水溶液淬火介质

六、聚烷撑乙二醇(PAG)水溶液淬火介质

聚烷撑乙二醇(简称PAG)的分子结构式为:

聚烷撑乙二醇为中性非离子型聚合物，为环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物，添加防锈剂、消泡剂、杀菌剂和水，形成一种不可燃、抗腐蚀、完全溶于水、有浊点、呈逆溶性的淬火介质。

聚烷撑乙二醇水溶液淬火介质，冷却能力介于水、油之间，调节其浓度，可使其冷却能力接近或稍大于水，或使其冷却能力非常接近于油，可成为以水代油的淬火介质。

1．好富顿系列PAG水溶液淬火介质

好富顿系列水溶性聚合物淬火介质的技术性能指标见表2－64。

AQ251淬火介质的冷却速度随浓度而改变，无毒无污染，并能防锈防腐，可代替碱水、油，用于碳钢、低合金钢的淬火冷却。

AQ364淬火介质的冷却速度随浓度而改变，用于碳钢、中低合金钢及代替淬火油的淬火冷却。

表2－64　好富顿系列水溶性聚合物淬火介质的技术性能指标

(1) AQ251淬火介质应用实例。

某汽车紧固件有限公司，对材料为ML35钢的上锁锥杆和六角头螺栓等细长杆类工件，采用AQ251淬火介质淬火，不仅力学性能满足了技术要求，更主要的是淬火畸变量大为减少，其直线度100%达到技术要求。

ML35钢的化学成分见表2－65，上锁锥杆及六角头螺栓工件的几何形状及技术要求见表2－66。

表2－65　ML35钢的化学成分(w，%)

表2－66　试验件的几何形状、材料及技术要求

工件淬火加热和回火加热均采用网带炉，保护气氛为吸热式。淬火介质AQ251，介质的冷却设备为螺旋板式换热器，循环冷却。淬火后的硬度(随机抽件检查)，上锁锥杆为HBS461～495，六角头螺栓为HBS477～514。回火后直线度(畸变量)的检查质量见表2－67，淬火及回火后的显微组织见表2－68及表2－69。

表2－67　上锁锥杆和六角头螺栓的直线度

表2－68　上锁锥杆的显微组织

表2－69　六角头螺栓的显微组织

试验结果分析如下。

①淬火硬度均匀性提高。

淬碱水零件的布氏硬度压痕波动在0.20mm以内，淬AQ251水溶液零件的布氏硬度压痕波动在0.10mm以内比淬碱水小0.10mm。

②显微组织均匀性提高。

从表2－68和表2－69可知，直线度为零的零件的淬火显微组织为均匀的马氏体。淬碱水的零件，其直线度为零的比例小于5%，而淬AQ251水溶液的零件，其直线度为零的比例大于50%。由于淬火AQ251水溶液的零件表面形成一层聚合物色膜，使冷却速度均匀，从而获得了均匀的显微组织。

③淬火畸变小。

材料为ML35钢，直径12mm，杆长130mm的上锁锥杆，技术要求:直线度≤0.80mm，此零件淬碱水的最大直线度为2.50mm，而淬AQ251水溶液的最大直线度为0.30mm。材料为ML35钢，直径10mm，杆长125mm的六角头螺栓，技术要求:直线度≤0.60mm，此零件淬碱水的最大直线度为2.10mm，而淬AQ251水溶液的最大直线度为0.25mm。从表2－68和表2－69可知，直线度为零的零件，其淬火显微组织为均匀的马氏体，即均匀的单相组织，组织应力均匀。而直线度大于零的零件，其淬火显微组织为马氏体+少量的铁素体，即为不均匀的双相组织，组织应力不均匀，并在组织应力不均匀处产生淬火畸变。从相同浓度的AQ251水溶液和碱水冷却速度曲线可知，3% NaOH水溶液的最大冷却速度为272℃/s，而3% AQ251水溶液的最大冷却速度为237℃/s，比碱水低35℃/s。碱水的冷却速度大，导致淬火热应力大，热应力起了主导作用，造成零件淬火畸变大。AQ251淬火液具有逆溶性的特点，在零件表面形成一层聚合物包膜，阻碍了零件的散热，能降低冷却速度，减少了淬火热应力，这样，组织应力起了主导作用，造成零件淬火畸变小。AQ251淬火液的浓度越高，零件表面形成的聚合物包膜越厚，淬火冷却速度越慢，淬火畸变越小。对表2－67中第一次测得的上锁锥杆直线度的数据和第一次测得的六角头螺栓直线度的数据分别用计算机进行数理统计，作出－X－R控制图。上锁锥杆直线度上限为0.1380mm，比技术要求的直线度≤0.80mm的1/5还小，－X= 0.044mm。六角头螺栓直线度上限度为0.0798mm，比技术要求的直线度≤0.60mm的1/7还小，－X= 0.025mm，零件的淬火畸变是稳定可控的。

(2) AQ364淬火介质应用实例。

某机车车辆厂内燃机机车中，有效厚度大于100mm的中碳合金钢工件，一直存在油淬硬度不足，水淬易开裂的问题。后来采用AQ364水溶液淬火介质，在42CrMo钢制φ189mm×940mm转轴调质淬火工艺上应用，较好地解决了这个问题。

