CN109913626A - 一种淬火介质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种淬火介质及其制备方法，所述淬火介质包括以下体积份的组分：PAG聚合物35～45份；复合防锈剂3～5份；pH提高剂0.5～1份；缓冲剂0.5～1份；成膜剂1～1.5份；水35～45份；其中，基于1L计为1体积份。将本申请提供的淬火介质稀释8～10倍，得到稀释的淬火介质，将稀释的淬火介质应用于螺栓等连接工件的淬火处理时，能够减少螺栓等连接工件表面的生锈，解决了传统淬火介质在使用过程中，造成的工件容易生锈的问题。

Description

一种淬火介质及其制备方法

技术领域

本申请涉及工件淬火技术领域，具体涉及一种淬火介质及其制备方法。

背景技术

在工件淬火领域，对于重要的连接工件，例如螺栓，通常情况下需要承受轴向应力和交变应力，为避免工件在力的作用下产生形变或裂纹，要求工件具有一定的强度。工业上利用淬火工序对工件进行淬火处理，淬火处理时，工件整个截面都要求淬硬，避免出现“软芯”现象，这样，淬火处理后的工件才能满足淬硬的要求。

钢制工件的淬透性通常较低，因此在工件的淬火工序中，通常使用水作为淬火介质。水作为淬火介质，具有简单易得的优势，但是也有明显的不足之处：1)水在对流阶段，即马氏体转变过程的冷却速度过快，容易导致工件产生变形和裂纹；2)水没有防锈能力，不仅使淬火设备生锈，还会使淬后工件表面生锈，而生锈处可能成为工件在交变应力作用下疲劳的裂纹源。

为克服利用水作为淬火介质的不足，通常采用聚合物淬火介质进行淬火，聚合物淬火介质中以PAG聚合物淬火介质较为常见。PAG聚合物具有逆溶性，能在热的工件表面逆溶析出，形成聚合物膜，避免了淬火介质和工件之间的直接接触，降低了对流冷速，减少了变形开裂的倾向性。另一方面，为使工件整个截面达到淬硬的要求，需要淬火介质的冷却能力较高，这就要求淬火介质中的PAG聚合物浓度不能过高，然而，在较低的浓度下，PAG聚合物淬火介质的防锈能力仍然较差，因此如何提高PAG聚合物淬火介质的防锈能力是目前亟需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种淬火介质，以解决现有PAG聚合物淬火介质的防锈能力差的问题。

本申请的第一方面，提供一种淬火介质，包括以下体积份的组分：PAG聚合物35～45份；复合防锈剂3～5份；pH提高剂0.5～1份；缓冲剂0.5～1份；成膜剂1～1.5份；水35～45份；其中，基于1L计为1体积份。

可选的，所述复合防锈剂包括有机胺和脂肪酸，所述复合防锈剂中有机胺和脂肪酸的体积比为1：(0.5～0.9)；

所述有机胺选自一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA，DCHA，乙烯胺以及MDEA中的一种或多种；

所述脂肪酸选自癸酸，新癸酸，壬酸，异壬酸，十一烷二酸，十二烷二酸以及癸二酸中的一种或多种。

可选的，所述复合防锈剂包括以下体积份的组分：一乙醇胺17～23份；三乙醇胺17～23份；MIPA17～23份；癸酸7.5～11.5份；新癸酸7.5～11.5份；壬酸7.5～11.5份；十一烷二酸7.5～11.5份；其中，基于0.1L计为1体积份。

可选的，所述缓冲剂选自Na2CO3，一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA，MDEA以及DMEA中的一种。

可选的，所述pH提高剂选自KOH或NaOH。

可选的，所述淬火介质的黏度为256.5～258.5mm²/S。

本申请的第二方面，提供一种第一方面任意一种可能实现方式提供的淬火介质的制备方法，包括：

将水加热至20～30℃并保温；

向水中加入PAG聚合物，搅拌20～30min，得到混合体系；

向所述混合体系中依次加入pH提高剂、缓冲剂、复合防锈剂和成膜剂，搅拌20～30min，即得淬火介质。

本申请提供一种淬火介质及其制备方法，所述淬火介质包括以下体积份的组分：PAG聚合物35～45份；复合防锈剂3～5份；pH提高剂0.5～1份；缓冲剂0.5～1份；成膜剂1～1.5份；水35～45份；其中，基于1L计为1体积份。将本申请提供的淬火介质稀释8～10倍，得到稀释的淬火介质，将稀释的淬火介质应用于螺栓等连接工件的淬火处理时，能够减少螺栓等连接工件表面的生锈，解决了传统淬火介质在使用过程中，造成的工件容易生锈的问题。

