摘要：本文介紹了PQA水溶性聚合物淬火液（PAG淬火液）的冷卻特性，鋁合金淬火后的機械性能，淬火變形和介質管理。

 作者：王于林

關鍵詞：水溶性淬火液、鋁合金淬火、 淬火變形、PAG淬火液

Application of Aluminium Alloy of New Polymer Quenchabt PQA

Wang yuling, Wang shaujing, Fan yongqiang

(Nanjing zhoulian New Product and Technique Institute, Nanjing Aeronautical and Austronautical University Box435,Postcode 210016)

Abstract: This peper described the cooling characteristics of the PQA polymer quenchant, properties of aluminium alloy after quenching. Quenching distoreion and the managing of the PQA quenchant.

1．基本特性

1．1 PQA水溶性淬火液的實質

    PQA水溶性淬火液是以兩種環(huán)氧化合物為單體原料，用一定的引發(fā)劑和催化劑，在控制溫度和壓力下經反應的共聚物，是屬于陰離子型線型結構的聚合物。 為PAG淬火液類，外觀呈乳白至淺黃色粘稠液體，與水可無限溶解，即在水中加入任何數(shù)量的PQA原液，均可得到均勻的水溶液。 PQA水溶性淬火液配制成不同濃度的水溶液時，便使淬火介質具有各種不同的冷卻速度，從而適應各種不同金屬材料、不同形狀與厚度的零件淬火時所需要的冷卻速度。

1．2 逆溶及回溶性

    PQA水溶性淬火劑為均勻透明的水溶液，當其受熱溫度達到一定值時， 淬火介質立刻變得混濁（乳白），此種現(xiàn)象出現(xiàn)的溫度稱濁點。PQA（在濁點以上）繼續(xù)增高溫度并達到一定值時，混濁淬火介質中的聚合物便呈團狀析出并下沉(因聚合物的比重大于水)淬火介質中開始析出團狀聚合物的溫度，稱逆溶點。PQA由于溫度升高到逆溶點以上而析出的聚合物，只要淬火介質溫度下降到逆溶點以下時，便會重新溶解，使淬火介質又變得均勻。析出的聚合物由于溫度降低重新溶解的現(xiàn)象，稱為回溶性。濁點高低，決定著這類水溶性淬火劑在淬火過程中實際可允許的最高溫升，即淬火介質的使用溫度應低于濁點。逆溶現(xiàn)象及回溶現(xiàn)象，決定了PQA淬火劑冷卻赤熱金屬時的冷卻機制，是這類淬火介質具有比較理想的冷卻特性，明顯減小淬火變形、防止淬火開裂的關鍵所在。

1．3 冷卻特性

1．3．1 PQA淬火劑減小淬火變形防止淬火開裂的原因

    水用作淬火介質時，其最大缺點是蒸汽膜嚴重，直到低溫馬氏體相變溫度附近，蒸汽膜才破裂，進入泡狀沸騰階段，造成最大冷卻速度，因而易于導致 淬火變形和淬火開裂。PQA淬火劑則完全不同。由于這種 淬火介質具有逆溶性，當一定濃度的均勻淬火介質冷卻赤熱金屬時，金屬表面附近的淬火介質很快達到逆溶點，并發(fā)生團狀聚合物析出。團狀聚合物運動到金屬表面則被粘附，從而在金屬表面形成一層聚合物隔離膜。 淬火介質中的濃度越大，隔離膜的厚度也越大。由于聚合物淬火介質導熱性差，有隔熱作用，那么淬火介質濃度大，隔離膜厚，冷卻速度小。因此，控制濃度，即可控制淬火所需的不大也不小的冷卻速度，既能避免零件淬不硬，又能防止淬火開裂或過大的淬火變形。淬火工件表面由于光潔度不同，幾何形狀的不同，單質的水、油等淬火介質在工件表面形成汽（氣）膜破裂的時間有先有后，因而冷卻不均勻，必然導致工件變形。PQA淬火劑冷卻最劇烈的泡狀沸騰過程，只發(fā)生在隔離膜的外表面，不是發(fā)生在工件表面上。因此就消除了工件表面由于光潔度不同，由于幾何形狀不同而造成的冷卻不均勻，從而消除了工件熱應力不均勻所引起的淬火變形。淬火時工件表面形成的隔離膜，隨冷卻時間的延長而增厚，直到逆溶點以下溫度時，隔離膜才發(fā)生回溶現(xiàn)象，因此PQA淬火劑在低溫下的冷卻速度不強烈，可以避免馬氏體相變時產生過大的組織應力，從而防止產生淬火裂紋的危險性。

