一种新型淬火液及其在高铬耐磨铸铁淬火冷却中的应用

摘要

本发明公开了一种新型淬火液，该淬火液为高分子聚合物水溶液，由如下质量百分比的组分混制而成：15％聚醚多元醇、15％聚丙烯酰胺、5％聚丙烯酸钠、5％羟乙基纤维素、5％海藻酸钠、2％硅酸镁锂、2％三乙醇胺、1.5％异噻唑啉酮、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％硅溶胶、0.2％改性有机硅消泡剂以及水余量；其中，所述聚醚多元醇是分子量为5000～6000，所述聚丙烯酰胺分子量大于1000万。本发明还公开了上述淬火液在高铬耐磨铸铁淬火冷却中的应用。本发明淬火液的冷却性能不仅能满足工件终冷到150℃以下不开裂，还能提高工件的淬硬层深度和硬度，改善工件的耐磨性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种淬火液，还涉及上述淬火液在高铬耐磨铸铁淬火冷却中的应用，属于钢铁件的热加工技术领域。

背景技术

高铬白口铸铁被称为“第三代金属抗磨材料”，广泛用于建材、矿山、化工、火电等行业。典型产品如耐磨铁球、耐磨衬板、板锤等，一般通过铸造的方法大批量生产。高铬白口抗磨铸铁(以下简称高铬铸铁)通常含铬量在12％～28％之间(或含有适量辅助合金元素)。在亚共晶高铬铸铁中，按含碳量分为低碳区2.0％～2.5％C，中碳区2.5％～2.8％C，高碳区2.8％～3.6％C三个区。高铬合金铸铁衬板一般采用中碳区2.5％～2.8％C，高铬合金铸铁磨球一般采用低碳区2.0％～2.5％C，破碎机锤头类铸件一般采用高碳区2.8％～3.4％C。

为了使铸件产品具有优异的耐磨、耐热、抗蚀等综合机械性能，选择与之相适宜的热处理方法是质量控制的关键工序。目前国内外高铬铸铁的淬火冷却多采用风冷、雾冷、油冷等方式。风冷工艺简单，工件淬后应力小，产生裂纹的风险也小，但存在冷却不均匀和冷却能力不足(是否指淬透性小)问题，对于大规格铸件需添加较多的Mo、Ni、Cu等合金元素，增加材料成本。因此，风冷仅适用于淬透性好，尺寸规格较小的高铬铸铁件。雾冷却较风冷的冷却能力强，可减少合金元素的添加量，但仍存在冷却不均匀问题，增加变形和开裂的风险，适用于合金元素少或规格较大的高铬铸铁件。油淬的冷却均匀性好，但因其高温能力强，淬火应力很大，对于异形件开裂的风险极大，仅适合一些中小规格、形状简单的耐磨铸件。

国内外耐磨材料行业一直积极地寻求新的淬火冷却方式，以提高高铬铸铁的强韧性和耐磨抗蚀能力。如陈自强等人申请的专利CN 1120892 C是用于铸件的正火冷却，目的是提高铸铁珠光体含量，但在湖南区域有部分企业采用该类型的“正火液”对高铬铸铁进行淬火处理，但因其冷却能力仍然较强，主要应用于结构对称、形状简单的耐磨铸件，而对于结构不对称的异形件开裂风险较大。陈宗明等人申请的专利201110067074.3(申请号)中提到一种淬火液用于高铬磨球，采用的是烯类高分子聚合物，因淬火液低温冷速较快，需严格控制出液温度至250-350℃，以降低开裂风险，最终导致淬火液的消耗量极大，综合使用成本较高。张克俭等人申请的专利CN 1831157 A、CN 100455682 C涉及的冷却介质，其冷却能力虽介于雾冷和淬火油之间，但是针对锻钢件的正火冷却并不适用于高铬耐磨铸铁淬火冷却，且冷却工艺要求500～700℃高温出液，存在消耗量大及介质烧损产生的烟气等问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可专用于高铬耐磨铸铁淬火冷却的淬火液，该淬火液具有高的运动粘度，因此其冷却性能不仅能满足工件终冷到150℃以下不开裂(淬火液冷速慢，应力小)，还能提高工件的淬硬层深度和硬度，改善工件的耐磨性能。