具体实施方式

以下对本申请进行详细描述。

针对现有PAG聚合物淬火介质防锈能力不足的问题，需要向体系中加入防锈剂，对于防锈剂的选择，目前主要包括两种，一种是以亚硝为主的无机防锈剂，另一种是有机防锈剂。亚硝防锈剂和有机防锈剂的防锈机理存在差别，无机防锈通常能够使金属表面钝化或者在金属表面形成沉积膜从而起到防锈作用，对于亚硝防锈剂来说，亚硝防锈剂能够使金属表面钝化，从而抑制金属的腐蚀；有机防锈剂通常含有极性基团(如N、P、S等)，极性基团的中心原子含有孤对电子，使得该极性基团易与氢质子结合构成阳离子，阳离子与金属间的范德华力使得有机防锈剂在金属表面形成吸附膜，该吸附膜使得金属与水之间形成物理隔断，从而抑制金属的腐蚀。

从防锈性能上看，亚硝防锈剂的防锈性能优于有机防锈剂的防锈性能，但是，由于亚硝防锈剂的环保性能较差，容易带来较大的安全健康方面的潜在危害，因此目前更倾向于使用有机防锈剂。本申请中，除特别说明外，提到的防锈剂均为有机防锈剂。

为了提高防锈剂的防锈效果，通常的做法是提高防锈剂的浓度，但是，发明人在本申请的研究过程中发现，单纯地提高防锈剂的浓度并不有效，而是要在防锈剂浓度适当提高的基础上，增加防锈剂的有效性和持久性。防锈剂的有效性通常和溶液的pH有关，高pH(pH＞9.5)情况下，防锈剂的防锈性能得到成倍加强；防锈剂的持久性和成膜剂有关，一般无机物成膜能力较弱，需要有机物来增加成膜强度。另外，保持较高pH值不仅与碱性物质的浓度有关，还在于需要体系有良好的缓冲性能，因此需要在体系中加入缓冲剂。

基于以上说明，本申请提供一种淬火介质，包括以下体积份的组分：PAG聚合物35～45份；复合防锈剂3～5份；pH提高剂0.5～1份；缓冲剂0.5～1份；成膜剂1～1.5份；水35～45份；其中，基于1L计为1体积份。

本申请提供的淬火介质中PAG聚合物的浓度较高，实际应用中，需要加8～10倍水进行稀释，使得稀释后的淬火介质中PAG聚合物的浓度在3～5％，PAG聚合物的浓度在此范围内，才能在保证工件淬硬的前提下，具有较好的防锈效果。

使用PAG聚合物淬火介质进行淬火处理时，一旦工件周围的液温升到体系的浊点(逆熔点)以上，PAG聚合物就从体系中脱溶出来，以细小液珠的形式悬浮在淬火介质中。悬浮的PAG聚合物液珠一旦接触到红热工件，就靠其非常好的湿润性粘附到工件表面上，形成聚合物膜把工件包裹起来。

PAG聚合物淬火介质就是利用这种聚合物膜来调节水的冷却速度，以避免工件发生淬火开裂，因此PAG聚合物不能过低，若聚合物浓度过低，达不到工件淬硬的要求。但是，PAG聚合物浓度越高，冷速就越慢，若淬火介质的冷速低于水的冷速，则逆溶析出的聚合物膜就无法抑制水蒸汽膜，影响淬火介质的效果，因此PAG聚合物的浓度不能太高。

本申请的发明人在研究过程中发现，单一防锈剂的防锈性能不足以满足PAG聚合物淬火介质对防锈性能的要求，因此考虑使用复合防锈剂，经过大量实验的验证，发现利用有机胺与脂肪酸组合而成的复合防锈剂效果较好，因此本申请采用的复合防锈剂包括有机胺和脂肪酸，有机胺和脂肪酸的体积比为1：(0.5～0.9)。

淬火介质中复合防锈剂占3～5份，在该浓度范围内，能够达到较好的防锈效果。本申请提供的复合防锈剂在应用时，复合防锈剂中的有机胺和脂肪酸通过反应形成酰胺类化合物，酰胺基团既有离子结合式的物理吸附，又有共价结合式的化学吸附，因此能够吸附在工件表面，阻断工件与水的接触，达到良好的防锈效果。另外酰胺类化合物的环保性较好，符合当前对能源节约和环境保护的要求。

