水基淬火液及其制备方法和在弹条淬火中的应用

摘要

本发明涉及铁路工务产品制造技术领域，具体涉及水基淬火液及其制备方法和在弹条淬火中的应用。所述水基淬火液含有苯甲酸钠0.1‑0.8重量％，葡萄糖酸钠0.01‑0.5重量％，膦酰基羧酸共聚物0.01‑0.5重量％，三氮唑0.01‑0.5重量％，钼酸钠0.01‑0.5重量％，氯化钠0‑25重量％，氯化钙0‑25重量％，硝酸钠0‑25重量％，水余量；其中，氯化钠、氯化钙和硝酸钠的含量不同时为0。采用本发明的水基淬火液不仅可以提高弹条淬火速度，保证淬火心部硬度均匀性，还在淬火后的弹条表面产生残余压应力，抑制淬火裂纹的产生与扩展，本发明的淬火液为水基淬火液，还具有安全环保的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路工务产品制造技术领域，具体涉及水基淬火液及其制备方法和在弹条淬火中的应用。

背景技术

弹条是扣件系统的核心，它能够通过弹性变形为扣件系统提供一定的扣压力，同时能够吸收钢轨冲击和振动时的能量从而保证钢轨的稳定性。弹条的制造过程中，通过淬火及回火处理充分发挥金属材料的潜力，以满足弹条的使用要求。

弹条用淬火介质主要需要满足两项要求：一是有足够的冷却能力使弹条组织完全转变为马氏体，保证弹条的硬度均匀；二是降低淬火过程中造成淬火残余应力，保证弹条不产生淬火裂纹。

现有的弹条淬火介质主要采用快速淬火油。该淬火油能够部分弹条的淬硬性要求，但是对于直径较大的弹条，难以保证弹条的心部硬度。而且，快速淬火油会产生较大的残余拉应力，在部分弹条表面造成淬火裂纹，降低弹条使用寿命。同时，淬火油使用时会产生油烟，含油废水以及带油的铁渣，提高环保处理的成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的上述缺陷，提供一种水基淬火液及其制备方法和在弹条淬火中的应用。采用本发明的水基淬火液不仅可以提高弹条淬火速度，保证淬火心部硬度均匀性，还在淬火后的弹条表面产生残余压应力，抑制淬火裂纹的产生与扩展，本发明的淬火液为水基淬火液，还具有安全环保的特点。

为了实现上述目的，本发明第一方面一种水基淬火液，所述水基淬火液含有

其中，氯化钠、氯化钙和硝酸钠的含量不同时为0。

本发明第二方面提供如上所述的所述的水基淬火液的制备方法，该方法包括：将苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、膦酰基羧酸共聚物、三氮唑和钼酸钠，以及氯化钠、氯化钙和硝酸钠中的至少一种溶于水中，并可选的稀释后得到所述水基淬火液。

本发明第三方面提供如上所述的水基淬火液在弹条淬火中的应用。

本发明第四方面提供一种弹条淬火的方法，该方法包括：将待淬火的弹条与如上所述的水基淬火液接触，以对待淬火的弹条进行淬火；

其中，所述弹条的直径为12-20mm。

采用本发明的水基淬火液不仅可以提高弹条淬火速度，保证淬火后弹条心部硬度的均匀性，还在淬火后的弹条表面产生残余压应力，抑制淬火裂纹的产生与扩展。同时，本发明还具有使用安全、环保、不腐蚀工件、使用寿命长等优点。本发明可克服传统弹条淬火介质难以保证弹条的心部硬度以及容易产生淬火裂纹等问题，提高了弹条产品质量，并降低生产成本。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

第一方面，本发明提供一种水基淬火液，所述水基淬火液含有

其中，氯化钠、氯化钙和硝酸钠的含量不同时为0。

根据本发明，在所述水基淬火液中，苯甲酸钠的浓度可以为0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％，优选为0.4-0.6重量％。

根据本发明，在所述水基淬火液中，葡萄糖酸钠的浓度可以为0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％，优选为0.05-0.1重量％。

