性与某些淬火油性能相似，甚至优于淬火油。用于高铬铸铁淬火，既可提高高铬铸铁的淬透性、明显改善其耐磨性，还可以大量减少铝、镍、铜等合金元素的加入量，降低高铬铸铁生产成本。本发明介质化学稳定性高、不变质发臭、寿命长、无污染、高效节能、使用维护简单。
制备方法
将聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸钠、防锈剂、杀菌剂、pH调整剂、水，按上述配比加入反应釜中，搅拌均匀，得产品。
本发明的高铬铸铁水溶性淬火介质，冷却性能原理与PAG类似。工件进入淬火液先形成一层保护膜，减缓冷却速度，在“C”曲线鼻子处保护膜迅速破裂，缩短了蒸汽膜阶段，迅速进入沸腾冷却阶段，避免了共析组织及珠光体和上贝氏体的产生。在低温马氏体转变阶段再次形成相对稳定的保护膜，从而降低了冷却速度，有助于保持工件较小的淬火变形和使淬裂危险降到最低。其高温冷却速度比油要快，能够避免产生共析组织及珠光体和上贝氏体组织。在低温段马氏体组织转变区，冷却速度接近于油。但比水慢得多，能够减小变形防止开裂。使高铬球回火后硬度可达到63-68 HRC、高铬衬板回火后硬度≥58 HRC，因而有良好的耐磨性能；冲击值≥4J/㎝2以上，又有很好的抗冲击能力，破碎率极低。
具体实施方式
实施例1：
A 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）(分子量：3000 ) 12.0份
B 聚丙烯酸钠（PAAS）(分子量：25000000） 3.0份
C 防锈剂 8.0份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5.0份
F 水 71.5份。
高铬球的含铬量越高，其淬透性也高，所以为保证高铬球淬火不开裂，则需要提高聚丙烯酸钠的含量，降低介质V300的冷却速度。
实施例2：
A 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）(分子量：3000 ) 18.0份
B 聚丙烯酸钠（PAAS）(分子量：25000000） 1.0份
C 防锈剂 6.0份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5.0份
F 水 65.0份。
对高铬铸铁衬板，为保证其热处理时减小变形量，则提高聚乙烯吡咯烷酮的含量，胶体保护作用使工件金相转变过程中，减小内应力，有效控制变形量。
实施例3：
A 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）(分子量：3000 ) 15.0份
B 聚丙烯酸钠（PAAS）(分子量：25000000） 2.0份
C 防锈剂 7.0份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5.0份
F 水 70.5份。
其比较适应高铬球、高铬衬板同时淬火使用。
表1 技术指标典型值比较
| 指标项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 市场现有PAG | 等温分级淬火油 |
| 外观 | 无色至黄色粘稠液体 | 无色至黄色粘稠液体 | 无色至黄色粘稠液体 | 无色至黄色粘稠液体 | 均匀油状液体 |
| pH值 | 10.28 | 10.01 | 10.15 | 9.35 | — |
| 闪点 | — | — | — | — | ≥200 |
| 运动粘度（mm2/s，40℃） | 956 | 889 | 936 | 289 | ≤14（100℃） |
| 凝点（℃） | -9℃ | -9℃ | -9℃ | -11℃ | ≤-5 |
| 密度（g/cm3，20℃） | 1.061 | 1.046 | 1.053 | 1.075 | — |
| 折光率 | 0.8 | 0.7 | 0.7 | 2.5 | — |
| 逆溶点（℃） | — | — | — | 74 | — |
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。
表2 冷却特性典型值对比
| 项目指标 | Vmax（℃／s） | TVmax（℃） | V300（℃／s） |
| 实施例1（10%浓度） | 128 | 710 | 16 |
| 实施例2（10%浓度） | 141 | 726 | 20 |
| 实施例3（10%浓度） | 137 | 723 | 18 |
| 市场现有PAG（20%浓度） | 164 | 694 | 45 |
| 等温分级淬火油 | 78 | 628 | 5 |
注：冷却曲线标准测定方法：JB/T7951。
