淬火介質是影響淬火工藝及零件質量的關鍵因素之，正確選擇和合理使用淬火介質，可以減少工件變形，防止開裂，保證達到所有要求的組織和力學性能，目前大型鑄鍛件和機器零件，淬火介質主要為水和淬火油。用水淬火時，工件會產生巨大的應力，造成開裂和變形等。油淬火雖然對減少工件變形和開裂有利，但在高溫區冷卻能力低，工件淬透性較差，尺寸較大工件淬火不硬，且產生的煙塵嚴重污染環境，容易發生火災。而水溶性淬火介質，主要成分是高分子有機聚合物。這類淬火介質通過改變濃度，溫度和攪拌方式，能使冷卻能力在較大范圍內變化，具有介于水和油之間的冷卻能力。所以外對聚合物水溶液淬火介質，有“萬 能”淬火介質的美譽，在外，聚合物淬火介質的應用已有 50 多年的歷史，是目前世界上應用廣泛的環保不可燃淬火介質。淬火介質進入中熱處理市場也有近 30 年的歷史了，聚合物淬火介質的外品，典型的有好高頓AQ251，陶氏 UCON 系列以及德潤寶 F2000 等。為內熱處理工作者所熟知。到目前為止，對聚合物介質的研究和應用的文獻多達數百篇。因此在技術上早已進入成熟期，廣大用戶不應該有任何的疑慮。去年丁得剛教授將 Totten  教授的《 Handbook  of Quenchants  and  QuenchingTechnology》書五章“聚合物淬火介質”譯成中文，約 13000 字，引起業內家關注。另外，陶氏公司的《UCON 淬火介質用戶手冊》有 A4 紙42 頁，對產品的性質，使用方法及應用實例，有詳盡的說明，體現了外廠商以用戶為中心的經營理念，值得我們仿。上世紀 90 年代末以來，內生產的聚合物介質的質量已經趕上際水平，也很快分享到內市場。近年來，洛陽金潤寶科技公司開發了新代聚合物淬火介質，引人注目。本文主要介紹內聚合物淬火介質在鑄鍛件和機器零件在熱處理上的應用實例，其目的是進步推動聚合物介質代替淬火油的步伐。同時，本2文對聚合物淬火介質優點，聚合物淬火介質的冷卻機制，聚合物結構對淬火機理的影響，聚合物淬火介質代替油的經濟性等，也作了論述。
　　聚合物淬火介質的優點
　　聚合物淬火液的優點表現在環保、生產和技術等方面。
　　1）環保優點
　　（1）消除火災危險。
　　（2）清潔、安的工作環境。淬火或回火過程中無煙霧，地面無油污。
　　2）技術優點
　　（1）冷卻速度靈活可調。通過改變濃度、溫度和攪拌，能在相當大范圍內調節冷卻速度，適應不同材料和不同厚度工件的淬火冷卻要求。
　　（2）減少軟點。聚合物具有潤濕性，避免感應淬火過程中水冷因穩定蒸汽膜而產生的淬火軟點。
　　（3）減少應力及變形。均勻致的聚合物膜可減少伴隨水冷出現的較大溫度梯度及殘余應力，減少變形。對鋁合金固溶處理，減少變形的作用尤為突出。
　　（4）更能包容水分混入。只要不嚴重影響濃度，可以容許相對較大量水分存在。而淬火油即使混入微量水分，也會造成軟點、變形甚至開裂。
　　3）生產優點