6000马力大功率内燃机电机转轴见图2－60。

图2－60　42CrMo钢电机转轴

调质后的技术要求: R_m≥900MPa，R_eL≥700MPa，A≥12%，Z≥40%，A_k≥58.8J，HBS≥230。

AQ364淬火介质的冷却能力介于水和油之间，可有效解决水淬易裂而油淬不硬的问题。AQ364的主要成分是聚烷撑乙二醇，对水有逆溶，70℃以上逆溶析出，70℃以下又溶于水。无毒、无污染、无火灾危险。15% AQ364介质的冷却速度曲线见图2－61。由图可见，15% AQ364最大冷速为139℃/s(对应的温度为650℃左右)，正好介于油和水之间，为保证淬火件的力学性能和避免开裂，提供了较为理想的冷却性能。

图2－61　15% AQ364冷却曲线

对于42CrMo钢转轴，淬火介质的浓度取13%～14% AQ364。

AQ364属于PAG类，具有逆溶性，在水中的溶解度随着温度的升高而降低。在淬火过程中，当炽热的工件进入淬火液时，工件周围的介质温度上升，PAG聚合物从溶液中脱溶出来，依靠其润湿性以包膜形式黏附在工件表面上，从而调整工件的冷却速度。工件冷却下来后，黏附在工件表面上的聚合物又回到淬火液中，但回溶需要一定的时间。为促进冷却进程，在保证工件不淬裂的前提下使工件冷却均匀，防止局部介质温度过高和加快淬火液的流动速度，以加速聚合物的溶解，在工件淬火冷却过程中应对AQ364进行搅拌。

42CrMo钢电机转轴的热处理工艺为: 600～650℃预热保持1～2h，随炉升温至(845±5)℃，保温4～4.5h，然后淬AQ364水溶液介质中冷却一定时间后取出空冷，530～580℃回火。

经上述工艺处理后，能一次达到设计要求的14个性能值，主要指标的结果见表2－70。

表2－70　42CrMo钢转轴AQ364水溶液淬火、回火后的性能值

2．德润宝系列PAG水溶液淬火介质

德润宝公司的FEROQUENCH 2000和AQUATENSID淬火介质的冷却性能见图2－62。可以看出，12% FEROQUENCH 2000的冷却能力接近于快速淬火油VW48，而10% AQUA TENSID接近于自来水。温度对8% FEROQUENCH 2000淬火液冷却性能的影响见图2－63，显然，液温对冷却性能的影响比较显著，所以，应严格控制液温，要求配备淬火液的冷却控温系统，并有搅拌设备。

某锻造厂从2002年5月起采用FEROQUENCH 2000淬火液，对40Cr和42CrMo曲轴做调质淬火介质，批量实际生产应用结果如下。

(1)热处理工艺及设备。

工艺条件: 40Cr钢为840℃×3h+ 570℃×3h; 40CrMo钢为820℃×3h+620℃×3h。

淬火槽: 30m³。

淬火、回火加热炉:曲轴悬挂调质线。

FEROQUENCH 2000淬火液浓度: 8%～12%。

(2)调质处理后的力学性能及金相组织见表2－71。

图2－62　不同种类淬火介质冷却性能比较

图2－63　温度对8% FEROQUENCH 2000淬火液冷却性能的影响

表2－71　使用FEROQUENCH 2000作为淬火介质后曲轴本体随机金相、性能结果

(3)淬火畸变检查结果。

由于对调质后的曲轴畸变(弯曲度)有相应的严格要求，因此，针对40Cr和42CrMo两种材料的曲轴，在使用10% FEROQUENCH 2000淬火液淬火冷却后的淬火畸变情况也进行了检查，并先后进行了四次不同工艺条件下的试验考察，具体情况如下。

①曲轴调质前没有校直。35%的调质处理后曲轴畸变合格，不大于1.5mm，无须再进行校直。

②取100件曲轴，调质处理前进行校直。85件淬火后畸变合格，合格率85%。剩余15件畸变超差，但均集中在不大于3.0mm的微量超差范围内。

③取108件曲轴，调质处理前进行校直。102件淬火后畸变合格，合格率95%。剩余6件畸变超差，但也均集中在不大于3.0mm的微量超差范围内。

④对某同一炉号的全部240件曲轴在调质前进行校直。调质处理后232件淬火后畸变合格，合格率96.6%，剩余8件变形超差，但也同样集中在不大于3.0mm的微量超差范围内。

在以后的正常生产中，一直使用热处理前的校直工艺，经过生产实践，共生产处理了3000余吨曲轴，经过调质处理后，弯曲畸变合格率也同样可以达到95%以上的满意效果，大大降低了热处理后的校直工作量和操作者的劳动强度。

(4)使用FEROQUENCH 2000淬火液的带出消耗。

在使用FEROQUENCH 2000淬火液的过程中，淬火液带出消耗量与浓度和零件出液温度成正比，FEROQUENCH 2000淬火液浓度越高，带出损失就越大;而零件的出液温度越高，零件表面的带出量也就越大。

因此，随着对FEROQUENCH 2000淬火液性能特点认识的不断深入，从最初的10%～12%使用浓度已经降低到8%～10%的范围。同时，也严格要求操作人员按规定的生产节拍进行操作，保证零件能够冷至液温后出液，从而有效地降低和控制了淬火液的带出消耗量。

根据实际生产统计结果，在实际生产中，共处理了3000余吨曲轴，平均每处理1t曲轴，FEROQUENCH 2000的带出消耗量为1.6～2.0kg，与使用32号机油的成本基本相当。

