一、聚合物淬火劑的優點

    現在世界各工業發達國家都大力發展并擁有自己的聚合物淬火劑，一些品種已納入熱處理工藝范圍。其原因在于：傳統的冷卻介質，通常為水、油、鹽水溶液、融堿或鹽等。水價廉物美，但主要缺點是高溫階段冷卻慢，低溫階段冷卻太快，容易使零件形成軟點和開裂。油一般只適應合金鋼的淬火，對碳鋼和合金鋼大件往往達不到淬火性能要求，同時淬火時產生煙霧，不僅污染環境，甚至有時還導致著火危險。一般的鹽水淬火，通常只能用于淬透性低的或大尺寸零件，而且易于銹蝕零件和工裝。有些鹽和堿適用范圍有限，還對人體有害，如融堿和熔融硝鹽。優良的聚合物淬火劑，可以克服一些常規介質存在的缺點，同時還具有優良的冷卻特性，具有強大的生命力。因為有如下主要特點：

1，用聚合物冷卻介質淬火的零件具有較高的力學性能和冶金質量。可以使零件得到較大的淬透深度，良好的內部組織，從而滿足機械性能要求。同時，與水相比，可大大減小零件的變形和防止零件的開裂、報廢。

2，適應性寬。因聚合物淬火劑，系水溶液，濃度可調，從而得到不同的冷卻速度。所以無論鋼鐵零件，還是有色金屬零件，都可用聚合物淬火劑淬火。

3，消除污染和公害。優良的聚合物淬火劑，無毒、無害、無味、不產生煙霧、也不會著火，消除了礦物油、融堿等帶來污染和公害，改善了環境。

4，用戶的總成本低。通常是淬火油的1/2--1/4。

二、聚合物淬火劑的冷卻機理

    世界各主要工業國已蓬勃發展了多種的聚合物淬火劑，如丙烯類聚合物（聚丙烯酸鈉，代號ACR或SPA和PAM）、聚二醇（PAG）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）、聚氧化乙烯（PEO）等，其中的商品代號更是多種多樣。但從冷卻機理上分析，主要有兩大類。這里所述的機理是排除外部影響因素如攪拌，僅從介質本身物理、化學屬性在淬火介質冷卻高溫物體時，固體與液體界面及界面附近所發生的現象。

1，依工件表面蒸汽膜控制冷卻速度

    屬于這類的典型冷卻介質如聚乙烯醇（由于濃度檢測很難，容易變質，國際已淘汰，國內少數單位還在使用），其溶液中的高分子，在遇到高溫金屬接觸時，促進金屬表面蒸汽膜形核、長大并增厚。在蒸汽膜破裂之前，膜的厚度不斷增大。介質中聚乙烯醇的濃度越大，蒸汽膜的厚度越大，而且蒸汽膜的壽命越長。在金屬表面由于水蒸汽膜的形成，氣膜外側介質的濃度不斷增大，以致高于平均介質濃度，在高濃度的外側，才是原來的平均濃度。所以諸如聚乙烯醇這樣的介質，在冷卻高溫金屬時，在沸騰階段發生之前，金屬表面蒸汽膜外側只是形成高于平均濃度的濃溶液，而不是早期所說的塑料膜或聚合物膜。蒸汽膜具有隔熱作用，同時蒸汽膜與液體界面上的高濃度的介質會降低沸騰階段的熱傳導。所以控制介質的濃度，可得到一定厚度的蒸汽膜，從而控制冷卻速度。

2，依工件表面析出聚合物薄膜控制冷卻速度

    許多水溶性的高分子聚合物，其水溶液都具有逆溶性質，即溶液受熱升高到某一特定的溫度時，高分子溶質不再溶于水而析出。這一特定的析出溫度稱為逆溶溫度或逆溶點。析出的高分子聚合物呈團絮狀，其比重大于水的則下沉，比重小于水的則上浮到水溶液的表面。高分子聚合物析出的量與濃度有關，濃度越大，析出的量越大。

    作為聚合物淬火劑，使用的都是水溶液，在多種聚合物淬火劑中，大多都具有逆溶性而發生聚合物的析出現象。國內聚合物淬火劑使用多年，但現時仍有人認為只有一、二種聚合物淬火劑具有逆溶性并在工件表面成膜的觀點，這是違背科學規律的，違背客觀實際的，是未深入研究的結果。

    具有逆溶性的聚合物淬火劑，市場上常見的有聚二醇PAG（Polyalkylene Glycol)也可稱為聚二醇醚或聚醚；丙烯聚合物如聚丙烯酸鈉（Sodium Polyacrylates ,簡稱SPA)；聚丙烯酰胺酸酯(Polyacrylamide簡稱PAM); 聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,簡稱PVP）; 聚氧化乙烯（Polyethyleneoxide；簡稱PEO）等。