根据本发明，在所述水基淬火液中，膦酰基羧酸共聚物的浓度可以为0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％，优选为0.05-0.1重量％。

其中，所述膦酰基羧酸共聚物的重均分子量优选为3000-4000。

根据本发明，在所述水基淬火液中，三氮唑的浓度可以为0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％，优选为0.05-0.1重量％。

根据本发明，在所述水基淬火液中，钼酸钠的浓度可以为0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％、0.06重量％、0.07重量％、0.08重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.12重量％、0.14重量％、0.16重量％、0.18重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％，优选为0.1-0.2重量％。

根据本发明一种优选的实施方式，所述水基淬火液含有氯化钠，其浓度可以为0.01重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％，优选为3-8重量％。

根据本发明一种优选的实施方式，所述水基淬火液含有氯化钙，其浓度可以为0.01重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％，优选为3-8重量％。

根据本发明一种优选的实施方式，所述水基淬火液含有硝酸钠，其浓度可以为0.01重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％，优选为3-8重量％。

根据本发明，所述水基淬火液的pH可以在较宽的范围内选择，为了进一步提高其对弹条的淬火效果，优选的，所述水基淬火液的pH值为7-9，优选为7.5-8.5，例如，可以为7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5。

其中，所述pH值可以使用本领域常规的碱调节剂进行调节，例如，可以为但不限于氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠等，更优选为氢氧化钠。

因此，能够理解的是，在优选的情况下，所述水基淬火液还含有碱调节剂，更优选为氢氧化钠。

根据本发明一种优选的实施方式，所述水基淬火液含有

其中，使用氢氧化钠调节所述水基淬火液的pH为7-9，优选为7.5-8.5。

根据本发明，所述水可以为常规用水，例如，可以为去离子水、纯净水、蒸馏水等。

第二方面，本发明提供了第一方面所述的水基淬火液的制备方法，该方法包括：将苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、膦酰基羧酸共聚物、三氮唑和钼酸钠，以及氯化钠、氯化钙和硝酸钠中的至少一种溶于水中，并可选的稀释后得到所述水基淬火液。

其中，所述可选的稀释是指，当水的用量比较少时，各组分溶于水中可获得水基淬火液的浓缩液，待使用时，进行适当的稀释即可得到本发明的水基淬火液，当水的用量正好使得各组分在本发明第一方面的浓度范围内时，即可直接使用，而不用再稀释。

根据本发明，只要将本发明如上的各组分溶于水中，并进行可选择的稀释即可得到本发明的水基淬火液，但本发明的发明人在研究中发现，通过按照如下特定的步骤进行水基淬火液的制备，能够进一步提高其性能。

因此，根据本发明一种优选的实施方式，所述水基淬火液的制备方法包括：

(1)将氯化钠、氯化钙和硝酸钠中的至少一种溶于水，得到第一液；

(2)将苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、钼酸钠加入所述第一液中，得到第二液；

(3)在加热的条件下，将膦酰基羧酸共聚物和三氮唑加入到所述第二液中，得到第三液；

(4)将第三液冷却并可选的稀释后得到所述水基淬火液。

根据本发明，步骤(1)中，为了得到更为均一的第一液，优选的，将氯化钠、氯化钙和硝酸钠中的至少一种溶于水中后，搅拌40-80min。

根据本发明，步骤(2)中，为了得到更为均一的第二液，优选的，将苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、钼酸钠加入所述第一液中后，搅拌40-80min。

根据本发明，步骤(3)中，所述加热的温度优选为50-70℃，更优选为55-65℃。

其中，为了得到更为均一的第三液，优选的，各组分加入后，搅拌40-80min。

根据本发明，所述冷却优选使得第三液冷却至室温。

其中，在没有相反说明的情况下，本文所述的室温是指20-40℃的温度。

根据本发明，优选的，为了进一步提高所制备的水基淬火液的性能该方法还包括：调节冷却后的第三液的pH值，并进行固液分离，得到所述水基淬火液。

其中，所述第三液的pH值可以在较宽的范围内选择，为了进一步提高对弹条的淬火效果，优选的，所述第三液的pH值为7.5-8.5，例如，可以为7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5。