(5) FEROQUENCH 2000淬火液的稳定性能。

根据资料介绍，FEROQUENCH 2000淬火液在8%左右浓度下依然能够保持较为缓慢的低温冷速，所以，在使用FEROQUENCH 2000淬火液时，在做到了严格测控淬火液浓度、液温的淬火液基本使用要求的前提下，将淬火液的使用浓度从10%～12%的范围逐渐降低到了8%～10%的水平。而在此过程里，生产处理后的曲轴质量，特别是畸变结果都一直非常稳定。图2－64为使用7个月浓度约为8%的淬火液与新配同样浓度的淬火液冷却性能比较，新旧淬火液的低温冷却性能基本相近，这与实际淬火效果也非常吻合。

图2－64　新旧FEROQUENCH 2000淬火液的冷却性能比较

3．壬喆嘉、联创嘉系列PAG水溶液淬火介质

UCON A淬火液冷却速度较快，冷速范围可从水到中速淬火油。适用于感应加热件淬火，中、低碳合金钢件淬火，渗碳、碳氮共渗件淬火及铝合金固溶处理。

UCON E的淬火冷却速度较慢，它具有典型油的热传导性能，是可以代替淬火油的水溶性淬火介质，适用于高碳高合金钢结构件及模具的淬火。

UCON HT的淬火冷却速度居中，较UCONA和UCONE具有更高的逆溶温度(85℃)及较高的淬火液使用温度，是适用于密封箱式炉和真空炉的水溶性淬火介质，也可用于需要油淬的大型合金钢件。

UCON淬火介质能阻止细菌繁殖，生物可降解，是符合美国环境保护法规的产品。

(1) UCON E的物理化学特性。

原液为外观呈淡色透明的黏稠液体;密度1.075g/m³(20℃时);无闪点;倾点－11℃;浊点74℃(有逆溶性); pH值为9.0～11.0;黏度1180SUS(37.8℃);水溶液折光率系数2.50～2.55;分子量12000～14000。

(2) UCON E水溶液的冷却特性。

15% UCON E水溶液的冷却特性见图2－65，为方便比较，图中还列出了10% PVP和10% PAM水基淬火剂、快速淬火油及水的冷却特性曲线。表2－72是采用IVF仪测定的各温度下具体的冷却速度值。从图和表可以看出，15% UCON E水溶液在高温区的冷却速度介于水和油之间，而在低温区的冷却速度大致与快速淬火油相当，可满足高温区快冷、低温区慢冷的热处理要求。

图2－65　不同淬火介质的冷却特性曲线(IVF仪测定)

表2－72　不同冷却介质在不同温度下的冷却速度

UCON E水溶液淬火介质同样遵循水基淬火介质的一般规律，即随着介质浓度提高、介质温度升高和搅拌速度的降低，其冷却速度下降。表2－73列出该介质的冷却速度与浓度、温度的关系。可以看出，随浓度的提高，其低温区冷却速度的下降并不显著。对于常用的工模具钢、结构钢大件，要满足浸液淬火的要求，选用浓度15%、介质温度30～50℃较为合适。

表2－73　介质浓度、温度对UCON E水基淬火剂冷却速度的影响

注: Tv_max、v_max分别为最大冷却速度所在的温度及最大冷却速度。

图2－66　UCONE介质浓度与折光率、黏度间的关系曲线

UCON E介质浓度的测定采用黏度法或折光率法，其对应的关系见图2－66及表2－74。

(3) UCON E水溶液淬火介质的生产应用。

①生产用冷却槽及冷却系统。

生产用冷却槽可盛放135～140t淬火剂，槽内安置两台搅拌器，使淬火液的流速达0.2～0.4m/s。冷却系统配置集液槽、过滤器、热交换器、事故槽以及循环泵、控制阀、温度仪等。

表2－74　UCON E介质浓度与折光率、黏度间关系

注:折光率系数平均值:(25－5)÷(9.85－2)= 2.55。

②塑料模具钢大模块的预硬化处理。

P20(3Cr2Mo)、718(3Cr2NiMnMo)钢是常用的塑料模具钢，要求以预硬化(调质)状态交货(硬度HRC28～36)。随着家电、汽车、机械等工业的快速发展，塑料模具呈现供不应求的态势，不仅供料模块单片尺寸、质量大(现模块最大厚度800mm，最大宽度1600mm，最大单重达17t甚至更高)，而且热处理的技术要求高(要求表面硬度均匀性好，表面和心部的硬度差在较小的范围内如HRC4～5)。以下为经UCON E介质淬火的实例。

实例1．P20钢大模块，尺寸510mm×1350mm×3000mm，单重16t，其主要化学成分(质量分数，%)为C 0.37、Cr 1.85，Mo 0.35，Mn 0.86，Si0.29，P 0.014，S 0.008，Ni0.07。

锻造模块经台车炉860℃加热，在46℃、15% UCON E水基淬火剂中冷却3h，后于560℃回火。检测模块的表面硬度为HRC30、32(锤击式布氏硬度计测试后换算)，离长度700mm截面上，不论在1/2宽度或1/2厚度方向上的表心硬度差均在HRC3内(厚度方向采用HR－150DT电动洛氏硬度计测试，宽度方向采用HBE－3000布氏硬度计测试，再换算成洛氏硬度)。图2－67为该P20钢大模块截面硬度分布曲线。

图2－67　P20钢大模块截面硬度分布曲线

实例2．718钢大模块，尺寸660mm×1260mm×2520mm，单重16.5t，主要化学成分(质量分数，%)为: C 0.38，Cr 1.74，Ni 0.94，Mn 1.39，Mo 0.32，Si0.30，P 0.015，S 0.008，H 0.5×10^－6。

锻造模块经台车炉860℃加热，在23℃、15% UCON E水基淬火剂中冷却5h，后于550℃回火。检测模块的表面硬度为HRC35(锤击式布氏硬度计测试后换算)，离长度1200mm的截面上图2－68所示位置的硬度值见表2－75，截面各处最大硬度差在HRC 2内。

