水基聚合物淬火介质现状及发展

水基聚合物淬火介质现状及发展

孙建林1 熊孝经1姜聚满2

(1.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083；

2.辽宁海明化学品有限公司,辽宁丹东118011)

摘要：水基聚合物淬火剂是一种具有良好的热安定性、无毒性、水溶性以及大比热容的介质，其淬火性能有着水和油无法代替的优点，“以水代油”的理念早已受到热处理行业人士的强烈关注。本文从淬火介质的发展历程出发，阐述了新型水基聚合物淬火介质的在生产实践中的应用现状；提出了在绿色环保、安全生产和清洁生产大环境下，水溶性聚合物淬火介质的发展方向。

关键词：水基聚合物淬火介质环境保护发展趋势

The Current Situation and Development of Water-based Polymer Quenchant

Sun Jianlin1, Xiong Xiaojing1, Jiang Juman2

（1.School of Material Science and Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083

2.Haiming Liaoning Chemical Co., Ltd., Liaoning Dandong 118011）

Abstract: Water-based polymer quenchant is a kind of medium with high thermal stability, nontoxicity and water-solubility as well as specific heat capacity, thus having a better performance than water or oil. The concept "water substitutes for oil" has already been the focus of attention in the thermal treament field. This paper reviews the development of quenchant, expands its utilization in production, and points out the development direction of water-based polymer quenchant, considering environment protection and safe and clean production.

Key Words: Water-based polymer; Quenchant; Environment protection; Development 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，淬火冷却作为金属热处理工艺过程的重要组成部分，自始至终伴随着热处理的发展而不断进步[1]。目前在现实生产中的淬火介质大多都是淬火油，但淬火油中矿物油的闪点较低，在淬火过程中易产生浓烟甚至还会引发火灾，另外矿物油生物降解能力差，废弃的矿物油对环境的污染的潜在威胁就很大[2]。此外，矿物油在使用中感到油的高、中温区冷却速度过慢，且冷却速度无法调节，对于低淬透性钢件淬火后易出现硬度不足、淬硬层深度浅等弊病[3,4]。随着经济的发展，环境保护、安全生产和清洁生产等一系列问题引起业界越来越多的关注，因此必须重视并大力加强淬火介质的研究和推广应用工作，积极研究开发经济、安全、无污染的新型淬火介质，这也将是今后热处理发展的主要方向之一。

1 淬火介质的发展历程

水是最古老又实用的淬水介质，但自来水作为淬火介质存在着低温冷却速度太快，因而自来水淬火时工件容易淬裂、硬度不均且畸变大等问题。后来人们通过往水中加入各种无机

盐、碱或其混合物，形成各种不同的无机物水溶液。虽然无机水溶液提高工件在高温区的冷却速度，改善冷却均匀性，减少淬火开裂和变形，但盐水淬火易生锈，同时碱类溶液淬火不易控制，容易灼伤操作者，硝盐类虽不锈，但易产生有害气体，损害现场生产工人的健康。

随着石油工业的蓬勃发展，20 世纪初人们开始使用矿物油作为淬火油，矿物油具有热稳定性好、使用寿命长等优点，适用于壁薄、形状复杂、要求淬火变形小的工件[5]，但淬火油的成本高、油污多，淬火时易引起火灾，生物降解困难等。此外，为改善淬火性能而加入的许多表面活性剂也都加大了废液处理的难度[6]。虽然植物油的降解性能优于矿物油，但动植物油含有较多的不饱和脂肪酸，因水解、氧化等会产生羧酸、醛、酮等带刺激性气味的物质，且易酸败变质，对环境产生恶劣的影响[7]，因此人们不得不另外寻找新的淬火介质。

自从1952年德国人申报PV A(聚乙烯醇)专利以后，高分子聚合物开始进入淬火介质这一领域。1965年，美国联合碳化公司最早获得了有关PAG(聚氧化烷撑)的专利并从70年代始向全世界推广其用于淬火介质。随后有关对聚醚的研究越来越多，在1975年以后已经应用到热处理行业，实现了聚合物水基淬火介质的商业化生产。日益严格的环境保护要求和70 年代中期的西方石油危机，有力地促进了聚合物淬火剂的发展，不久聚合物淬火剂PA G、ACR、PVP、PEO 也相继出现，到80年代欧美市场聚醚类淬火介质销售就达四万吨，日本在10几年前的生产量也有了显著的增长。

2 水基淬火介质发展的现状

目前生产中有机聚合物淬火介质已经有一定程度的发展，生产中应用的有PV A (聚乙烯醇)、PEG (聚乙二醇)、PAG (聚烷撑二醇)、PEOx (聚乙烯恶唑啉)、PVP (聚乙烯吡咯烷酮)、PAM (聚酰胺聚烯烃乙二醇)、PSA (聚丙烯酸盐)、PMI (聚异丁烯马来酸盐)等。目前以PAG 淬火介质用量最大，应用最广泛，典型的美国DOW化学公司产品有UCONA、UCONHT、UCONE。其中UCONE配制的水基淬火剂性能更接近油，可作为代油的淬火介质，备受热处理行业关注[8]。据估计目前约有20% 左右的淬火介质是聚合物淬火剂[9]。

以PAG为代表的水溶性聚合物淬火介质一直以其安全性、环保、节能性等特点一直受到热处理工作人员的高度关注和热情期盼。一般认为聚合物水基淬火剂具有以下的优点：（1）具有介于水与油之间大范围的冷却特点，油淬往往使工件硬度不足，而水淬由于其中低温冷速过大容易出现裂纹，水溶性聚合物PAG则能克服它们的缺点，且通过对浓度、温度和搅拌程度的控制，可以使聚合物的水溶液得到从水到油的不同的冷却能力，能很好弥补了水油之间冷却速度的空白，如图1所示；