淬火介質(zhì)是影響淬火工藝及零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之，正確選擇和合理使用淬火介質(zhì)，可以減少工件變形，防止開裂，保證達到所有要求的組織和力學(xué)性能，目前大型鑄鍛件和機器零件，淬火介質(zhì)主要為水和淬火油。用水淬火時，工件會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，造成開裂和變形等。油淬火雖然對減少工件變形和開裂有利，但在高溫區(qū)冷卻能力低，工件淬透性較差，尺寸較大工件淬火不硬，且產(chǎn)生的煙塵嚴(yán)重污染環(huán)境，容易發(fā)生火災(zāi)。而水溶性淬火介質(zhì)，主要成分是高分子有機聚合物。這類淬火介質(zhì)通過改變濃度，溫度和攪拌方式，能使冷卻能力在較大范圍內(nèi)變化，具有介于水和油之間的冷卻能力。所以外對聚合物水溶液淬火介質(zhì)，有“萬 能”淬火介質(zhì)的美譽，在外，聚合物淬火介質(zhì)的應(yīng)用已有 50 多年的歷史，是目前世界上應(yīng)用廣泛的環(huán)保不可燃淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)進入中熱處理市場也有近 30 年的歷史了，聚合物淬火介質(zhì)的外品，典型的有好高頓AQ251，陶氏 UCON 系列以及德潤寶 F2000 等。為內(nèi)熱處理工作者所熟知。到目前為止，對聚合物介質(zhì)的研究和應(yīng)用的文獻多達數(shù)百篇。因此在技術(shù)上早已進入成熟期，廣大用戶不應(yīng)該有任何的疑慮。去年丁得剛教授將 Totten  教授的《 Handbook  of Quenchants  and  QuenchingTechnology》書五章“聚合物淬火介質(zhì)”譯成中文，約 13000 字，引起業(yè)內(nèi)家關(guān)注。另外，陶氏公司的《UCON 淬火介質(zhì)用戶手冊》有 A4 紙42 頁，對產(chǎn)品的性質(zhì)，使用方法及應(yīng)用實例，有詳盡的說明，體現(xiàn)了外廠商以用戶為中心的經(jīng)營理念，值得我們仿。上世紀(jì) 90 年代末以來，內(nèi)生產(chǎn)的聚合物介質(zhì)的質(zhì)量已經(jīng)趕上際水平，也很快分享到內(nèi)市場。近年來，洛陽金潤寶科技公司開發(fā)了新代聚合物淬火介質(zhì)，引人注目。本文主要介紹內(nèi)聚合物淬火介質(zhì)在鑄鍛件和機器零件在熱處理上的應(yīng)用實例，其目的是進步推動聚合物介質(zhì)代替淬火油的步伐。同時，本2文對聚合物淬火介質(zhì)優(yōu)點，聚合物淬火介質(zhì)的冷卻機制，聚合物結(jié)構(gòu)對淬火機理的影響，聚合物淬火介質(zhì)代替油的經(jīng)濟性等，也作了論述。
　　聚合物淬火介質(zhì)的優(yōu)點
　　聚合物淬火液的優(yōu)點表現(xiàn)在環(huán)保、生產(chǎn)和技術(shù)等方面。
　　1）環(huán)保優(yōu)點
　　（1）消除火災(zāi)危險。
　　（2）清潔、安的工作環(huán)境。淬火或回火過程中無煙霧，地面無油污。
　　2）技術(shù)優(yōu)點
　?。?）冷卻速度靈活可調(diào)。通過改變濃度、溫度和攪拌，能在相當(dāng)大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷卻速度，適應(yīng)不同材料和不同厚度工件的淬火冷卻要求。
　?。?）減少軟點。聚合物具有潤濕性，避免感應(yīng)淬火過程中水冷因穩(wěn)定蒸汽膜而產(chǎn)生的淬火軟點。
　?。?）減少應(yīng)力及變形。均勻致的聚合物膜可減少伴隨水冷出現(xiàn)的較大溫度梯度及殘余應(yīng)力，減少變形。對鋁合金固溶處理，減少變形的作用尤為突出。