　　（1）降低成本。稀釋使用，所以次投入成本低于油，而且聚合物淬火液粘度通常比油低，帶出量和添加量會有所減少。
　　（2）易于清洗。殘留聚合物會在高溫下完分解，形成水蒸氣及二氧化碳。工件可直接回火，不必用堿清洗或蒸汽脫脂，降低工序成本。低溫回火或時處理時，殘留聚合物不能完分解，可用清水方便地清洗去除。
　　（3）降低淬火過程的槽液溫升。聚合物淬火液比熱容幾乎是淬火油的兩倍，對相同淬火量而言，溫升大約只有油的半。另外，據報道，礦物油對地下水污染長達 100 年之久，僅 0.1 克的礦物油，就能降低海水中小蝦的壽命達 20%。礦物淬火油，在淬火中會發出碳氫化合物-多環芳烴，多環芳烴是重要的環境和食品污染物，其中苯丙芘是強致物，長期接觸苯丙芘，除能引起肺外，還會引起消化道，膀
　　胱，乳腺等。礦物淬火油的殘渣也 具危害性，在際上被列為危險污染物，在我 2008 年“家危險廢物名錄”明確將礦物淬火油殘渣列入其中，礦物淬火油屬于對健康和生態有嚴重危害的淬火介質，其廢棄物屬于長期影響的污染物。由以上分析可見，用水溶性聚合物淬火介質取代淬火油的確到了刻不容緩的時候。
　　兩年前，內家淬火槽制造廠收到家外資企業的詢價單，其中要求制造三臺大型淬火槽：分別是清水槽，冷卻性能與油相同的聚合物水溶液槽和 15%PAG 聚合物水溶液槽，已經明確要求不用礦物淬火油。這份詢價單，對于內大企業的淬火油槽的技術改造具有指導意義。
　　聚合物淬火介質的冷卻機制
　　把聚合物水溶液代替淬火油當做淬火介質的主要驅動力，是因為它沒有火災風險，沒有煙塵和合乎環保要求。油是很粘稠的，比水有更高的沸點，熱交換理論告訴我們，油所以能減少裂紋傾向，是因為它具有高的粘度，從而降低了熱交換系數，對于許多鋼而言，減少了馬氏體形成區的冷卻速度（熱交換率是隨著粘度的增加呈指數遞減的）。同樣的邏輯，被用于聚合物淬火介質的開發，用以替代油。
　　我們知道，多種聚合物是有的稠化劑，經過多年的研究，聚烷氧化物通常叫聚烷撐乙二醇（PAG），搶占了人造淬火介質的 大市場份額。上述聚合物具有的逆溶性（通常稱為濁點應）。它在室溫下完溶于水，呈清澈的均勻水溶液，而在高溫下，聚合物在水中析出呈不溶解相，當冷卻下來時，聚合物又重溶于水，再次形成均勻水溶液。這個過程是完可逆的。根據上述機理，當熱金屬淬入聚合物淬火介質水溶液時，液狀聚合物膜會包圍，沉積在熱金屬表面，該金屬冷卻速率就部分通過富含聚合物膜的熱傳導性得到控制。聚合物介質的濃度決定了這層膜的厚度（濃度越大，膜越厚，冷卻速度越慢），所以調節介質的濃度，使聚合物淬火介質的冷卻速度在很寬范圍內變化，可以從水到慢速淬火油。
　　聚合物結構對淬火機理的影響
　　如果將只金屬探頭加熱到奧氏體化溫度（即 850℃），然后將它浸入淬火介質中，則淬火介質的溫度/時間曲線和溫度/冷卻速度曲線被記錄下來，冷卻曲線能反映出淬火過程中在不同的溫度階段的淬火介質冷卻能力。對于聚合物淬火介質而言，利用冷卻曲線所顯示的水溶液冷卻性，決定在生產中采用何種類型的聚合物。

