专利名称：：高分子淬冷液、其制备方法,以及钢材淬冷的方法高分子淬冷液、其制备方法，以及钢材淬冷的方法
技术领域：
：本发明涉及淬冷液，且特别涉及一种可调控淬冷曲线的高分子淬冷液。
背景技术：
：在钢铁治金工业中，为了提高材料的各种特性通常会对材料施以热处理的治金程序，在治金过程中，包括对钢材加热至800至IOO(TC，在此温度中进行热均质，并利用适当的淬冷介质进行钢材的淬冷。淬冷是一种利用含淬冷介质的淬冷液快速冷却高温钢材的步骤，其中此淬冷介质可吸收大量的热能，可以为例如空气、水、卣水、油或聚合物溶液。而在传统的治金工业中，最常使用的淬冷介质为水或油，其中水或卤水具有使用方便、便宜、无毒等优点，但其冷却过程最为激烈，产品硬度最大，容易产龟裂畸变，而油的淬冷速率较慢，所以钢材较软，但油的成本较高，且长期使用，淬冷油会分解，产生易燃油气而引发火灾，且在操作的过程中产生大量烟雾，影响安全。目前各国钢铁加工业发展出一种有机高分子淬冷液，其同时具有油的淬冷速率及水的安全性，且不会像油一样容易发生火灾、烟雾以及环保问题。因此，目前有机高分子淬冷液被广泛地使用。然而，因为淬冷液的淬冷效果与其淬冷速率、阻绝特性、比热、黏度及热传导性有关，因此为了获得各种特性的钢材，需要各种不同性质的淬冷液。虽然有机高分子淬冷液同时具水淬冷液及油淬冷液的优点，但仍然无法满足业界的需求，因此需要一种可调控淬冷曲线的新型淬冷液。
发明内容本发明提供一种高分子淬冷液，包括纳米无机粉体、水溶性聚合物及水，其中该纳米无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比为0.05-5:1-5:100。本发明另提供一种高分子淬冷液的制备方法，包括提供纳米无机粉体，且将该纳米无机粉体均勾分散于水中，以及加入水溶性聚合物至该含纳米无机粉体的水中以形成高分子淬冷液，其中该纳米无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比为0.05-5:1-5:100。本发明还提供一种淬冷钢材的方法，包括提供钢材；热处理该钢材，以及将该钢材置于上述淬冷液中进行淬冷程序，在该淬冷程序中，最大淬;令速率的温度(temperatureofmaximumcoolingrate)大于600°C，300°C的浮;令速率(coolingrateat300。C)小于30°C/sec。为了使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下图1为比较例1淬冷液的淬冷曲线，横轴分别代表时间及冷却速率，纵轴代表温度，其显示300°C的淬冷速率并未明显改变。图2为比较例2淬冷液的淬冷曲线，横轴分别代表时间及冷却速率，纵轴代表温度，其显示300°C的淬冷速率并未明显改变。图3A-3B为实施例1淬冷液的淬冷曲线，横轴分别代表时间及冷却速率，纵轴代表温度，其显示最大冷却速率及300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低。图4为实施例2淬冷液的淬冷曲线，横轴分別代表时间及冷却速率，纵轴代表温度，其显示最大冷却速率及300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低。图5为实施例3淬冷液的淬冷曲线，横轴代表时间，纵轴代表温度，其显示300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低。图6为实施例4淬冷液的淬冷曲线，横轴代表时间，纵轴代表温度，其显示300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低。图7为实施例5淬冷液的淬冷曲线，横轴代表时间，纵轴代表温度，其显示300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低。具体实施方式本发明系提供一种高分子淬冷液，包括纳米无机粉体、水溶性聚合物及水，此高分子淬冷液可调控钢材的冷却速率、强度、硬度及淬冷曲线。本发明中所述的无机粉体可为层状黏土的粉末，包括，但不限于，滑石(talc)、绿土黏土(smectiteclay)、蛭石(vermiculite)、多水高岭土(halloysite)、纟^云母(sericite)、急石(saponite)、蒙脱石(montmorillonite)、贝寸呆石(beidellite)、绿脱石(nontronite)、云母(mica)、水辉石(hectorite)或上述的组合。