　　（4）更能包容水分混入。只要不嚴(yán)重影響濃度，可以容許相對較大量水分存在。而淬火油即使混入微量水分，也會造成軟點、變形甚至開裂。
　　3）生產(chǎn)優(yōu)點
　?。?）降低成本。稀釋使用，所以次投入成本低于油，而且聚合物淬火液粘度通常比油低，帶出量和添加量會有所減少。
　　（2）易于清洗。殘留聚合物會在高溫下完分解，形成水蒸氣及二氧化碳。工件可直接回火，不必用堿清洗或蒸汽脫脂，降低工序成本。低溫回火或時處理時，殘留聚合物不能完分解，可用清水方便地清洗去除。
　?。?）降低淬火過程的槽液溫升。聚合物淬火液比熱容幾乎是淬火油的兩倍，對相同淬火量而言，溫升大約只有油的半。另外，據(jù)報道，礦物油對地下水污染長達 100 年之久，僅 0.1 克的礦物油，就能降低海水中小蝦的壽命達 20%。礦物淬火油，在淬火中會發(fā)出碳氫化合物-多環(huán)芳烴，多環(huán)芳烴是重要的環(huán)境和食品污染物，其中苯丙芘是強致物，長期接觸苯丙芘，除能引起肺外，還會引起消化道，膀
　　胱，乳腺等。礦物淬火油的殘渣也 具危害性，在際上被列為危險污染物，在我 2008 年“家危險廢物名錄”明確將礦物淬火油殘渣列入其中，礦物淬火油屬于對健康和生態(tài)有嚴(yán)重危害的淬火介質(zhì)，其廢棄物屬于長期影響的污染物。由以上分析可見，用水溶性聚合物淬火介質(zhì)取代淬火油的確到了刻不容緩的時候。
　　兩年前，內(nèi)家淬火槽制造廠收到家外資企業(yè)的詢價單，其中要求制造三臺大型淬火槽：分別是清水槽，冷卻性能與油相同的聚合物水溶液槽和 15%PAG 聚合物水溶液槽，已經(jīng)明確要求不用礦物淬火油。這份詢價單，對于內(nèi)大企業(yè)的淬火油槽的技術(shù)改造具有指導(dǎo)意義。
　　聚合物淬火介質(zhì)的冷卻機制
　　把聚合物水溶液代替淬火油當(dāng)做淬火介質(zhì)的主要驅(qū)動力，是因為它沒有火災(zāi)風(fēng)險，沒有煙塵和合乎環(huán)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(shù)，對于許多鋼而言，減少了馬氏體形成區(qū)的冷卻速度（熱交換率是隨著粘度的增加呈指數(shù)遞減的）。同樣的邏輯，被用于聚合物淬火介質(zhì)的開發(fā)，用以替代油。
　　我們知道，多種聚合物是有的稠化劑，經(jīng)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(zhì)的 大市場份額。上述聚合物具有的逆溶性（通常稱為濁點應(yīng)）。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(dāng)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(jù)上述機理，當(dāng)熱金屬淬入聚合物淬火介質(zhì)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(dǎo)性得到控制。聚合物介質(zhì)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(diào)節(jié)介質(zhì)的濃度，使聚合物淬火介質(zhì)的冷卻速度在很寬范圍內(nèi)變化，可以從水到慢速淬火油。
　　聚合物結(jié)構(gòu)對淬火機理的影響
　　如果將只金屬探頭加熱到奧氏體化溫度（即 850℃），然后將它浸入淬火介質(zhì)中，則淬火介質(zhì)的溫度/時間曲線和溫度/冷卻速度曲線被記錄下來，冷卻曲線能反映出淬火過程中在不同的溫度階段的淬火介質(zhì)冷卻能力。對于聚合物淬火介質(zhì)而言，利用冷卻曲線所顯示的水溶液冷卻性，決定在生產(chǎn)中采用何種類型的聚合物。

