金润宝ZFQ-B型聚合物淬火介质热处理冷却技术

1、前言

洛阳金润宝科技有限公司的ZFQ-B型聚合物淬火介质，在内有多年的成功使用经验，它是种目前世界上应用广泛的环保不可燃淬火剂。上世纪 70 年代以来，外热处理界在聚合物淬火剂的应用方面，取得了很大成功。在内也早在上世纪 90 年代起，开始小规模应用进口的聚合物淬火剂，其代表产品型号有好富顿 AQ251、联碳公司（现改为陶 氏）UCON 系列，以及德润宝 PF2000。大连起重矿山机械厂于 1995 年起 使用陶氏 UCNOE 淬火剂，已有 23 年的经验，其技术服务直由丁得刚 教授负责。实践证明，这种淬火剂不但环保、无烟、不起火、工件不开裂，而且大幅度提高了钢材的力学性能，所以受到了用户的欢迎，目前大连地区 UCON 系列淬火剂得到大面积的推广。

进入上世纪 90 年代，内些淬火介质生产企业开始仿制聚合物淬火剂，洛阳金润宝科技有限公司，在吸收内外聚合物介质成功应用的基础上，推出了 ZFQ 系列环保无烟，不可燃水基淬火液。获得内用户的信赖和欢迎，目前内热处理界普遍认同用环保不可燃无烟聚合物水溶液 代替淬火油，是淬火介质热处理冷却技术的革命。

2、聚合物淬火介质工作原理

把聚合物水溶液代替淬火油当做淬火介质的主要驱动力，是因为它没有火灾风险，没有烟尘和合乎环保要求。油是很粘稠的，比水有更高的沸点，热交换理论告诉我们，油所以能减少裂纹倾向，是因为它具有高的粘度，从而降低了热交换系数，对于许多钢而言，减少了马氏体形成区的冷却速度（热交换率是随着粘度的增加呈指数递减的）。同样的逻辑，被用于聚合物淬火介质的开发，用以替代油。

我们知道，多种聚合物是有的稠化剂，经过多年的研究，聚烷氧化物通常叫聚烷撑乙二醇（PAG），抢占了人造淬火介质的 大市场份额。

上述聚合物具有的逆溶性（通常称为浊点应）。它在室温下完 溶于水，呈清澈的均匀水溶液，而在高温下，聚合物在水中析出呈不溶解相，当冷却下来时，聚合物又重溶于水，再次形成均匀水溶液。这个过程是完可逆的。根据上述机理，当热金属淬入聚合物淬火介质水溶液时，液状聚合物膜会包围，沉积在热金属表面，该金属冷却速率就部分通过富含聚合物膜的热传导性得到控制。聚合物介质的浓度决定了这层膜的厚度（浓度越大，膜越厚，冷却速度越慢），所以调节介质的浓度，使聚合物淬火介质的冷却速度在很宽范围内变化，可以从水到慢速淬火油。

3、聚合物淬火介质的优点和缺点

聚合物淬火介质比淬火油有许多优点：

3.1 消除火灾

聚合物淬火介质，完消除了油的火灾危害，根据美家防火协会 （NFPA）测定，卫生=1，可燃性=0，活化度=0，聚合物淬火介质，还被工 厂互助研究协会批准为无害淬火剂，因此，取消了防护设备即不需要灭火车和节省火灾保险费用，以及购置油烟收集及净化处理设备的费用。

3.2 改善生产环境 聚合物淬火介质不产生烟雾，淬火时很少产生蒸汽，而且淬火剂抑制细菌繁殖，长期使用不发臭，不变质，所以生产环境卫生，经生态毒理试 验表明，对生物基本无毒。

3.3 操作安淬火介质中的防锈剂，对生物基本无害。

3.4 灵活性通过控制浓度，溶液温度和搅拌速率，可获得 佳的操作条件，经调整这些参数可在单浴槽中，得到很宽的淬火烈度范围。

3.5 降低操作成本由于消除了软点，控制了变形和开裂，降低了辅助加工成本，提高了产品质量。淬火工件清洗十分容易，任何残留的介质，在超过摄 340 度回火炉，会蒸发干净。如果用淬火油清洗很困难，回火中会产生大量油 烟。

3.6 淬火介质成本较低水溶性淬火剂在使用中主要添加的是水，以补充蒸发损失部分。这种介质带出量少。而受到较重污染的淬火溶液，可以通过加热分离和过滤分 离等技术得到重复使用。