表2－75　718钢大模块截面硬度值

*为锤击式布氏硬度计(HB－2)测试换算为洛氏硬度值。

＊＊为里氏硬度计(HLA－11A)测试得的洛氏硬度值。

图2－68　718钢大模块截面硬度的测试点

③热作模具钢5CrNiMo模块的热处理。

5CrNiMo钢热锻模通常是先开好型腔后热处理，但现在要求先热处理，然后多次重复开出型腔使用，直至模具的高度不足时为止，要求经热处理的5CrNiMo钢模块硬度为HRC38～48。

5CrNiMo钢模具常用油淬火，且出油温度较高，这样往往导致模具心部组织与性能不佳，严重影响使用寿命。采用水淬，轻者即使不裂，有时也会导致超声波探伤超标，重者引起开裂报废。现采用15% UCON E水基淬火剂淬火，尽管模块的出液温度较低，但也很少出现超声波探伤超标或开裂现象。如处理的310mm×315mm×2500mm的5CrNiMo钢模块，单重2t，主要化学成分(质量分数，%)为: C 0.52，Mo 0.62，Cr 0.63，Ni 1.55，Mn 0.21，P 0.012，S 0.005，Si 0.23，Cu 0.07，W 0.01，H 1.2×10^－6，锻坯经860℃加热，淬入44℃的15% UCON E水基淬火剂，冷却70min，出液时表面温度70℃，5min后上升至99℃，再于420℃回火两次，检测模块的表面硬度为HRC40，截面最大硬度差约HRC6.5，超声波探伤在合格的范围内。

④合金结构钢的调质处理。

15% UCON E水基淬火剂用于42CrMo、25CrNiMo等钢零件的调质处理，同样可收到较为理想的效果。如石油开采防井喷的安全设施零件(大小壳体、侧门)，材料为25CrNiMo钢，化学成分(质量分数，%)为: C 0.27，Cr0.95，Ni0.79，Mo 0.23，Mn 0.88，Si 0.29，P 0.007，S 0.005，Cu 0.17，W 0.01，Ti 0.01，V 0.01，Sn 0.01，典型零件尺寸见图2－69，单重12t。

图2－69　大壳体零件

大壳体于890℃加热，淬入45℃的15% UCON E水基淬火剂，冷却2.5h，表面温度60℃，经630℃和650℃回火，表面硬度HBS220～234，取样达到所要求的力学性能指标，未出现淬火开裂现象。

(4)介质浓度、温度的控制。

UCON E水基淬火剂的浓度、介质温度、搅拌速度均会对冷却性能产生影响，在实际生产中，必须对介质的浓度、温度实行监控，建立相应的制度。对于搅拌而言，一定的冷却系统对应一定的搅拌速度，不会有太大变动。为了加快大模块在高温区的冷却，可在模块入液起始20min内作上下窜动，使蒸汽膜、聚合物膜尽早破裂，进入核沸腾期。

①介质浓度。浓度为15%，允许偏差±1%，即控制在15%±1%。生产中采用黏度计测定为主，辅以折光仪(折光仪读数受介质污染影响，却不受介质降解的影响)。通常1个月内调整1～2次，根据实际浓度适量补充新液与水。

②介质温度。温差在20℃上下波动，通常控制在30～50℃(冷天有时会低于30℃)。随着介质温度的变化，工件在液内的冷却时间需作相应的变动，如介质温度在30～40℃时，工件的冷却时间是水冷的1.3～1.5倍;介质温度在40～50℃时，工件的冷却时间是水冷的1.5～1.7倍。

(5)介质对环境因素的影响。

选用淬火介质除冷却性能指标外，另一重要依据是介质是否会影响工人的健康及构成对环境的污染。

采用油淬火，车间环境差，操作条件差，而且会有火灾之虞。而用水基淬火剂淬火，不仅彻底避免火灾危险，而且有良好的工作环境。曾对淬火槽四周挥发的有害气体(工件淬火时)进行测定，结果见表2－76。表明工作场所的有害物质均低于有关的标准限，即不会构成职业病的危害或破坏作业环境，可以放心使用。但仍需强调，该液严禁吞服，谨防溅入眼内，接触淬火液或原液后必须用肥皂洗净;操作中尽可能做到工件不在高温(如大于200℃)出液，以免在车间内散发大量聚合物的烧焦气味，另外，需加强车间的对流通风。

(6)介质耗量。

介质耗量是用户十分关心的一项经济指标，是用户选用介质的依据之一。按介绍，水基淬火剂的吨钢消耗原液在3kg左右，实际上，介质的消耗量除与介质类型、浓度、温度有关外，还与工件形状、表面积、表面状态及工件出液温度高低等有关，另外，与冷却系统的设备状况(是否泄漏)有关。目前，在冷却系统设备良好的状况下，大模块预硬化处理的吨钢消耗量在1.6kg左右，只占成本的极小部分。

表2－76　UCON E淬火槽挥发气的测定值(工件淬火时)

注:上海市预防医学研究所测定(测定时间2003－03－12)。

(7)介质老化变质。

介质是否能长期稳定可靠使用，即介质是否易老化变质，同样是用户选择使用的依据之一。介质的老化变质一方面决定于聚合物本身的类型、分子量大小及添加剂，另一方面决定于日常的维护保养。

高分子聚合物由于机械搅拌、热或生化(细菌微生物等)作用，会产生分子断链现象，即俗称的老化变质(降解)，使冷却性能发生变化或产生异味。一般来说，PAG类聚合物链较坚实，热稳定性和机械稳定性较好。