其中，所述pH值可以使用本领域常规的碱调节剂进行调节，例如，可以为但不限于氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠等，更优选为氢氧化钠。

根据本发明，优选的，调节pH值后，本发明的方法还包括将体系搅拌20-40min后再进行固液分离。

根据本发明，所述固液分离的方法不受特别的限制，可以为常规的各种方法，例如，过滤、离心等。

第三方面，本发明提供了如上所述的水基淬火液在弹条淬火中的应用。

第四方面，本发明提供了一种弹条淬火的方法，该方法包括：将待淬火的弹条与如上所述的水基淬火液接触，以对待淬火的弹条进行淬火；

其中，所述弹条的直径为12-20mm。

根据本发明，所述弹条淬火的方法适用于各类弹簧钢或合金钢为原材料(例如60Si2Mn、60Si2Cr、65Mn等)的各个型号弹条产品制造热处理过程中的淬火环节，使高温下的弹条快速冷却到室温，产生马氏体相变，到达弹条淬火目的。

本发明的方法不仅可以适用于直径较小的弹条，更适用于直接较大的弹条，对于直径较大的弹条，可保证弹条的心部硬度。优选的，所述弹条的直径为12-20mm。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1-3

用于说明本发明提供的水基淬火液及其制备方法

1.将氯化钙溶解于去离子水中，搅拌60分钟，得到初始溶液；

2.将苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、钼酸钠加入到步骤1的混合溶液中，搅拌60分钟；

3.将步骤2混合溶液加热至60℃，加入膦酰基羧酸共聚物(POCA，重均分子量4000)、三氮唑，搅拌60分钟；

4.将步骤3混合溶液冷却至25℃，并用加入氢氧化钠调节PH值，搅拌30分钟后，过滤沉淀物，得到水基淬火液，其中，各组分浓度如表1所示。

表1

实施例4

按照实施例1的方法进行水基淬火液的制备，不同的是，不加入氯化钙，而是将其替换为等量的氯化钠。

实施例5

按照实施例1的方法进行水基淬火液的制备，不同的是，不加入氯化钙，而是将其替换为等量的硝酸钠。

对比例1

按照实施例1的方法进行水基淬火液的制备，不同的是，未加入氯化钙，而是替换为等量的硝酸钙。

对比例2

按照实施例1的方法进行水基淬火液的制备，不同的是，未加入苯甲酸钠、葡萄糖酸钠，并把他们的量平均补入钼酸钠、膦酰基羧酸共聚物(POCA)、三氮唑。

测试例

如上实施例和对比例得到的淬火剂用于弹条生产在线淬火处理直径为14mm、型号为W1并且材料为60Si2Mn的高速铁路用弹条，记录淬火后是否有裂纹产生，距表面1/2处淬火硬度，及其表面淬火环向应力，如表2所示。

如上实施例和对比例得到的淬火剂用于弹条生产在线淬火处理直径为20mm、型号为III型并且材料为60Si2Mn的高速铁路用弹条，记录淬火后是否有裂纹产生，距表面1/2处与心部淬火硬度(越接近，表明均匀性越好)，及其表面淬火环向应力，如表3所示。

弹条硬度试验按GB/T230.1进行。试件的取样部位为弹条中肢中段(截取长度约13mm～21mm)；使用洛氏硬度计，在试件断面圆心及圆心至1/2半径范围内试验四点，读数精度0.1HRC，取后三点的平均值，保留整数。

通过X射线应力仪测定弹条淬火残余应力，对弹条相应测试点抛光处理，表面淬火环向应力。

表2

淬火油为购自北京华立精细化工(品牌)快速光亮淬火油

表3

淬火油为购自北京华立精细化工(品牌)快速光亮淬火油

采用本发明的水基淬火液生产的半径12～20mm的弹条经检验各项指标完全符合相关国家及行业标准。其表面淬火应力表现为压应力(应力值为负)，与淬火油(快速光亮淬火油)淬火后弹条表面的拉应力(应力值为正)，与对比例的淬火液对比，可以看出其抑制裂纹性能优异。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。