3.7 维护和保存容易用水溶性淬火剂，使得设备维护和工厂清洁十分容易，工作场地非常干净，如果是淬火油肯定是生产车间脏乱差的地方。

3.8 大幅度提高钢材的力学性能根据内外有关报道，比较淬火油，用聚合物介质水溶液，经淬火后，工件表面硬度和心部硬度都有定程度提高。

根据丁得刚教授的研究发现（见《重型卸扣用钢研究——UCONE 淬火介质在 34CrNilMoA 钢上的应用》）,直径 260mm，34CrNilMoA 试样经聚 合物介质水溶液淬火后具有优良的力学性能：Rm 970 mpa，Rp0.2 850 mpa，A18%，Z63%，AKv（-20 0C）68J。相应油淬火力学性能标准（直径 100-300mm）为 Rm>=765mpa，Re>=635mpa，A>=14%，Z>=63%。在塑性指标 （A 和 Z）基本相同条件下，用聚合物介质淬火的抗拉强度比油淬火的标 准值提高 1.27 倍。而屈服强度则提高 1.34 倍。

所以，用聚合物介质淬火充分挖掘了钢材的潜力，如果零件尺寸不变，则提高了零件安系数。如果条件许可，则可以减少零件的尺寸，减轻零件重量，降低了零件成本。丁得刚教授还认为，如果钢材采用聚合物介质代替油做淬火介质之后，对钢材的标准中的力学性能应进行升处理。由此带来的经济益将十分惊人。

聚合物淬火介质也有缺点，即对不同碳当量的钢种，要求不同的聚合物浓度。给用户造成不便。例如：台网带炉既要处理 45 碳钢零件，又要处理 40Cr 钢零件，则需要两种浓度淬火液。这种情况下，就需要准备两个淬火液贮槽，个为低浓度，另个为比较高浓度，轮流使用。

4、金润宝 ZFQ 系列水基淬火液

金润宝 ZFQ 系列水基淬火剂分五大系列，即 A 型，B 型（又细分Ⅰ 型和Ⅱ型），C 型，D 型和 E 型。

这些系列产品的点是使用时无毒，不燃烧，无烟雾，无火灾危险，无污染，不老化，使用寿命长。在使用中，只需补充原液，无需整槽更换。

用 300 0C 冷却速度进行淬火介质冷却性能定。理论和经验告诉我 们，淬火介质的 300 0C 冷却速度对多数钢件淬裂与否起着决定性作用。 为此，选用 300 0C 冷却速度值来对淬火介质定。把常用淬火介质在 300 0C 冷却速度从300C冷却速度从<10C/S到110C/S 分成11,即从0,10，20，30....100。PAG淬火剂15%的别是20-60(因不同品种而不同)，快速淬火油是0-20(因品种而不同)。对不同钢种，选择淬火剂别的建议，如表1。

从冷却性角度讲，比较理想的淬火介质在冷却初期，冷却速度稍慢些，避免处于奥氏体和过冷奥氏体状态的工件因冷却速度快，收缩急剧 而发生弯曲畸变；在过冷奥氏体不稳定的区间（珠光体转变曲线“鼻子”处的 600-400℃），希望快冷，避免发生珠光体类转变；又希望进入 马氏体转变区（Ms 点以下），冷却速度愈慢愈好，缓解马氏体转变体积 膨胀而产生的应力，防止开裂和减小畸变。对于珠光体转变滞后贝氏体转 变突出的些钢种，为了避免在冷却时产生上贝氏体而出现脆性，要求淬 火介质在贝氏体转变区 350-400℃有较快的冷却速度。作者认为：除了用 300℃冷却速度进行淬火介质冷却性能定外还要加入从 300℃到 200℃ 时的冷却所用时间。300℃到 200℃时的冷却所用时间越长，工件淬火引 起的内应力越小越不易淬裂。作者认为，对般中小热处理企业，常见的 中碳低合金钢，如 40Cr，40CrMo ,选用淬火剂以 30-45 为宜，即淬火 介质 300 0C 冷速在 30-45 0C/S。对多用炉渗碳件可选用 10-20 淬火剂。

利用以上概念，作者列出了“金润宝 ZFQ 系列水基淬火介质 300 0C 冷却速度谱系”见表 2。对用户选择介质型号具有指导意义。

表 2 金润宝 ZFQ 系列水基淬火介质 大冷却速度和在 300℃冷却速度及从 300℃到 200℃冷却时间谱系