一种新型热处理用淬火介质
阅读说明：本技术 一种新型热处理用淬火介质 (Novel quenching medium for heat treatment ) 是由 闵学刚 祁卫东 张钦霞 贾砚林 王林烽 胡勇 田俊玲 陈阿平 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：一种新型热处理用淬火介质,该淬火介质包含液相和固相,淬火介质中固相的体积分数为0.01％～90％,且固相在液相中处于被浸润状态；所述液相为液态或熔融态淬火液,固相为单质、化合物粉末或颗粒,且固相与液相导热系数之比≥1.5。本发明所述淬火介质结合了固相颗粒的高导热性和液相优异的流动性,可以灵活调节淬火介质的综合导热系数,大大扩展淬火介质的热传导能力范围,提高对不同尺寸工件的热处理加工能力和灵活性。(A novel quenching medium for heat treatment comprises a liquid phase and a solid phase, wherein the volume fraction of the solid phase in the quenching medium is 0.01-90%, and the solid phase is in an infiltrated state in the liquid phase; the liquid phase is liquid or molten quenching liquid, the solid phase is simple substance, compound powder or particles, and the ratio of the heat conductivity coefficient of the solid phase to the heat conductivity coefficient of the liquid phase is more than or equal to 1.5. The quenching medium combines the high thermal conductivity of solid-phase particles and the excellent liquidity of a liquid phase, can flexibly adjust the comprehensive thermal conductivity coefficient of the quenching medium, greatly expands the range of the thermal conductivity of the quenching medium, and improves the heat treatment processing capacity and flexibility of workpieces with different sizes.)
技术领域
本发明属于金属制品热处理技术领域，具体涉及一种新型热处理用淬火介质。
背景技术
淬火介质通常是单相液态，即淬火液，是国内外广泛应用的金属材料热处理淬火时使用的冷却介质，各类钢厂、钢丝厂、钢绳厂、钢件厂等，最常用的钢丝淬火液有水基淬火液、油基淬火液、熔融盐、熔融金属等。
水是最经济的淬火介质，其化学稳定性高，热容量较大，在300℃附近冷却能力很好，但在高温区的冷却能力并不强，这是纯水极少使用的原因。通常会在水中加入一些溶剂，形成水基淬火液淬火使用，如盐水、碱水、饱和氯化钙、三硝水溶液、有机高分子水溶液等。
油的冷却能力比水弱，但仍具有足够的冷却能力，而且，油温升高时对淬火能力影响不大，是比较理想的淬火介质。但是，油的冷却速度较缓慢，使用有一定的局限性。为改善油的冷却能力，可加入如磺酸钠等添加剂，添加剂可粘在钢丝表面成为形成蒸汽泡的质点，使稳定蒸汽膜不易形成，提高了高温区的冷却能力，称为“快速淬火油”。
熔融热浴是指在熔盐、熔融金属等熔融物质中进行的淬火冷却。如熔盐淬火，是指用熔融硝酸钠、硝酸钾等盐类盐液作为介质、将钢丝浸入盐液内淬火。盐浴炉的导热速度快，温度均匀，钢丝始终处于盐液内，钢丝出炉时表面附有一层盐膜，能防止钢丝表面氧化和脱碳。熔融盐虽然导热系数比熔融金属小，但熔融盐比熔融金属密度小，更有利用进行搅动传热，从而可以达到与铅浴、铋浴同样的冷却效果，因此使用也比较多。
不同基淬火介质的导热系数根据成分不同大概如下：水基淬火液的导热系数约为0.5-0.8W/(m·K)，油基淬火液的导热系数约为0.1-0.5W/(m·K)，熔融盐的导热系数约为0.4-0.9W/(m·K)。不同的熔融金属有不同的导热系数，比如，熔融铅大概为5.53W/(m·K)，熔融铋大概为13W/(m·K)，等等。这些淬火介质导热系数的范围都相对比较窄或者固定，例如，直径5～20mm的高碳钢盘条或者合金钢盘条通过拉拔工艺被加工成桥梁钢丝、弹簧钢丝、钢帘线钢丝、金刚线钢丝等各种钢丝产品。当前工艺水平最细可以拉拔到0.04mm，最高减面率达99.9936％。盘条的热处理、拉拔过程中的中间品的热处理，其热处理工艺决定了钢丝的内部组织。当前公认最适于拉拔的组织为珠光体、索氏体，只有通过热处理工艺很好地调控钢丝淬火后为以上组织时，才能在钢丝后续拉拔中正常生产无断丝，并达到需要的强度和塑性指标。而热处理工艺的调控，最重要的就是通过调控淬火介质的淬火能力来实现，因此如何提高淬火介质的热传导可调范围是现在亟待解决的问题。
