[发明专利]石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用。

背景技术

组成机械装备的各种零部件绝大多数都需要经过淬火及回火处理才能具备人们所要求的物理、化学及力学性能。

淬火过程是将钢铁零件加热到高温(>850℃)进行奥氏体化，然后迅速置于冷却介质(水、油)中，希望在极短时间(0～数秒)内将高温(850℃～1050℃)金属零件冷却到300℃左右，以避免奥氏体向非马氏体的转变；在300℃以下，希望以较缓慢的冷速冷至室温，以避免奥氏体向马氏体转变时的组织应力和热应力造成的变形和开裂。只有满足这样的条件，才能得到最满意的机械性能和最小变形的零部件。

传统的液体淬火冷却介质一般有两类：一类是简单的自来水或含有各种添加剂的水基淬火液；另一类是简单的矿物油或含有各种添加剂的矿物油。

水的冷却特性是：在高温阶段(蒸汽膜)冷却能力不足，在低温阶段冷却能力太高，因此，所处理的零件既容易产生软点，又有很大的变形，甚至开裂。在水中加入各种添加剂后，这种情况有所改善，但效果难以令人满意。而且在使用过程中，其中的添加剂容易发生化学反应改变性质从而改变水基淬火液的特性，因而在使用中需要密切跟踪监测其老化变质情况，使用及管理成本较高。

油的冷却特性是：虽然在低温阶段具有比较缓慢的冷却特性，但在高温阶段的冷却能力也大大低于人们的期望值。在油中淬火的零件淬火变形比水小，但存在硬度偏低，淬硬层较浅的缺陷。在油中加入各种添加剂后，这种情况有所改善，但效果难以令人满意。而且在使用过程中，其中的添加剂容易发生化学反应改变性质从而改变油基淬火液的特性，因而在使用中需要密切跟踪监测其老化变质情况，使用及管理成本较高。

总之，上述淬火冷却介质存在以下缺点：

水的缺点：

高温段冷速慢，低温段冷速快，导致零件软点和变形开裂，废品率很高。各种水基淬火液容易产生变质、老化、有毒、有刺激性、有污染等。另外，水及水基淬火液的冷却特性对水温的变化太敏感，这是导致带有台阶、沟槽及孔类的零件产生变形的一个重要因素。

油的缺点：

高温段冷却慢，对很多钢种淬不上火；易发生裂化和聚合及氧化变质、易老化、工件带出量大损耗严重、淬火时油烟大污染严重、生产环境恶劣，费用较高。

传统液体冷却介质还有一种致命的缺陷，就是其冷却能力随温度变化而变化的高度敏感性。这种特性导致的后果是：在处理带有台阶、沟槽和孔类的零件时，由于这些部位液体的流动受到阻碍而使其温度升高(此处的热量传导不出去)，致使此处液体冷却特性发生改变使冷却能力大幅降低，从而产生软点和变形。这是传统液体淬火介质无法克服的障碍。

上述介质共同缺陷还有：为了应对变质和老化，需经常测定粘度、酸值、灰分、成分、冷却特性曲线以及经常需要整体更新淬火液等，造成使用及管理成本高。

传统液体冷却介质所产生的变形问题对于一些精度较低的零件还可以容忍，而对现代大量的精密制造而言，由于传统液体冷却介质的物质属性所决定，无论加入何种添加剂也难以改变其液体物质在冷却时的特有属性，因而其淬火冷却特性和应力变形效应难以达到令人满意的效果，各种添加剂虽然对其不足有所改善，但同时伴有副作用。

中国专利申请CN 104059618 A公开了一种发动机用氧化石墨烯无水冷却液及其制备方法，发动机用氧化石墨烯无水冷却液，由重量百分比为30～65％的乙二醇、重量百分比为30～65％的丙二醇、重量百分比为0.2～3％的氧化石墨烯、重量百分比为0.2～2％的有机硅消泡剂和重量百分比为0.7～8％的复合缓蚀剂混合并搅拌均匀至溶解即得无水冷却液。该冷却液中不含水，而且有多种成份混合配置而成，成本高，性能稳定性差，仅能适用于发动机，适用范围比较窄。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用，将石墨烯固体微粒作为添加剂加入到传统液体淬火介质中，石墨烯均匀分布在介质中，由于石墨烯具有最大导热能力，因此在冷却过程中，全部介质都处在同一温度状态(介质内部各个微观区域之间几乎没有温度差)，金属零件处于这种淬火介质中可保证其各个体积元之间没有温度差，从而可以满足金属零件，尤其是高精密度金属零部件机械性能及变形精度的要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：