本发明还要解决的技术问题是提供上述淬火液在高铬耐磨铸铁淬火冷却中的应用。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种新型淬火液，所述淬火液为高分子聚合物水溶液，由如下质量百分比的组分混制而成：15％聚醚多元醇、15％聚丙烯酰胺、5％聚丙烯酸钠、5％羟乙基纤维素、5％海藻酸钠、2％硅酸镁锂、2％三乙醇胺、1.5％异噻唑啉酮、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％硅溶胶、0.2％改性有机硅消泡剂以及水余量；其中，所述聚醚多元醇是分子量为5000～6000，所述聚丙烯酰胺分子量大于1000万。

其中，质量百分浓度为20％的淬火液运动粘度为25.6mm²/s。

其中，质量百分浓度为30％的淬火液运动粘度为30.3mm²/s。

其中，质量百分浓度为35％的淬火液运动粘度为41.8mm²/s。

上述淬火液在高铬耐磨铸铁淬火冷却中的应用；其中，所述淬火液的使用浓度为20％～35％，所述浓度为20％～35％的淬火液在500℃以上的冷速为12～15℃/S以上，20℃/S以下；在400℃以下的冷速≤10℃/S；淬火出液温度为150℃以下。

聚醚多元醇具有良好的环保性能，其不含氮化合物，粘稠度大；聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、海藻酸钠、硅酸镁锂、聚氨基甲酸酯、硅溶胶相互协同增效，能够有效增加淬火液的粘稠度，降低淬火液中高温阶段的冷却速度；聚醚多元醇是分子量为5000～6000，聚丙烯酰胺分子量大于1000万，也能够进一步增加淬火液的粘稠度。

本发明淬火液基本技术指标如表1所示：

表1淬火液的理化指标

本发明淬火液冷却特性的测试采用GB/T 30823，传统风冷存在冷却不均匀和能力不足的问题，为了保证淬火效果，往往增加Mo、Ni、Cu等合金元素，以提高材料的淬透性，保证淬硬层深度；图3是静止空气、迎风面、被风面冷却性能对比，雾冷的冷却能力较风冷有较大提高，高温阶段的最大冷速在8～10℃/S，但同样有冷却不均匀的问题，对于厚大件也仍然存在冷却能力不足的问题，典型雾冷的冷却性能如图4所示。

表2为淬火液浓度在20％和35％时同雾冷、淬火油冷却性能比较。20％和35％浓度的淬火液，500℃以上的平均冷速在12～15℃/S以上，较雾冷有较大幅度的提高，可改善风雾冷却能力不足的问题，同时浸液冷却可改善不同位置的冷却均匀性，减少开裂风险。淬火油的浸油冷却虽能保证不同位置的均匀冷却，但高温冷速在60～110℃/S，热应力过大极易导致工件淬火开裂。在20％和35％之间通过浓度控制，可以使本发明淬火液得到介于雾冷和油之间的冷却能力，在保证硬化层的前提下大幅降低工件开裂风险。同时该淬火液冷却性能对于浓度、液温、工件表面温度变化的敏感性较低，能够保证冷却的均匀性和稳定性，具有极高的工程应用价值。

表2淬火液同雾冷、淬火油冷却性能比较

相比于现有技术，本发明淬火液的有益效果为：

本发明淬火液具有高的粘度，能够有效降低淬火液在中高温阶段的冷却速度，从而在保证高铬耐磨铸铁硬化层的前提下大幅降低了工件开裂风险；本发明淬火液的使用浓度为20％～35％，其冷却能力介于雾冷和淬火油之间，其冷却性能不仅能满足工件终冷到150℃以下不开裂(冷速慢，应力小)，还能提高工件的淬硬层深度和硬度，改善工件的耐磨性能，还能够保证工件冷却的均匀性和稳定性。