应注意的是，不同的无机粉体会具有不同的效果。无机粉体的尺寸介于0.210jiim之间，优选介于0.2~5.0ium之间，4吏无机粉体可充分地分散于淬冷液中，以增加淬冷液的黏度及热传导阻绝效果。本发明中所述的水溶性聚合物为一种水溶性的高分子聚合物。水溶性聚合物可为一般常用于淬冷的有机高分子，包括，但不限于，聚亚烷基二醇(polyalkyleneglycol)、聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)或聚丙烯酸盐(polyacrylate)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烷基噁唑啉(PEOX)、聚醚(PAO)、聚乙二醇(Poly(ethyleneglycol)、聚乙烯亚胺(PEI)或上述的组合。本发明的高分子淬冷液包括纳米无机粉体、水溶性聚合物及水，其中无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比可为0.05-5:1-5:100,优选为0.05-3:2-4:100,且各成份的重量比可依使用情况而改变。本发明的高分子淬冷液可通过改变各组成的重量比来改变高分子淬冷液的特性，例如，热传导及阻绝效果。在一实施例中，本发明的高分子淬冷液还包括加入功能性添加剂，如，三乙胺(triethylamine)或三乙醇胺(triethanolamine)，以增加淬冷液的才几能，功能性添加剂的重量百分比为0.5至10。例如，添加抗诱蚀添加剂以减少钢材锈蚀的机率。本发明可利用不同种类的无机粉体来增加淬冷液的热传导及阻绝效果，也可通过改变无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比例来获得不同淬冷特性的淬冷液。因此本发明的淬冷液可有效地调控钢材的冷却速率、韧性、强度及硬度等，以获得各种特性的钢材。请参照表一所示，相比于一般传统的淬冷介质，本发明的高分子淬冷液具有许多优点，例如，无毒性、可回收等。本发明另提供一种高分子淬冷液的制备方法，包括(a)提供纳米无机粉体，且将该纳米无机粉体均匀分散于水中，以及(b)添加水溶性聚合物至该含纳米无机粉体的水中以形成高分子淬冷液。此外，在步骤(a)中，可进行加热程序，以加速无机粉体分散于水中。在另一实施例中，还包括在(b)步骤后添加抗诱蚀等功能性添加剂至高分淬冷液中，以增加淬冷液的机能。本发明还提供一种钢材淬冷的方法，包括(a)提供钢材，(b)热处理该钢材，以及(c)将该钢材置于本发明的淬冷液中以进行淬冷程序，在该淬冷程序中，该钢材的最大淬冷速率(maximumcoolingrate)为60~160°C/sec，优选为80160°C/sec,最大淬冷速率的温度大于500°C,优选大于600。C，300°C的淬冷速率小于30。C/sec,较佳小于25。C/sec。本发明的钢材淬冷的方法系使用上述高分子淬冷液，通过改变淬冷液的组成及比例来调整淬冷程序中的淬冷曲线参^L，例如，最大淬冷速率、最大淬冷速率的温度、初始沸腾温度(Temp.atStartofBoiling)、300°C的淬冷速率等。一般钢材的淬冷曲线可分为蒸汽膜、沸腾及对流三个阶段，且为了获得硬度高、无淬裂及变形的钢材需满足以下两个条件l.在钢的Ms点温度以上冷得较快以避免变形，2.在钢的Ms点温度以下冷得较慢以避免淬裂。而所谓的Ms点温度即为过冷沃斯田铁(Austenite)变为麻田散铁(Martensite)的温度，大约为200至30(TC左右。本发明的高分子淬冷液可满足上述条件，当淬冷液中的纳米无机粉体含量增加及/或水溶性聚合物含量增加时，可降低最大淬冷速率及300°C的淬冷速率，而增加最大淬冷速率的温度，因此可获得具良好性质的钢材，也就是说淬冷速率随着温度的下降而逐渐缓和。此外，本发明也可利用调整淬冷液的组成及比例来获得各种不同特性的钢材。实施例ASTMD6482模拟分析比较例1.无机粉体含量对淬冷曲线的影响将无机粉体PK812(百康纳米科技公司)均匀分散于水中，使无机粉体PK812的浓度分别为1wt%、2wt%、3wt。/。及5wt%。依ASTMD6482冷却曲线分析法以IVFSmartQuench(IVFIndustrialR&DCorporation)测量其冷却特性。请参照图1及表一，最大冷却速率及最大冷却速率的温度会随着无机粉体的增加而降低，但300。C的淬冷速率并未明显改变。表一、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>比较例2.