要尽最大可能减少污染度或染菌程度，日常维护要注意:

①平时无淬火工件时，仍需对淬火槽液体进行搅拌，以防厌氧菌的繁殖生长;

②严禁油污、脏物、非指定的防锈剂和切削液进入淬火槽，否则会使介质提前老化变质;

③氧化皮等固体物虽对冷却速度无太大的影响，但得定期清除，以防成为细菌孽生的集聚死角区;

④保持淬火液一定的pH值，若低于8，细菌繁殖非常快。一旦发现细菌繁殖生长，需加入适量的杀菌剂(苯酚、甲醛或表面活性剂等);

⑤常压下，CO、CO₂气体在介质中的溶解度较低，不会对介质的性能带来太大影响，但氨气的溶入会使蒸汽膜阶段显著延长，应避免。

(8) UCON A水溶液淬火介质在粉末冶金件感应淬火中的应用。

为减少由铁基粉末冶金制造的汽车链轮在感应淬火时开裂，采用UCON A型水溶性聚合物作为淬火介质。结果表明，UCON A型淬火介质在喷射冷却时不但不产生泡沫，还可以通过对介质浓度的调整，保证淬火介质在过冷奥氏体稳定性最低的温度范围内具有很高的冷却速度，又能显著减缓淬火介质在200～300℃范围内的冷却速度。在链轮硬度与有效硬化层深度达到技术要求的情况下，UCON A型水溶性淬火介质使铁基粉末冶金链轮感应淬火冷却时的应力降到最小，从而把淬火开裂比例控制在1%以内。

铁基粉末冶金是以铁粉为主要原料，加以石墨、合金元素、硬脂酸锌与机油等，经过拌和，放在规定的模腔中，用压机冷压成型，再在保护气氛条件下经过1100℃左右的高温烧结制成零件。铁基粉末冶金材料的金相组织与钢铁相似，不一样的是组织中存在一定量的孔隙。铁基粉末冶金件的孔隙起着局部缺口的作用，会引起应力集中，加大了孔隙部位的应力值，导致低应力断裂。由于铁基粉末冶金件存在孔隙，使其导热性能降低，因此，铁基粉末冶金零件的淬火加热温度比同样化学成分的钢件要高，加热时间比同样化学成分的钢件要长，冷却速度比同样化学成分的钢件要快，淬火开裂倾向也比同样化学成分的钢件要大。在感应淬火加热过程，可以通过缓慢升温或预热来减少铁基粉末冶金零件由于加热不均匀而造成的开裂。但为了提高铁基粉末冶金零件的强度与硬度，必须对加热到淬火温度的零件快速冷却。快速冷却可以用油、水或水溶性淬火介质。

用油冷却虽然减少了铁基粉末冶金零件的畸变与开裂，但淬火时产生的油烟会污染环境，还容易引起火灾，更主要的是油在感应淬火时只能浸淬而不能喷淬，而浸淬很难达到铁基粉末冶金零件所需要的临界冷却速度。用水冷却虽然安全经济，但在马氏体转变开始点附近的冷却速度太快。UCON水溶性淬火介质具有冷速范围从水到中速淬火油可调的特点，选择合适的浓度可以兼具油和水的优点，而且对加热零件表面具有很好的润湿性。考虑铁基粉末冶金件导热性能差的情况，UCON E水溶性淬火介质只适合较慢冷速的场合使用，所以，对铁基粉末冶金制造的汽车链轮进行感应淬火工艺设计时，首选UCON A作为淬火冷却介质。

铁基粉末链轮的主要化学成分(质量分数)为C 0.50%～0.70%，Mo 0.45%～0.75%，余为Fe。链轮的整体密度为6.85～7.08g/cm³。

链轮感应加热淬火的技术要求:齿部硬度HR15N≥75;齿根圆处有效硬化层深度D_S≥1mm;硬化层马氏体区域的颗粒硬度H_K0.1≥690。

链轮示意图见图2－70，有效硬化层范围见图2－71，淬火感应器见图2－72。

①链轮感应淬火工艺。

图2－70　链轮示意图

根据技术要求，链轮感应淬火有效硬化层范围如图2－71斜线部分所示，为全齿淬火。而链轮的齿高为4.24mm，所以，选择45kHz超音频IGPT感应加热电源对链轮齿部的齿根圆进行感应淬火。感应淬火采用图2－72所示的带预热装置的圆环状感应器，直流电压为390V，电流为110A，对旋转速度为80r/min的链轮实施同时加热。对链轮的冷却，从生产条件通用性出发，采用温度为20～30℃的自来水与温度的20～30℃、浓度为8%～9%的UCON A型水溶性聚合物两种淬火介质及浸液与喷射两种方法。在进行冷却方式试验时，使用KHR冷却介质性能检测仪对淬火介质的冷却特性曲线进行检测。