本申请中，所述pH提高剂选自KOH或NaOH。pH提高剂也可称为pH调节剂，主要作用是提高体系的pH值，具体是将体系的pH值调节至9.5以上，因此pH提高剂的用量不能过少，但是，若pH提高剂用量过多，体系的pH值过高，危害操作人员的安全，所以pH提高剂的用量要控制在0.5～1份。

pH提高剂能够将体系的pH值调节至9.5以上，要维持体系的pH在较高的范围内，还需要体系具有良好的缓冲性能，因此要在体系中加入缓冲剂，本申请所述缓冲剂选自Na₂CO₃，一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA(Amino-2-propanol，单异丙醇胺)，MDEA(methyldiethanolamine，甲基二乙醇胺)以及DMEA(N,N-dimethyl ethanol amine，二甲基乙醇胺)中的一种。

将体系的pH调节并维持在较高的范围内，复合防锈剂能够顺利进行反应生成酰胺类化合物，因此PH提高剂能够维持防锈剂的有效性，对于防锈剂的持久性，还需要加入成膜剂，成膜剂使得酰胺基团在工件表面形成的吸附膜更加牢固可靠。淬火处理后的工件往往要经过清洗工序，传统的淬火介质在清洗工序中会从工件表面脱落进行清洗液，则清洗后的工件表面暴露在空气中，容易引发工件表面生锈。采用本申请提供的淬火介质时，由于该淬火介质中存在成膜剂，工件表面的吸附膜不易在清洗工序中被洗脱，因此有利于减少工件表面生锈。

一般乳液会有成膜温度，当环境温度低于乳液成膜温度时乳液不易成膜，成膜剂能改善乳液成膜机理，帮助成膜。成膜剂能促进高分子化合物塑性流动和弹性变形，改善聚结性能，能在较广泛施工温度范围内成膜。例如，醚醇类高聚物的强溶剂，如丙二醇丁醚和丙二醇甲醚醋酸酯等，本申请不作具体限定。成膜剂的用量需要在1～1.5份，用量过多或过少，成膜剂难以发挥较好的效果。

除以上说明的组分外，淬火介质中还可以添加其他不影响其正常功能的助剂，例如，可以添加AMP-95(2-amino-2-methyl-1-propanol，2-氨基-2-甲基-1-丙醇)，AMP-95能够调节体系的pH值稳定，另外还有湿润、分散的作用。

淬火介质中的复合防锈剂包括有机胺和脂肪酸，所述有机胺选自一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA，DCHA(dicyclohexylamine，二环己胺)，乙烯胺以及MDEA中的一种或多种；所述脂肪酸选自癸酸，新癸酸，壬酸，异壬酸，十一烷二酸，十二烷二酸以及癸二酸中的一种或多种。

经过本申请的发明人大量研究，发现使用三种有机胺和四种脂肪酸组合而成的复合防锈剂效果较好，以下提供一种复合防锈剂的配比：一乙醇胺17～23份；三乙醇胺17～23份；MIPA17～23份；癸酸7.5～11.5份；新癸酸7.5～11.5份；壬酸7.5～11.5份；十一烷二酸7.5～11.5份；其中，基于0.1L计为1体积份。

本申请提供的复合防锈剂用于制备螺栓等连接工件的淬火介质，在使用时，无需单独配制复合防锈剂，而是将复合防锈剂的各个组分按照一定配比直接加入至体系中，制备成淬火介质。

利用以上组分以及配比关系制备而成的淬火介质的黏度为256.5～258.5mm²/S，该黏度值是在GBT 265-1988方法测定的，在该黏度范围内，淬火介质具有较好的流动性，将该淬火介质稀释8～10倍后，可应用于螺栓等连接工件的淬火，在淬火效果优良的基础上，具有较好的防锈效果，能够减少螺栓等连接工件表面的生锈，解决了传统淬火介质在使用过程中，造成的工件容易生锈的问题。