对于产品形式多样、客户需求不同的淬火工艺来说，每条热处理淬火线一旦设计安装，产品的规格和淬火效果就相对固定下来，可调节的空间不大，具有很大的限制性。例如，一条设计能力为的熔融盐浴淬火线，由于淬火液的热传导速度有限，则很难淬透及以上的钢丝。想要淬透及以上的钢丝，需要热传导更快的淬火条件。
中国专利CN111004898A公开了“一种类油性的水溶性淬火液及其制备方法”，其提出的类油性的水溶性淬火液，应用范围更广，可以通过调整浓度，得到不同的冷却速度，比其他聚合物类有更小的变形，可以用于高淬透性材料或尺寸较小的合金材料淬火冷却，取代矿物油用于淬火消除了火灾隐患，安全性更高。
中国专利CN102978357A公开了“一种超高碳钢的水性淬火剂”，适合超高碳钢淬火时使用，淬火后的超高碳钢获得的组织为超细马氏体，使超高碳钢具有良好的耐磨性和抗疲劳性。
中国专利CN105274292A公开了“一种中低碳钢水-沙淬火介质及其淬火工艺”，该发明所述水-沙淬火介质进行中低碳钢的淬火工艺，可以有效地防止淬火软点的发生，提高硬度；有效的去除水在高温下汽化形成的蒸汽膜，在淬火工艺过程中的不同温度区域，控制冷却速度，防止工件变形或开裂。该发明所述的水-沙淬火介质容易获得，价格便宜；淬火保温时间更短，具有节约能源、经济、环保的特点。
现有技术中多是对单相淬火液进行改进，或对热处理淬火方法进行改进。尚未有涉及到利用固液两相不同导热系数来调控淬火介质综合导热系数的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型热处理用淬火介质，所述淬火介质导热系数可在较大范围内进行调控，大大扩展淬火介质的热传导能力范围，提高对不同尺寸产品的热处理加工能力和灵活性。
为达到上述目的，本发明的技术方案：
一种新型热处理用淬火介质，所述淬火介质包含液相和固相，所述淬火介质中固相的体积分数为0.01％～90％，且固相在液相中可处于被浸润状态；所述液相为液态或熔融态淬火液，固相为单质、化合物粉末或颗粒，且固相与液相导热系数之比≥1.5。
优选的，所述淬火液为水基淬火液、油基淬火液、熔融盐或熔融金属。
优选的，所述固相为Al粉末或颗粒、Cu粉末或颗粒、石墨粉末或颗粒、钻石粉末或颗粒、SiC粉末或颗粒、Si3N4粉末或颗粒、Ag粉末或颗粒、Au粉末或颗粒、Si粉末或颗粒、Ca粉末或颗粒、WC粉末或颗粒、BeO粉末或颗粒、AlN粉末或颗粒、MWCNT粉末或颗粒中的一种或多种。
优选的，所述淬火介质中固相的体积分数为5％～70％。
优选的，所述固相在液相中均匀分布。
优选的，所述固相与液相分层。
优选的，使用时充分搅拌所述淬火介质，使固相在液相中均匀分布。
本发明在液态或者熔融态淬火液中加入导热性能好的金属或非金属粉末或颗粒，形成了由固相和液相两相组成的淬火介质。该淬火介质结合了固相的高导热性和液相的优异流动性，通过调节固相的体积分数，灵活设计淬火介质的综合导热系数，大大扩展了淬火介质的热传导能力范围，实现导热系数可调控，提高对不同尺寸工件的热处理加工能力和灵活性，达到更优的淬火效果。
各介质的导热系数对比如下：
熔融盐(硝酸钠和硝酸钾盐)的稳态导热系数为0.52W/(m·K)，水的导热系数为0.7W/(m·K)，熔融铅的导热系数为5.53W/(m·K)，熔融铋的导热系数为13W/(m·K)，固态铅的导热系数为34.8W/(m·K)，Al的导热系数为237W/(m·K)，Cu的导热系数为401W/(m·K)，SiC稳态导热系数为83.6W/(m·K)，钻石的导热系数为2300W/(m·K)。
当固相与液相混合，固相所占体积分数比较小时，固相颗粒在液相中分布比较分散，其颗粒之间被液相分开；当固相所占体积分数增大时，固相颗粒在液相中开始互相接触，可以形成一定的导热链，混合物的热导率开始迅速上升；随着固相体积分数继续增加，液相无法浸润固相颗粒，混合物变成固液气三相体系，其热导系数反而下降。因此，可以通过调整固液两相的体积分数，来调整淬火介质的导热系数，以满足实际要求的淬火条件及组织要求。
在利用导热模型模拟体系导热系数的过程中：
当固相颗粒体积分数小于20％时，Maxwell模型简单并能较好地拟合混合物导热系数，数学表达式为：
当固相体积分数≥20％时，Agari模型能更好的符合估计，数学表达式为：
lgλ＝0.85υ2lgλ2+υ1lgλ1
式中，λ为两复合材料的等效导热系数；υ1，υ2分别为组分1和组分2的体积分数；λ1，λ2分别为组分1与组分2的导热系数。
因此，固液两相混合物的导热系数可根据需要进行调配，以达到实际要求的淬火条件及组织结果。
本发明的有益效果：
1、本发明在不同的淬火液中加入导热性能更好的金属或非金属固相物质粉末或颗粒，通过调节淬火介质中固相颗粒的体积分数，实现淬火介质导热系数在较大范围内的调控，大大扩展淬火介质的热传导能力范围，混合后的热传导能力是原淬火液的1～200倍不等，提高对不同尺寸产品的热处理加工能力和灵活性。
2、本发明的淬火介质在实际生产中更加经济、实用，且便于操作，不需要大规模改造淬火线，就能够实现不同尺寸工件的热处理，满足不同产品组织及工艺要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
所述淬火介质包含液相和固相，所述淬火介质中固相的体积分数为0.01％～90％，优选的，5％～70％；
所述液相为液态或熔融态淬火液，固相为单质、化合物颗粒，且固相与液相导热系数之比≥1.5。
本发明实施例具体淬火介质组成及性能参见表1。
由表1得出，按照本发明所述成本制备得到的淬火介质，其导热能力较原淬火液提高了1～200倍不等，说明通过调节固相颗粒的体积分数，淬火介质导热系数可在较大范围内的调控，大大扩展淬火介质的热传导能力范围。
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