图2－71　链轮感应淬火有效硬化层范围

②冷却方式试验。

a．同时加热后浸液冷却试验。

对两只采用同样工艺加热后的链轮，分别采用自来水和UCON A水溶性聚合物淬火介质浸液冷却，其冷却特性曲线见图2－73。经自来水冷却的链轮，其齿部硬度

图2－72　链轮淬火感应器示意图

图2－73　自来水和UCON A浸液冷却特性曲线

测试发现有软点，部分马氏体区域的颗粒硬度比技术要求低，链轮开裂的比例为1%。对采用UCON A水溶性聚合物淬火介质浸液冷却的链轮进行硬度测试，发现其齿部硬度未达到技术要求，硬化层出现部分奥氏体高温转变产物，链轮没有开裂的情况发生。

b．同时加热后喷射冷却试验。

对两只采用同样工艺加热后的链轮，分别用自来水和UCON A水溶性聚合物淬火介质进行喷射冷却，流量均为300mL/s，其冷却特性曲线如图2－74所示。经自来水喷射冷却的链轮，其齿部硬度与马氏体区域的颗粒硬度均达到技术要求，链轮开裂比例高达60%。经水溶性聚合物淬火介质喷射冷却的链轮，齿部硬度、马氏体区域的颗粒硬度、有效硬化层范围与齿根圆处有效硬化层深度均达到技术要求，链轮开裂的比例为1%。

图2－74　自来水和UCON A喷射冷却特性曲线

c．不同冷却方式结果比较与分析。

表2－77分别为两种不同的冷却介质用不同的冷却方式的冷却的结果。从表2－77可以看出，同时加热后采用UCON A水溶性淬火介质浸液冷却，其最大冷却速度仅为149℃/s，小于铁基粉末冶金零件所需要的临界冷却速度，因此，产生奥氏体高温转变产物，齿部硬度达不到技术指标;当淬火介质的冷却速度一定时，其最大冷却速度出现的温度范围越低，表明零件产生奥氏体高温转变产物的可能性越大，虽然自来水浸液的最大冷却速度(219℃/s)只比UCON A水溶性聚合物淬火介质喷射时的236℃低了17℃，但自来水浸液的最大冷却速度出现的冷却范围却比UCON A水溶性淬火介质喷射时低了60℃，因此，齿部硬度未达到技术要求，硬化层出现部分奥氏体高温转变产物;自来水喷射最大冷却速度出现的温度范围比UCON A水溶性淬火介质喷射时低45℃，但自来水喷射的最大冷却速度比UCON A水溶性淬火介质大2℃，从而减轻了可能出现奥氏体高温转变产物的不利影响。自来水喷射感应淬火后，链轮的齿部硬度与马氏体区域的颗粒硬度均达到技术要求，但由于200℃时的冷却速度比UCON A水溶性淬火介质喷射时的大了近1倍，链轮开裂的比例高达60%;采用UCON A水溶性聚合物淬火介质喷射冷却与其他3种冷却方式比较，效果最好，开裂的比例可以控制在1%以内。

表2－77　不同冷却方式试验的冷却速度比较

铁基粉末冶金链轮的开裂一般都发生在圆孔与齿根连接处。对链轮预热后再进行感应淬火加热，避免了加热时产生裂纹。裂纹主要发生在淬火冷却的后期，即马氏体相变基本结束或完全冷却后。由于链轮各部位截面的尺寸差异很大，冷却条件有明显差异，淬火时无法做到均匀冷却，使圆孔与齿根连接处存在较大的拉应力;因为自来水喷射冷却在M s点附近冷却速度很快，引起应力进一步增大;加上铁基粉末冶金中存在的孔隙导致应力集中。当拉应力超过铁基粉末冶金材料断裂强度时，链轮开裂。UCON A水溶性聚合物淬火介质使M s点附近的冷却速度显著减慢，因而减少了淬火应力，避免了裂纹的产生。

4．PAG水溶液淬火介质使用中的变化规律

PAG淬火剂是以特定的聚醚类非离子型高分子聚合物(PAG)，加上能获得其他辅助性能的复合添加剂和适量的水制成的。使用中，淬火液可能发生的变化主要有两类:一类是其冷却性能上的变化，另一类是其防锈和防腐败等性能的变化。

(1) PAG组分的变化。

淬火液的冷却特性决定于其中PAG组分的特性和数量。其他提供辅助性能的添加剂对淬火液的冷却特性几乎没有影响。淬火液中所含PAG聚合物的变化包括量的变化和质的变化两部分。

①淬火液中聚合物量的变化。

生产中，工件带出与受高温氧化分解都会使聚合物的量减少。淬火过程中，工件周围液温升高，PAG聚合物从溶液中脱溶出来并靠其润湿性以富水的包膜形式黏附在工件表上，从而调整工件的冷却速度。工件冷却下来后，黏附在工件表面的聚合物又会回溶到淬火液中。回溶需要一定的时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就将工件从淬火液中取走。因此，工件带出的液体中，PAG含量往往高于所用淬火液中PAG的平均浓度。长期、大量淬火后，淬火液中PAG的相对浓度必然逐渐降低，而其他添加剂组分的相对含量就随之增长。因此，回溶得越充分，淬火液中PAG组分的相对减少就越慢，即其冷却特性越稳定。

②PAG的氧化分解。

配制PAG淬火液的聚合物具有很高的化学稳定性，在室温下与一般的酸碱不发生反应。只有在250℃的高温且又有氧存在的条件下才被氧化分解。淬火过程中，黏附在工件表面的聚合物膜大部分可以因为其中及其周围的水分被汽化而保持在不高于水沸点的温度，但紧贴在工件表面的部分仍然可能升到更高的温度而发生氧化分解。分子量低的氧化分解产物呈气体跑掉，其他部分则留在淬火液中。在高温和机械剪切作用下发生断链而又存留下来的PAG断链产物也将不再具有原来的调整冷却特性能力，而成为非有效成分存在于淬火液中。淬火液的浓度越大，淬火中工件表面形成的聚合物膜越厚，发生这种分解的量就越多。热处理生产的产量越大，淬火液使用的时间越长，这种分解和断链残留物就越多。