本申请中，所述淬火介质的制备方法包括以下步骤：

步骤1-1，将水加热至20～30℃并保温；

步骤1-2，向水中加入PAG聚合物，搅拌20～30min，得到混合体系；

步骤1-3，向所述混合体系中依次加入pH提高剂、缓冲剂、复合防锈剂和成膜剂，搅拌20～30min，即得淬火介质。

以下结合实施例对本申请进行进一步说明。

本申请通过设计多个实施例和对比例，各实施例和对比例中组分和配比关系不同，以获得不同的淬火介质，通过实验检测各个淬火介质的理化参数以及防锈性能是否正常。

检测项目如下：

(1)密度

利用GBT 1884-2000的方法进行密度的检测。密度的正常范围为：1.0000～1.1000g/cm³。

(2)黏度

利用GBT 265-1988的方法进行黏度的检测。黏度的正常范围为：256.5～258.5mm²/S。

(3)pH值

利用pH计进行pH值的检测。pH值的正常范围为：9.0～11.0。

(4)防锈性能

利用标准IP287的方法进行防锈性能的检测，该方法的原理为：将铸铁钻屑放置于滤纸上，用合成硬水稀释的水溶性金属加工液来润湿铸铁钻屑，两小时后评估沾污区域。以不同浓度稀释液反复试验，沾污区域有明显放大时，此点对应的浓度被称为断点。由于本申请是淬火介质的防锈性能测试，因此不需要制备多个不同浓度的稀释液，并以此寻找断点，结合标准IP287的方法，本申请将淬火介质按相同的倍数稀释，例如，均稀释10倍，利用稀释后的淬火介质润湿铸铁钻屑，停留2h后，观察沾污区域，根据沾污区域占铸铁钻屑覆盖区域的百分比，将淬火介质的防锈性能分为2个等级，分别为正常和不正常，其中，将百分比小于0.5％的淬火介质的防锈性能判定为正常，将大于或等于0.5％的淬火介质的防锈性能判定为不正常。

各个实施例和对比例中各组分的配比如表一所示：

表一 各组分的配比

对比例1与实施例1的区别仅在于：对比例1没有添加缓冲剂；对比例2与实施例2的区别仅在于：对比例2没有添加有机胺；对比例3与实施例3区别仅在于：对比例3没有添加脂肪酸；对比例4与实施例4区别仅在于：对比例4没有添加成膜剂。

各个实施例和对比例的检测结果见表二。

表二 各个实施例和对比例的检测结果

从表二的测试结果中可以看出，实施例1～3所制淬火介质在理化参数以及防锈性能检测方面均在正常范围内，说明本申请实施例1～3所制淬火介质具有较好的防锈性能。分别对比实施例1和对比例1、实施例2和对比例2、实施例3和对比例3以及实施例4和对比例4可以看出，淬火介质中添加的缓冲液、有机胺、脂肪酸以及成膜剂对于淬火介质的防锈性能均有较大的影响。本申请实施例1～3将缓冲液、有机胺、脂肪酸、成膜剂以及其他组分搭配使用，使得淬火介质能够适用于螺栓等连接工件的淬火，以满足连接工件对于淬硬以及淬火处理过程中的防锈的要求。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种淬火介质，其特征在于，包括以下体积份的组分：

其中，基于1L计为1体积份。

2.根据权利要求1所述的淬火介质，其特征在于，所述复合防锈剂包括有机胺和脂肪酸，所述复合防锈剂中有机胺和脂肪酸的体积比为1：(0.5～0.9)；

所述有机胺选自一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA，DCHA，乙烯胺以及MDEA中的一种或多种；

所述脂肪酸选自癸酸，新癸酸，壬酸，异壬酸，十一烷二酸，十二烷二酸以及癸二酸中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的淬火介质，其特征在于，所述复合防锈剂包括以下体积份的组分：

其中，基于0.1L计为1体积份。

4.根据权利要求1所述的淬火介质，其特征在于，所述缓冲剂选自Na₂CO₃，一乙醇胺，三乙醇胺，MIPA，MDEA以及DMEA中的一种。

5.根据权利要求1所述的淬火介质，其特征在于，所述pH提高剂选自KOH或NaOH。

6.根据权利要求1所述的淬火介质，其特征在于，所述淬火介质的黏度为256.5～258.5mm²/S。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述淬火介质的制备方法，其特征在于，包括：

将水加热至20～30℃并保温；

向水中加入PAG聚合物，搅拌20～30min，得到混合体系；

向所述混合体系中依次加入pH提高剂、缓冲剂、复合防锈剂和成膜剂，搅拌20～30min，即得淬火介质。