1．3．2 冷卻速度

    采用直徑為16mm，長度為48mm的帶柄純銀探頭，將細絲熱電偶用擠壓方法使熱偶的熱端連接于探頭的幾何中心。探頭加熱溫度為800±2℃，由微機采集探頭在介質中冷卻時的熱電勢信號，并由微機控制XW-4675數(shù)字繪圖儀繪制冷卻曲線和冷卻特性曲線(溫度和冷卻速度的關系)。圖1為不同類型淬火介質和不同濃度PQA淬火劑的特性曲線。由圖可知不同濃度PQA淬火劑的溫度與冷速關系有如下三個特點。

圖1 PQA水溶性淬火 液冷卻特性曲線

1．3．3 冷速三個特點

△ PQA淬火劑濃度大于15％以上時隨濃度增大冷卻速度下降

因為淬火介質濃度越大，純銀探頭的表面形成的聚合物隔膜越厚，隔熱作用越明顯，而且冷卻最劇烈的泡狀沸騰只發(fā)生在隔離膜的外表面液體 ，淬火介質不與金屬表面直接接觸，所以淬火介質的冷卻速度低。

△ PQA淬火 劑濃度在15％以下時隨濃度增大冷卻速度增加

因為淬火介質低濃度時隔離膜的隔熱作用不重要，相反，為數(shù)不多的聚合物分子對金屬表面的浸潤作用，能使單質水的蒸汽膜厚度減小甚至不能形成，因而提高冷卻速度。

△ 低溫階段冷卻速度小

因為金屬(工件)表面形成的隔離膜，要在金屬表面溫度低于逆溶點80℃以下時，才能向 淬火介質中回溶完了。因此隔離膜的隔熱作用一直可以保持到低溫。另外，低溫階段時聚合物大分子運動緩慢，流動性差，對流熱傳導效果弱。由于這兩個原因，使金屬工件的低溫冷卻階段，即相變階段的冷卻速度不大，因而對減小組織應力，防止淬火開裂有利。這種有利作用，對較高濃度的淬火介質溶液更為明顯。由于鋁合金固溶處理時，要求在400℃—250℃之間快冷，較高濃度的PQA水溶性淬火液能滿足這一冷卻特點要求。

2．鋁合金淬火的應用

2．1 濃度選擇

2．1．1 鋁合金鈑金件厚度為0.8～3mm時選用20～30％PQA水溶性淬火液。厚度大者選用下限。薄者用上限。

2．1．2 鋁合金鑄件選用20～25%PQA水溶性淬火液，零件及其厚度大者取下限，零件及其厚度小者取上限。

2．2 固溶并時效后的機械性能

LY12不同厚度板材按常規(guī)加熱后，在不同濃度PQA水溶性淬火液淬火并自然時效后的機械性能如表1所示。由表1可知，測試數(shù)據(jù)均在冶標規(guī)定值以上。

表1 不同厚度LY12板材在不同淬火介質中淬火并自然時效后的性能

屈服強度，板厚1mm和2mm的LY12板材，拉伸試驗中的σ0.2值，略比水淬的高。

疲勞試驗的試樣如圖2所示

圖2 反復彎曲疲勞試樣

    因條件所限，試驗是對比性的。試樣于硝鹽爐（500±℃）加熱后，分別在水、30%PQA水溶性淬火液中淬火，自然時效后在反復彎曲疲勞試驗機上進行試驗，頻率為1240次／分。在對稱循環(huán)應力σ-1為9kg／mm2條件下，lmm厚的板材試驗表明，在30％PQA水溶性淬火液溶液中淬火的與用水淬火的相比較，Lyl2板材斷裂周次N比較接近。斷裂試樣的數(shù)量（占試樣總數(shù)的百分率）水淬的為75%，30%PQA水溶性淬火液淬火的為43%。斷裂的平均壽命，水淬的為0.9X106次，而30%PQA水溶性淬火液淬火的為1.06×106次。因此可以說明用常規(guī)水淬火的，與PQA水溶性淬火液淬火的有關疲勞數(shù)據(jù)，基本上為同一水平。但從所作的疲勞試驗來看，30%PAG水溶性淬火液淬火的效果，有更好的趨向。

    綜上所述，用PQA作為淬火介質，對鋁合金板材的機械性能，與水淬火相比較，都毫無遜色之處。

3．變形效果

    多種鈑金件在PQA水溶性淬火液中淬火后的變形統(tǒng)計表明，同水淬火相比，可減小淬火變形50～90％。部分鈑金件淬火變形比較如表2。

表2

4．晶間腐蝕

LYl2板材在厚度小于3mm時，于所述濃度的PQA淬火 劑中淬火，自然時效后，沒有晶間腐蝕現(xiàn)象產生。將LYl2鋁板于PQA淬火 劑中淬火并時效后，在切取的橫截面(無包鋁影響)上，將試樣打磨、拋光，在室溫(26～28℃)下，于100毫升水加2毫升鹽酸和3克氯化鈉溶液中進行腐蝕，在顯微鏡下觀察是否出現(xiàn)晶界腐蝕現(xiàn)象。結果表明，在濃度為30%PQA水溶性淬火液以下水溶液冷卻3mm厚的LY12板材（表面無包鋁），經24、48、72小時腐蝕，均無晶間腐蝕。濃度低的PQA淬火 劑，更不會產生晶間腐蝕。