(2)非PAG组分的变化

①添加剂组分的质的变化。

添加剂组分无逆溶性，始终平均分布在溶液中，加上其浓度低，受高温影响少。因此，生产中发生变质的量也少，变质产物也基本不挥发。添加剂组分的质的变化，通常只降低淬火液的防腐败性和消泡性等辅助性能，而基本不影响淬火液的冷却特性。

②添加剂组分量的变化。

淬火工件带走的液体中，PAG组分的相对浓度往往高于淬火液的平均值。因此，经过长期使用的淬火液，添加剂组分的相对浓度总是比新配制的高。然而，生产中作补充的淬火剂通常具有固定的组分比例。于是，淬火液使用得越久，淬火量越大，以及淬火剂补充量越多，淬火液中添加剂及其变质残留物的相对浓度就越高，有效PAG组分的相对浓度也就越低。

③自来水含可溶物的积累。

自来水中加入PAG淬火剂而配制成PAG淬火液，因此，自来水也是这种淬火液的组分。生产中，自来水容易挥发，需要经常补充。

自来水不是蒸馏水，其中含有少量水以外的物质。使用中，水挥发后，原来溶解在其中的不挥发物质将留下来。结果，水中这些可溶物及其在使用中的可溶变质残留物的浓度会增高。这些物质在水中积累起来，浓度会越来越高。时间一长，有的得到饱和，更多的部分就进入沉渣中。

④外来污染物。

除淬火剂和水外，生产中不免会给淬火液带进其他物质，如工件带入的氧化皮以及现场常见的可溶和不可溶物质。其中的不溶物有的形成沉渣，有的悬浮在淬火液中。可溶物也成为溶液的组分，并通过积累使浓度增大。这些可溶和不溶的外来物质就构成淬火液中的外来污染物。外来污染物基本不影响淬火液的冷却特性，但其中的可溶物会增大溶液的折光率。杂质对聚合物淬火介质冷却特性的影响见图2－75。

图2－75　杂质对聚合物淬火介质冷却特性的影响

(3)常见浓度测量方法。

当前，使用PAG淬火剂的工厂用来测量浓度的方法有折光仪法、黏度法和真实浓度法。根据PAG淬火液的变化规律，下面逐一对这3种方法加以分析评价。

①折光仪浓度法。

所有溶解进水中的物质都会改变水溶液的折光率。溶质对溶液折光率的贡献与其在该溶液中的浓度成正比，而溶液的总的折光率又是各溶质对溶液折光率的贡献的简单叠加值。根据这种规律，用折光仪测出的将是溶液中所有溶质的总的折光率。因此，新配制的PAG淬火液的折光率是其中的PAG聚合物组分和添加剂组分的折光率之和。如图2－76中A所示。前面谈到，淬火液使用后，PAG聚合物的相对浓度会降低，而添加剂组分的相对浓度则要升高。同时，由于水分挥发，自来水中的可溶物质的浓度也会升高。此外，淬火液不免要受到污染，可溶污染物也要增大溶液的折光率。这样，使用后的淬火液折光率就是由聚合物、添加剂、水的自身污染物和外来污染物等4部分对折光率的贡献相加而成的，如图2－76B所示。可以看出，生产中用折光仪测量淬火液浓度时，为了保持一定的PAG浓度，必须使用更高的折光仪读数浓度。淬火液的使用时间越长，淬火量越多，污染越严重，要求的折光仪浓度就越高。如果继续按新配制淬火液时的折光仪读数控制淬火液浓度，就会因其中PAG聚合物浓度偏低，冷却速度偏快而引起淬火开裂。

图2－76　PAG淬火液总折光率的构成

A．新配制的溶液　B．使用后的溶液　C．使用后具有相同PAG量的溶液

②黏度测量法。

PAG淬火液的黏度随淬火剂的浓度增高而增大。在PAG淬火剂中，PAG聚合物组分对淬火液的黏度提高起着决定性的作用，而其他组分(包括污染物)的影响相当小。因此，用测量黏度的办法能比较好地排除其他组分的影响，测出溶液中PAG组分的浓度。

但是，对于使用较久的PAG淬火液，用黏度测量法会高估了溶液中的有效浓度，可能出现的危险仍然是溶液冷却速度过快。

③真实浓度测量法。

这种方法是利用PAG聚合物特有的逆溶性，采用加热分离的办法，把溶液中有逆溶性的聚合物与无逆溶性的其他组分分开，再计算淬火液浓度的折光仪测试法。由于能测定溶液中有逆溶性的聚合物浓度，因此，能在稍长的使用时间内比较好地测量和控制淬火液浓度。由于不受其他组分含量多少的影响，而且只需用一只普通的折光仪，应当说它是比较好的测定溶液中PAG总量的方法。

但是，同黏度测量法一样，只按这种方法控制浓度，时间一久，实际的冷却速度会偏高。因此，如不加注意，也有淬裂的危险。

④关于PAG淬火液的有效浓度。

淬火冷却中，不仅能从工件周围超过浊点的水中脱溶出来，还可能同其他脱溶出来的PAG聚合物一起黏附在工件表面上的这部分PAG的浓度，我们把它叫做有效浓液。取淬火液在烧杯中作加热试验发现，新配制的淬火液，当加热到沸腾温度时，脱溶出来的聚合物能全部呈絮状团聚集一起，并因裹带了水蒸气而首先浮在液面上。经过长期使用的PAG淬火液被加热到沸腾温度时，就可能有一部分脱溶出来的聚合物不是与其他聚合物相聚成絮状，而是独自像雪花一样下沉到杯底。这样的淬火液，用黏度法或真实浓度法测量的浓度虽较高，但其冷却特性却与较低浓度的新配淬火液相当。显然，呈雪花状下沉的那部分聚合物就属于非有用部分。采用黏度法或真实浓度法都不能将非有效聚合物离开，因而也不能准确地控制经过长期使用的淬火液的冷却特性。雪花状脱溶物的形成原因尚不清楚，但估计与淬火液的污染和高温下大分子量的PAG的断链产物中有逆溶性的部分有关。