　　圖1 是常見淬火過程典型的溫度/時間曲線。個冷卻曲線通常具有三個區(qū)域，傳統(tǒng)上命名為 A 期、B 期和 C 期。

　　圖 1 冷卻曲線的三個階段

　　圖 2 lnconel 600 探頭在靜止?fàn)顟B(tài)下的冷卻曲線，介質(zhì)溫度 40℃。其中：（a）PAG(聚烷撐乙二醇)，（b）PVP（聚氧化吡咯烷酮）。

　　圖 3 lnconel 600 探頭在靜止?fàn)顟B(tài)下的冷卻曲線，介質(zhì)溫度 40℃。其中：（c）PEOX（聚乙烯惡唑啉），（d）PSA（聚苯烯酸鈉）。
　　A期冷卻區(qū)域，在熱金屬表面形成了層蒸汽膜。繼續(xù)冷卻過程，從A期到B期出現(xiàn)個過渡階段。B 期冷卻是經(jīng)過核沸騰完成的，這是淬火過程中冷卻快的區(qū)域。當(dāng)探頭溫度低于淬火介質(zhì)沸點時，C 期冷卻開始，在該點沸騰停止，探頭的冷卻主要靠介質(zhì)的傳導(dǎo)與對流而減慢，這時稱為對流傳熱期。
　　淬火介質(zhì)，無論是油、水、聚合物水溶液，其冷卻機理的改變，起決定作用的是熱金屬表面上液體和蒸汽膜性的影響。為了證明這個這個問題，對 4 種主要聚合物淬火介質(zhì)：PAG、PVP、PEOX 和 PSA 的 A、B、C三個冷卻階段進行了研究，具體辦法是對 lnconel 600 探頭淬入介質(zhì)后，在它的金屬和溶液界面上發(fā)生的現(xiàn)象進行照相。圖 2（a）、（b）、（c）、（d）分別表示了這些照片被疊加到真實的冷卻曲線上。圖 2 中部曲線是在靜止的濃度為 20%的聚合物水溶液中測定的。這研究結(jié)果不能被過度解釋。因為每種淬火介質(zhì)在介質(zhì)溫度、濃度和攪拌條件變化的條件下，淬火行為會在很大的范圍內(nèi)變化。這些圖簡單地說明，在熱金屬界面上，聚合物膜形成的性能是不同的。
　　如圖 2 所示的每種聚合物水溶液，在 A 期冷卻階段，在金屬圓棒周圍形成層蒸汽膜。很明顯，該膜的性質(zhì)（如強度、厚度、粘度等）控制該區(qū)的冷卻過程。
　　在繼續(xù)冷卻過程中，出現(xiàn)個突變過程，蒸汽膜破裂，這不是核沸騰（如傳統(tǒng)上所描述的），因為有的膜的強度影響沸騰過程。例如，PSA和 PVP 淬火介質(zhì)的冷卻先是膜破裂引起的。PSA 出現(xiàn)膜破裂比起 PVP伴隨有很多較小對膜的損傷，至少存在于這次測試不攪拌條件下。PEOX淬火介質(zhì)同樣經(jīng)歷膜破裂過程，但是破裂出現(xiàn)伴隨有部分聚合物釋放到溶液里，因為聚合物不溶解性引起溶液的渾濁，這是由于膜的溫度高于聚合物濁點。PAG 淬火介質(zhì)不形成連續(xù)的膜，也不出現(xiàn)膜的破裂。同 PVP、PSA 及PEOX 比較，PAG 在冷卻行為上的差異或許是因為它低的分子重量和低的聚合物膜強度。另外，溶液渾濁是因為該區(qū)溫度高于共聚物濁點的結(jié)果。
　　在連續(xù)冷卻過程中，PVP 和 PSA 的膜破裂并保留在探頭上。PEOX 部分不溶物可能被觀察到，因為界面上溫度降到低于分離溫度。PAG 聚合物會幾乎完再次溶解到槽內(nèi)，因為界面溫度降到低于濁點。
　　在C 期冷卻過程中，通過保留在工件表面上聚合物膜的傳導(dǎo)熱（或者是對流或者是傳導(dǎo)）的能力是該區(qū)控制熱轉(zhuǎn)移的主要因素之。聚合物水溶液的粘度是個因素，當(dāng)溶液粘度增加時，熱轉(zhuǎn)移率就會降低。非常高的溶液粘度，典型地大于 10～12Cst。當(dāng)淬火過程結(jié)束，工件從槽中取出時，導(dǎo)致大量的聚合物帶出。
　　各種聚合物膜的性質(zhì)和它們在冷卻過程中對熱狀態(tài)的反應(yīng)，彼此之間是非常不同的。圖 2 表明，聚合物膜的強度可以是強的（如 PVP 和 PSA），弱的（如 PAG）或者是中等的（如 PEOX）。此外，膜的性也隨著金屬界面至主體溶液距離而變化。隨之而來，熱交換也在這種狀態(tài)下而變化。
　　聚合物淬火介質(zhì)代替淬火油的經(jīng)濟性姜聚滿等人對聚合物淬火介質(zhì)代替淬火油的經(jīng)濟性進行分析。

　　表 1 是 PAG 水溶性淬火介質(zhì)、淬火油每噸工件的介質(zhì)消耗量。

介質(zhì)名稱	生產(chǎn)每噸工件消耗介質(zhì)量 Kg		處理成本 元/噸
	經(jīng)驗值	實際值
PAG 水溶液	<3	0.42	10.92
淬火油	5～10	6.57	98.55

　　分析表 1 可見，PAG 淬火介質(zhì)的成本只有淬火油的 1/10，按現(xiàn)有平均價計算（2011 年），生產(chǎn)每噸工件采用 PAG 水溶性淬火介質(zhì)成本：
　　0.42×26 元/Kg=10.92 元，淬火油成本：6.57×15 元/Kg=98.55 元，PAG 介質(zhì)成本只有淬火油的 11.08%，每噸節(jié)省 87.63 元。如果 50 噸淬火槽用淬火油需 75 萬元（50×1.5），用 PAG 水溶液（10%濃度）只需 13 萬元（50×10%×2.6）即可節(jié)省 60 多萬元。對企業(yè)經(jīng)營者來說，可大大降低次性投入。如果每年達到 50%用 PAG 水溶液代替淬火油，則在“十二五”期間，每年節(jié)省費用 6.1 億元，經(jīng)濟益和社會益十分驚人。