　　圖1 是常見淬火過程典型的溫度/時間曲線。個冷卻曲線通常具有三個區域，傳統上命名為 A 期、B 期和 C 期。

　　圖 1 冷卻曲線的三個階段

　　圖 2 lnconel 600 探頭在靜止狀態下的冷卻曲線，介質溫度 40℃。其中：（a）PAG(聚烷撐乙二醇)，（b）PVP（聚氧化吡咯烷酮）。

　　圖 3 lnconel 600 探頭在靜止狀態下的冷卻曲線，介質溫度 40℃。其中：（c）PEOX（聚乙烯惡唑啉），（d）PSA（聚苯烯酸鈉）。
　　A期冷卻區域，在熱金屬表面形成了層蒸汽膜。繼續冷卻過程，從A期到B期出現個過渡階段。B 期冷卻是經過核沸騰完成的，這是淬火過程中冷卻快的區域。當探頭溫度低于淬火介質沸點時，C 期冷卻開始，在該點沸騰停止，探頭的冷卻主要靠介質的傳導與對流而減慢，這時稱為對流傳熱期。
　　淬火介質，無論是油、水、聚合物水溶液，其冷卻機理的改變，起決定作用的是熱金屬表面上液體和蒸汽膜性的影響。為了證明這個這個問題，對 4 種主要聚合物淬火介質：PAG、PVP、PEOX 和 PSA 的 A、B、C三個冷卻階段進行了研究，具體辦法是對 lnconel 600 探頭淬入介質后，在它的金屬和溶液界面上發生的現象進行照相。圖 2（a）、（b）、（c）、（d）分別表示了這些照片被疊加到真實的冷卻曲線上。圖 2 中部曲線是在靜止的濃度為 20%的聚合物水溶液中測定的。這研究結果不能被過度解釋。因為每種淬火介質在介質溫度、濃度和攪拌條件變化的條件下，淬火行為會在很大的范圍內變化。這些圖簡單地說明，在熱金屬界面上，聚合物膜形成的性能是不同的。
　　如圖 2 所示的每種聚合物水溶液，在 A 期冷卻階段，在金屬圓棒周圍形成層蒸汽膜。很明顯，該膜的性質（如強度、厚度、粘度等）控制該區的冷卻過程。
　　在繼續冷卻過程中，出現個突變過程，蒸汽膜破裂，這不是核沸騰（如傳統上所描述的），因為有的膜的強度影響沸騰過程。例如，PSA和 PVP 淬火介質的冷卻先是膜破裂引起的。PSA 出現膜破裂比起 PVP伴隨有很多較小對膜的損傷，至少存在于這次測試不攪拌條件下。PEOX淬火介質同樣經歷膜破裂過程，但是破裂出現伴隨有部分聚合物釋放到溶液里，因為聚合物不溶解性引起溶液的渾濁，這是由于膜的溫度高于聚合物濁點。PAG 淬火介質不形成連續的膜，也不出現膜的破裂。同 PVP、PSA 及PEOX 比較，PAG 在冷卻行為上的差異或許是因為它低的分子重量和低的聚合物膜強度。另外，溶液渾濁是因為該區溫度高于共聚物濁點的結果。
　　在連續冷卻過程中，PVP 和 PSA 的膜破裂并保留在探頭上。PEOX 部分不溶物可能被觀察到，因為界面上溫度降到低于分離溫度。PAG 聚合物會幾乎完再次溶解到槽內，因為界面溫度降到低于濁點。
　　在C 期冷卻過程中，通過保留在工件表面上聚合物膜的傳導熱（或者是對流或者是傳導）的能力是該區控制熱轉移的主要因素之。聚合物水溶液的粘度是個因素，當溶液粘度增加時，熱轉移率就會降低。非常高的溶液粘度，典型地大于 10～12Cst。當淬火過程結束，工件從槽中取出時，導致大量的聚合物帶出。
　　各種聚合物膜的性質和它們在冷卻過程中對熱狀態的反應，彼此之間是非常不同的。圖 2 表明，聚合物膜的強度可以是強的（如 PVP 和 PSA），弱的（如 PAG）或者是中等的（如 PEOX）。此外，膜的性也隨著金屬界面至主體溶液距離而變化。隨之而來，熱交換也在這種狀態下而變化。
　　聚合物淬火介質代替淬火油的經濟性姜聚滿等人對聚合物淬火介質代替淬火油的經濟性進行分析。

　　表 1 是 PAG 水溶性淬火介質、淬火油每噸工件的介質消耗量。

介質名稱	生產每噸工件消耗介質量 Kg		處理成本 元/噸
	經驗值	實際值
PAG 水溶液	<3	0.42	10.92
淬火油	5～10	6.57	98.55

　　分析表 1 可見，PAG 淬火介質的成本只有淬火油的 1/10，按現有平均價計算（2011 年），生產每噸工件采用 PAG 水溶性淬火介質成本：
　　0.42×26 元/Kg=10.92 元，淬火油成本：6.57×15 元/Kg=98.55 元，PAG 介質成本只有淬火油的 11.08%，每噸節省 87.63 元。如果 50 噸淬火槽用淬火油需 75 萬元（50×1.5），用 PAG 水溶液（10%濃度）只需 13 萬元（50×10%×2.6）即可節省 60 多萬元。對企業經營者來說，可大大降低次性投入。如果每年達到 50%用 PAG 水溶液代替淬火油，則在“十二五”期間，每年節省費用 6.1 億元，經濟益和社會益十分驚人。