存在于溶液中的某些污染物，包括一些悬浮物，它们如果能聚集在脱溶出来的PAG表面上而使界面能低于聚合物与溶液的相界面的界面能，则PAG聚合物该部分表面就会失去与其他PAG聚合物接触并团聚的条件。表面上聚集的这些污染物的脱溶PAG小珠子，因为失去了聚团和黏附在工件表面的能力，便成了无效的脱溶物。

图2－77　PAG淬火液中的有效和非有效组分

A．新配制的溶液　B．使用后的溶液　C．使用后具有相同有效PAG量的溶液

综上所述，PAG淬火液中具有逆溶性的组分并不都能起到调节冷却特性的作用。因此，当淬火液使用较长时间后，为保证与新配制时相同的有效浓度，必须采用更高的真实浓度。如图2－77所示。

(4)最好的办法是凭冷却特性来控制浓度。

使用PAG淬火剂的目的是把它作为水的添加剂加入水中来调节其冷却特性。因此，热处理生产中要求控制的也应当是淬火液的冷却特性。前面提到的折光仪测试法，黏度测试法以及真实浓度测试法的采用，是利用与这些参数的间接关系来反映淬火液的冷却特性。

前面分析了常用浓度测量方法对使用较长时间的淬火液测出的浓度往往高于实际的有效浓度，如果不加以修正，容易引起淬裂。修正的办法有两种，一是凭经验从工件的淬火效果来调整浓度，二是用冷却特性仪来控制浓度。

凭经验调整浓度的做法是对工件的淬火态硬度作记录，作成图表，用来观察同类工件的硬度变化趋势。当发现工件的淬火硬度连续偏高到一定程度时，及时采取升高淬火液浓度等办法来降低实际的冷却速度，就可以防止出现淬裂。而当发现工件的硬度连续一段时间偏低或硬度高低不均以及有较大畸变时，可以考虑降低淬火液浓度来增大冷却速度。经验法需要经验和严格的管理，需要责任心，但却很有效，很可靠，适于由工程技术人员来做。

用冷却特性仪来控制浓度，具体的做法是定期测量淬火液的冷却特性，主要凭其300℃冷速来确定溶液的有效浓度，再用折光仪按比例来控制浓度。有条件的工厂自己购买一台冷却特性仪，并安排专人进行测定。其他工厂可送样到淬火介质生产厂去进行测量。

测定水性淬火液的冷却特性可以选用配备符合国际标准(ISO 9950)的镍铬合金探头的国内外冷却特性仪。

(5)关于PAG淬火液的防锈性和防腐败性。

PAG淬火剂都含有一定量的防锈剂，所配水溶液总是具有高于自来水的防锈性。因此，一般不担心淬火液的防锈性问题。当发现防锈性不足时，可以补加少量防锈剂。

PAG淬火液的腐败变化往往发生在溶液先受油之类的有机物污染，然后又较长时间未使用，尤其在天气较热的夏季。腐败的现象为发臭、变黑。至今尚没有一种防腐剂能够保证长期停用的受污染淬火液不发生腐败变质。试验证明，变黑和发臭都不影响淬火液的冷却特性，也不影响用折光仪法、黏度法以及真实浓度法测量的浓度值。通过生产中的循环搅动带入空气，过一段时间臭味就会消失，溶液也随之恢复到原来的颜色。这种腐败变质是由厌氧细菌引起的，通入空气即有杀菌效果。补加一点杀菌剂，即可以杀灭细菌，消除臭味，并使淬火液变回为淡黄色。

(6)生产现场减缓淬火液变化的措施。

在生产现场采取以下措施可以减缓PAG淬火液的变化。

①延长工件淬火冷却后在淬火液中的停留时间，以利工件上黏附的聚合物充分溶解。

②对刚出淬火槽的工件做进一步的自来水清洗，并将清洗用水作为补充水加入淬火槽中。

③加强管理，减少淬火液的污染。

④有条件的工厂自己购买一台冷却特性测试仪，用冷却特性来控制淬火液浓度。

⑤暂时没条件的工厂应当定期取样，送淬火剂生产厂进行冷却特性测试，并用冷却特性仪控制浓度。通常，连续生产时，最好每3个月进行一次取样测量。

⑥当所用的PAG淬火液使用了较长时间，污染积累较多，用折光仪测出的浓度已经相当高，浓度测量和冷却特性控制比较困难时，可以对淬火液进行一次“去污更新”处理，把其中的污染物大部分清除掉，让其中的有效成分存留下来。处理后的淬火液又可以在比较低的折光仪浓度上使用，淬硬效果和防止畸变特点与新配制的淬火液相当。

(7) PAG淬火液整槽更换问题。

由于使用和污染，PAG淬火液的变化始终不会停止。因此，不管如何使用和维护，都有必要做整槽的更换。淬火量大，管理维护差，淬火液的寿命就短。相反，淬火量少，或管理维护好，则寿命就长。国外使用PAG淬火介质的工厂，为保证热处理工件有稳定的质量，都根据自己的使用特点，规定了必须做整槽更换的时间，多数工厂是一年左右，长的是几年。