附图说明

图1为高铬铸铁的高温抗拉强度；

图2为高铬铸铁的高温延伸率；

图3为静止空气、迎风面、被风面冷却性能对比；

图4为风雾冷却性能；

图5为淬火液与空气、淬火油冷却特性曲线对比；

图6为浓度20％淬火液不同液温冷却性能对比(10℃、50℃、80℃)；

图7为实施例1淬火工艺流程图；

图8为实施例2淬火工艺流程图；

图9为实施例3淬火工艺流程图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明淬火液浓度为20％～35％，其具有介于雾冷和淬火油之间的冷却能力，从而有效降低高铬耐磨铸件在淬火过程中的热应力及组织应力，因此在保证高铬耐磨铸铁硬化层的前提下大幅降低工件开裂风险；通过调整淬火液的使用浓度能适应不同类型的高铬耐磨铸件产品。

实施例1

本发明淬火液为高分子聚合物水溶液，由如下质量百分比的组分混制而成：15％聚醚多元醇、15％聚丙烯酰胺、5％聚丙烯酸钠、5％羟乙基纤维素、5％海藻酸钠、2％硅酸镁锂、2％三乙醇胺、1.5％异噻唑啉酮、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％硅溶胶、0.2％改性有机硅消泡剂以及水余量；其中，聚醚多元醇是分子量为6000，聚丙烯酰胺分子量为1200万；质量百分浓度为35％的淬火液运动粘度为41.8mm²/s。

上半弯，C＝3.5-3.6％，Cr＝26-28％，Mo＝0.5-0.6％，Ni＝0.5-0.6％，有效厚度18mm左右，单重6.5Kg。淬火加热温度为1030℃，淬火液使用浓度(质量百分浓度)35％，装炉方式采用开口朝下叠放。淬火出液温度为150℃以下，淬火后着色探伤无开裂现象，淬火硬度61-64HRC。后续使用过程跟踪，服役寿命是风冷的1.3-1.5倍。

实施例2

本发明淬火液为高分子聚合物水溶液，由如下质量百分比的组分混制而成：15％聚醚多元醇、15％聚丙烯酰胺、5％聚丙烯酸钠、5％羟乙基纤维素、5％海藻酸钠、2％硅酸镁锂、2％三乙醇胺、1.5％异噻唑啉酮、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％硅溶胶、0.2％改性有机硅消泡剂以及水余量；其中，聚醚多元醇是分子量为5500，聚丙烯酰胺分子量为1100万；质量百分浓度为30％的淬火液运动粘度为30.3mm²/s。

衬板，C＝2.6-2.8％，Cr＝12-15％，有效厚度20mm左右，单重15Kg，淬火加热温度为960℃，淬火液使用浓度30％，装炉方式采用悬挂吊装的形式。淬火出液温度为150℃以下，淬火后着色探伤无开裂现象，淬火硬度59-62HRC。

实施例3

本发明淬火液为高分子聚合物水溶液，由如下质量百分比的组分混制而成：15％聚醚多元醇、15％聚丙烯酰胺、5％聚丙烯酸钠、5％羟乙基纤维素、5％海藻酸钠、2％硅酸镁锂、2％三乙醇胺、1.5％异噻唑啉酮、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％硅溶胶、0.2％改性有机硅消泡剂以及水余量；其中，聚醚多元醇是分子量为5000，聚丙烯酰胺分子量为1000万；质量百分浓度为20％的淬火液运动粘度为25.6mm²/s。

板锤，C＝2.8-3.0％，Cr＝26-28％，未添加Mo、Ni、Cu等合金元素，有效厚度120mm左右，单重600Kg。淬火加热温度为1030℃，淬火液使用浓度20％，装炉方式采用开口朝下叠放。淬火出液温度为150℃以下，淬火后着色探伤无开裂现象，淬火硬度59-61HRC。后续使用过程跟踪，服役寿命是风冷的1.2-1.3倍。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。