5．PQA淬火劑溶液的配制

5．1 淬火槽

△ 淬火槽可用鋼結構和水泥結構。但鋼結構不得隨意進行涂漆保護，有些漆與PQA淬火劑沒有相溶性，以致造成對 淬火介質的污染。

△ 淬火槽的容量，每公斤淬火金屬，推薦用10公斤PQA淬火 劑溶液。生產批量大，或連續(xù)淬火時，應按每公斤金屬需有15公斤PQA淬火 劑溶液的容量配制。

5．2 淬火介質溶液配制

△ 按體積濃度配淬火介質溶液。即先向淬火槽中放入所需體積的水，而后向水中倒入所需體積的PQA淬火 劑原液。因PQA淬火 劑比重大于水，故剛剛倒入的溶液原液會沉于底部，所以配制時要求攪拌，直至均勻溶液為至。在正常使用條件下，PQA淬火 劑溶液不結晶、不析出，而且有自動混勻作用，所以不需攪拌。

△ 按高度配制淬火介質溶液。即淬火槽為規(guī)則立方、正方、園筒形時，可用高度代表濃度。例如需要淬火溶液高度為1米時，放入到0.8米高度的水，而后再倒入0.2米高度的PQA淬火 劑原液，即為20％濃度的PQA淬火 劑溶液。

△ 放熱反應。 PAG淬火劑原液加水時，有放熱現(xiàn)象，加之配制時的攪拌，溶液中會產生細微氣泡，溫度有所增高。因此配制后最好擱置3—4小時，使溫度降低、氣泡消失，再投入使用。

6．淬火介質管理

6．1 濃度測定

    在淬火生產中，零件冷卻后對PQA淬火介質聚合物有帶耗現(xiàn)象。但濃度低時，帶耗輕微，只有高濃度時，帶耗問題不可忽視。在聚合物帶耗的同時，水也蒸發(fā)。所以原配濃度，在經一段周期的生產后，可能會發(fā)生變化，影響淬火效果。因此應定期檢測淬火槽中淬火介質溶液濃度。精確檢測濃度可用阿貝折射儀。工程應用中可用糖量計檢測濃度，精度足夠。

6．2 淬火介質的溫度控制

    連續(xù)淬火中，淬火介質由于與工件的熱交換，可能使淬火介質的溫度升高。雖然PQA淬火劑的濁點、逆溶點均在80℃以上，但建議 淬火介質的溫升應控制60℃以下，以防降低淬火效果。

6．3 淬火鹽帶入量的極限

    PQA淬火劑與空氣爐、氣氛爐配套使用時不存在鹽的帶入問題。當鹽浴爐加熱，零件于PQA水溶性淬火液中冷卻時，淬火加熱鹽便帶入溶液中，天長日久，淬火介質溶液中鹽的含量增高。淬火介質溶液中含鹽量小于8％時，對冷速影響不大，超過8％，會增大冷卻速度，影響淬火效果。因此建議PQA淬火 劑溶液中的含鹽量應控制在8％以下。PQA淬火劑溶液中含鹽量的判斷，可從淬火效果衡量。另一種辦法是用精密比重計測定淬火介質的比重。當淬火介質的濃度一定時，比重一定。當淬火介質中含鹽時，比重增大，而且含鹽量與比重有著對應關系，故在原配淬火介質溶液濃度一定時，測定淬火介質比重可粗略知道鹽量大小。

6．4 PQA淬火 劑的回收及重復使用

△ 回收范圍；鋁合金淬火應用高濃度的PQA淬火 劑淬火，淬火后在清水中清洗時，PQA淬火劑聚合物溶于清水。這種溶有PQA淬火劑聚合物的水溶液，可將其中的聚合物回收。淬火介質中含鹽量過高時也可以回收。

△ 回收的辦法：將PQA淬火劑溶液加熱到逆溶點以上溫度，停止加溫后聚合物便沉于溶器底部。此時將浮于聚合物上面的水放掉，則溶解的鹽隨水帶走。將沉于底部的聚合物加熱到110℃脫水。脫水后的聚合物便是原液PQA淬火劑。回收的PQA淬火劑與新購未用過的PQA淬火劑在特性上沒有差別，故可重配使用。

7. 結束語

    鋁合金加熱后在一定濃度的PQA淬火劑溶液中淬火(固溶)冷卻并時效后，抗拉強度、屈服強度、延伸率、疲勞強度都略優(yōu)于水淬冷卻，且無晶間腐蝕。與水淬相比，淬火狀態(tài)的變形量減小了50—90%，大大降低了校形工作量，也降低了勞動強度。