下面以高铬球、高铬衬板为例，在不同配比的介质中进行淬火试验，进行性能比较。
实验例1：
分别将实施例1原液0.8份与9.2份水混合，配成8%浓度的溶液；原液1份与9份水混合，配成10%浓度的溶液；原液1.2份与8.8份水混合，配成12%浓度的溶液。对高铬球、高铬衬板分别进行热处理；
淬火工件尺寸：高铬球（φ120mm）、高铬衬板（320×180×50mm）；
将高铬球在加热炉中加热到650℃保温2小时，继续升温到1050℃保温3.5小时后取出。分别用实施例1的8%浓度、实施例1的10%浓度、实施例1的12%浓度、PAG的20%浓度和等温分级淬火油进行淬火，并记录冷却时间，然后在250-350℃保温4-6小时回火。
将高铬衬板在加热炉中加热到350℃保温2小时，继续升温到450℃保温1小时，继续升温到550℃保温1小时，继续升温到650℃保温1小时，继续升温到750℃保温2小时，继续升温到960-980℃保温2-4小时后取出。分别用实施例1的8%浓度、实施例1的10%浓度、实施例1的12%浓度、PAG的20%浓度和等温分级淬火油进行淬火，并记录冷却时间，然后在280-320℃保温4-6小时回火。
对热处理后的高铬球和高铬衬板，分别测定淬火及回火后洛氏硬度值、冲击值、抗冲击疲劳强度。具体测试数值见表3。
表3 实施例1不同浓度热处理测定数值
注： HRC按GB/T230.1-2004检测。冲击值按GB/T1817-1995检测。抗冲击疲劳强度按用3.5米高度落球试验机检测。
由表3可知，实施例1的配比在8%浓度时，最适合高铬球淬火，在12%浓度时，最适合高铬衬板淬火，且淬火冷却时间仅为油冷却的一半，缩短热处理时间，节省能源。
实验例2：
分别将实施例2原液0.8份与9.2份水混合，配成8%浓度的溶液；原液1份与9份水混合，配成10%浓度的溶液；原液1.2份与8.8份水混合，配成12%浓度的溶液。对高铬球、高铬衬板分别进行热处理；
淬火工件尺寸：高铬球（φ120mm）、高铬衬板（320×180×50mm）；
具体热处理工艺如同实验例1。
对热处理后的高铬球和高铬衬板，分别测定淬火及回火后洛氏硬度值、冲击值、抗冲击疲劳强度。具体测试数值见表4。
表4 实施例2不同浓度热处理测定数值
注： HRC按GB/T230.1-2004检测。冲击值按GB/T1817-1995检测。抗冲击疲劳强度按用3.5米高度落球试验机检测。
由表4可知，实施例2的配比在12%浓度时，最适合高铬球淬火，在8%浓度时，最适合高铬衬板淬火，且淬火冷却时间仅为油冷却的一半，缩短热处理时间，节省能源。
实验例3：
分别将实施例3原液0.8份与9.2份水混合，配成8%浓度的溶液；原液1份与9份水混合，配成10%浓度的溶液；原液1.2份与8.8份水混合，配成12%浓度的溶液。对高铬球、高铬衬板分别进行热处理；
淬火工件尺寸：高铬球（φ120mm）、高铬衬板（320×180×50mm）；
具体热处理工艺如同实验例1。
对热处理后的高铬球和高铬衬板，分别测定淬火及回火后洛氏硬度值、冲击值、抗冲击疲劳强度。具体测试数值见表5。
表5 实施例3不同浓度热处理测定数值
注： HRC按GB/T230.1-2004检测。冲击值按GB/T1817-1995检测。抗冲击疲劳强度按用3.5米高度落球试验机检测。
由表5可知，实施例3的配比在10%浓度时，适合高铬球及高铬衬板同时淬火，且淬火冷却时间仅为油冷却的一半，缩短热处理时间，节省能源。
Claims (2)
1.高铬铸铁淬火用水溶性淬火介质，其特征是：
原料重量配比
A 聚乙烯吡咯烷酮 分子量：3000 12-18 份
B 聚丙烯酸钠 分子量：25000000 1-3份
C 防锈剂 6-8份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5份
F 水 65.5-75.5份；
防锈剂C为诺泰生物科技（合肥）有限公司的NEUF316；
杀菌剂D为上海裕诚化工有限公司的Busan77杀菌剂；
pH调整剂E为华阳恩赛有限公司的CWT-03。
2.高铬铸铁淬火用水溶性淬火介质生产方法，其特征是：
原料重量配比
A 聚乙烯吡咯烷酮 分子量：3000 12-18 份
B 聚丙烯酸钠 分子量：25000000 1-3份
C 防锈剂 6-8份
D 杀菌剂 0.5份
E pH调整剂 5份
F 水 65.5-75.5份；
搅拌均匀，制得；
防锈剂C为诺泰生物科技（合肥）有限公司的NEUF316；
杀菌剂D为上海裕诚化工有限公司的Busan77杀菌剂；
pH调整剂E为华阳恩赛有限公司的CWT-03。
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