2-1，隔離膜的形成

    在具有明顯逆溶性和析出物的聚二醇（PAG）介質中冷卻高溫工件時，工件表面附近的溶液瞬間可達到逆溶溫度以上，此時工件表面除形成一些蒸汽泡的核心外，還將從溶液中析出一些高分子。這些高分子由于熱運動和對工件的浸潤，會把蒸汽泡核心破壞而粘附到工件表面，隨溫度的降低和冷卻時間的延長，工件表面即形成一定厚度含水的聚合物隔離膜，在特定溫度下，隔離膜及其內外的蒸汽泡將發生爆破，形成最大冷卻速度。在此后的對流階段，由于高分子的溶質存在，熱傳導能力與水相比，總是減弱的。故比水的冷卻速度小。

2-2，二次爆破

    不只是PAG淬火劑，其他聚合物介質在高濃度時，冷卻的高溫金屬表面附近，通常都會產生二次爆破，而且是發生在較低溫度階段，造成低溫時的快速冷卻。這是淬火冷卻絕對應該避免的。可以說這是聚合物介質的“癌癥”。是無論如何都應當克服的。在第一次爆破后，金屬表面溫度還再次達到逆溶溫度以上，再次在金屬表面形成更濃的聚合物膜和大大、小小的蒸汽泡。由于熱力學能量關系，聚合物膜和蒸汽泡能維持的壽命是有限的，所以必然再次爆破。優良的聚合物淬火劑，由于溶質的合理配置，是沒有二次爆破的。

三、聚合物淬火劑的要求

1，力求具有好的溶解于水的性能；高分子聚合物的品種很多，但能溶于或混溶于水的，并達到較大溶解度的品種并不是很多，最好能與水無限互溶。

2， 分子量大小應有一定要求；前述聚合物淬火介質已有多種，但對某一特定的品種，其分子量要分布在一定方圍內，因為同一聚合物，在其他條件相同時，冷卻曲線的形狀與分子量密切有關。如PAG是很多供應廠家推出的品種，但PAG只是有機聚合物的一個名稱，它的分子量從幾百到上萬，其物態從液體到固體，其他物理化學指標亦十分分散。各廠家供應的PAG不盡相同。但是PAG的平均分子量在什么范圍內最適合做淬火劑，缺少了解和研究。所以不能一說PAG就意味著它是很好的淬火介質。生產PAG的廠家，由于配方和聚合工藝的不同，生產出的PAG，其分子量的大小差別很大。

3， 具有比較理想的冷卻特性；即由淬火溫度，或由預冷溫度到Ar1附近，即所謂的高溫區，介質對零件應具有緩慢的冷卻速度，以防止熱應力過大而引起零件變形。在奧氏體最不穩定的范圍，即C--曲線的鼻部溫度附近或所謂的中溫區，介質對工件應用足夠的冷卻速度，以防止過冷奧氏體轉變成非馬氏體組織。在馬氏體轉變溫度范圍內，即所謂的低溫區，介質對零件的冷卻速度應當緩慢，以防止造成過大的組織應力和熱應力的疊加值，導致零件的開裂。比較理想的冷卻特性與恰當的選擇濃度有關。某一品種淬火介質，在不同濃度時，冷卻特性是不同的。

4，淬火介質來源方便、便宜、性質穩定和帶耗少，經濟性和可靠性要高；有的淬火劑如聚乙烯醇（PVA）來源方便，價格也便宜，但化學性質不穩定，它的水溶液在工件高溫受熱和機械攪拌外力作用下容易變質，甚至出現異味。有的淬火介質如聚二醇（PAG）,雖然工件表面形成隔離膜，能在工件表面溫度低于逆溶溫度后，慢慢回溶到液體中，但工件淬火時通常要帶溫出水，所以帶耗大。聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）不僅帶耗大，還在工件冷卻后于表面形成硬殼膜。有的品種是表面活性物質，如PAG、PEO(聚氧化乙烯)在攪拌時極易形成泡沫，必須再加入消泡劑加以解決。這種類型的淬火介質，通常抗微生物的能力差，由于微生物的混入，在夏天或長時間不用容易發臭變質，只好加入防腐劑來解決。

5，無毒、無害、無味、無煙霧、無污染；不腐蝕工件、工件和工裝且易清洗。對黑色金屬和有色金屬淬火冷卻，應相應控制不同的酸堿度。

作者：南京洲聯