[其他]淬火方法

说明书

本发明涉及各种各样的金属特别是钢材淬火的方法。该发明使用了一种油状的水成淬火剂配方，这种淬火剂配方可在大约300℃至200℃之间提供理想的慢冷速率;并且经长时间使用后仍可保留足够的被认为具有机械性稳定的聚合物。

淬火是将被加热到给定高温的金属加工件浸入含有高热量抽取潜力的组合物，例如水，盐水，油或高聚物溶液的淬火浴中使其迅速冷却的过程。冷却速率作为时间的函数用冷却曲线的方式描述。冷却曲线取决于欲淬火工件的尺寸、形状及组成以及淬火浴的组成、浓度、循环程度和稳定等因素。

典型的淬火过程分为不同的三个阶段，每一阶段由不同的热传递机制所支配。起始淬火阶段是围绕在加工件表面形成连续的蒸汽层。通常在这第一冷却阶段冷却速率是相对地较慢。蒸汽层的作用是围绕在工件表面形成保温介质。当工件表面温度降低，蒸汽层便崩溃并开始第二冷却阶段，其特征为在工件表面上开始迅速地生成能带走热量的非连续的蒸汽汽泡。当工件表面的温度进一步降低后，便出现较慢的冷却期，术语称“液冷阶段”或“C-阶段”。亚铁类金属的C-阶段冷却一般在低于约300℃下进行，这近似地与最可硬化合金的马氏体转变开始（M_S）约200%至约300℃的温度范围相当。典型的C-阶段冷却速率对工件的物理性能有重要的影响，因此，人们对它具有特别的兴趣。

一般来说，淬火浴是根据它赋予钢材良好的物理性能的能力进行评估。当加热钢材超过约800℃时，通常产生术语所说的奥氏体（austen-ite）微观结构。在淬火期间，这种奥氏体结构可以转变成各种另外的结构，如铁素体，珠光体、贝氏体（bainite）和马氏体（martensite）。各种结构中，铁素体最软，且富有延性，而马氏体是最硬的组份。

奥氏体转变成铁素体发生在冷却曲线高温部分的末端，典型的是低于约800℃，而奥氏体转变成马丁体发生在曲线低温部分的末端典型的是低于约300℃。迅速冷却工件到其金属的M_S值，使奥氏体转变成较软的微观结构的程度减少到最小限度而最大限度地增加了奥氏体转变成马氏体的程度，这导致形成最硬的结构。

整个工件的冷却速率并不均匀的。表面区域较之内部区域有较好的散热能力，因此能较快地冷却。冷却速率上的差别导致工件内部产生诱发应力的温度梯度。当工件迅速地冷却到约300℃时，温度诱发应力的结果是使工件容易发生挠曲或断裂。

逐步冷却是解除热应力的一种方式。温度诱发应力更容易导致马氏体发生断裂或变形，而不是使其变为更软且富于延性的微观结构。因此，当工件中含有较高百分比的马氏体结构时，低于约300℃缓慢冷却是特别关键的。尽管迅速冷却到约300℃可以最大限度地使工件转变成马氏体结构，但是为了增强抗断裂或抗变形，希望工件在此温度下总的冷却速率突然变慢，并且直到淬火完成都缓慢地进行冷却。低于约200℃，冷却速率倾向于均衡，所以在从约300℃至约200℃的关键的温度区间由各种淬火剂配方提供的冷却速率是值得特别注意的。

水或盐水淬火浴在全部淬火温度范围内提供非常迅速的冷却过程。由于此类淬火浴并不能在较低温度下提供理想的慢冷速率，故通常会增加被淬火金属的断裂和变形的可能性。油淬火浴通常能在较低温度下具有理想的缓慢冷却速率，然而它不具有水所能提供的起始的迅速冷却的能力。结果，用油淬火的金属常常不能达到如同在水或盐水中淬火的金属所获得的硬度。另外，油浴有随着使用而变质的倾向，需要定期更换。此外由于大多数油的闪火点较低，当用作淬火剂时容易引起火灾及危害安全。经过人们的努力，已经发展了一种能在高温时具有水与盐水淬火浴的迅速冷却速率的特点，而在低温时有油类缓慢冷却速率特点的，使用各种有机聚合物的水溶液或分散体来进行淬火的淬火剂配方。

美国专利第3，022，205号中阐述了一种每加仑水含0.2至4.5克环氧乙烷聚合物的水溶性淬火介质，该聚合物的分子量在100，000到几百万之间。

美国专利第3，220，893号中阐述了一种金属淬火介质，它是氧化烯类聚合物的水溶液，这种聚合物含有氧化乙烯单元和高分子量氧化烯单元，例如从环氧丙烷衍生得到的结构单元。该文中进一步描述了聚合物中氧化乙烯与氧化烯的比例，以重量计为约从70∶30到约90∶10，平均分子量从600～40，000。例举的特效聚合物是一种聚二元醇，其中氧化乙烯单元按重量计约为75%，氧化丙烯单元按重量计约为25%，粘度在100°F约为90，000赛波特（Saybolt）秒，平均分子量约从12，000至14，000。