高分子含量对淬冷曲线的影响本实施例的流程与比较例l相同，仅将淬冷液改为5wt%、10wt%、15wt%、20wt。/。及25wt。/o的SQ1500高分子淬冷液(基立公司产品SQ高分子淬冷液)，且不含无机粉体。请参照图2及表二，最大冷却速率及300°C的淬冷速率会随着SQ1500高分子聚合物的增加而降低(由90。C/秒降至2(TC/秒)，但最大冷却速率的温度并未明显改变。表二、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例1.无机粉体对淬冷曲线的影响本实施例的流程与比较例1相同，仅将淬冷液改为含有15wt%SQ1500高分子及分别含有5wt%、10wt%、15wt%、20wt。/。及25wt。/。的无机粉体PK812。请参照图3A-3B及表三，最大冷却速率及300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低，而形成对流的起始温度(temperatureatstartofconvection)由420。C提高至670°C以上，且最大冷却速率的温度会随着无机4分体的增力口而增力口。表四、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例2.无机粉体与高分子含量对淬冷曲线的影响本实施例的流程与比较例l相同，仅将淬冷液改为含有15、20及25wt%SQ1500高分子及分别含有0.5wt。/。及1.0wt。/。的无机粉体PK812。请参照图4及表四，最大冷却速率及300°C的淬冷速率会随着无机粉体PK812的增加而降低，而最大冷却速率的温度会随着无机粉体的增加而增加。表四、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>实际钢种的分析实施例3.无机粉体含量对淬冷曲线的影响将直径10mm，长度100mm的50CrMo4钢材置于特定调配的淬冷液，并以实验室自组装类似ivfsmartquench设备4义器测试50CrMo4钢材的淬冷曲线。本实施例的淬冷液含有2wt。/。的FQ2000(Petrofer2000)高分子(德国Petrofer产品的高分子淬冷液)及0wt。/。至1wt。/。的PK812无机粉体(百康纳米科技公司)，各成份如表六所示。淬冷液的黏度随着无机粉体的浓度增加而增加。请参照图5及表五，300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低(淬冷曲线逐渐緩和)。表五、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>实施例4.无机粉体含量对淬冷曲线的影响本实施例的流程与实施例3相同，仅改变无机粉体的种类及浓度。无机粉体改为PK811A(百康纳米科技公司)，浓度改为0wt。/。至0.75wt%,各成份如表六所示。淬冷液的祐度会随着无机粉体的浓度增加而增加。请参照图6，300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低(淬冷曲线逐渐緩和)。表六、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>实施例5.无机粉体含量对淬冷曲线的影响本实施例的流程与实施例3相同，仅改变无机粉体的种类及浓度。无机粉体的种类及浓度如表八所示。请参照图7，300°C的淬冷速率会随着无机粉体的增加而降低(淬冷曲线逐渐緩和)。表七、本实施例淬冷液的淬冷特性<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意的更改与润饰，因此本发明的保护范围应以所附权利要求限定的范围为准。权利要求1.一种高分子淬冷液，包括纳米无机粉体、水溶性聚合物及水，其中该纳米无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比为0.05-5∶1-5∶100。2.如权利要求1所述的高分子淬冷液，还包括功能性添加剂。3.如权利要求2所述的高分子淬冷液，其中该功能性添加剂包括三乙胺或三乙醇胺。4.如权利要求1所述的高分子淬冷液，其中该无机粉体包括多种不同种类的无机粉体。5.如权利要求1所述的高分子淬冷液，其中该无机粉体包括滑石、绿土黏土、蛭石、多水高呤土、绢云母、急石、蒙脱石、贝保石、绿脱石、云母、水辉石或上述的组合。6.如权利要求1所述的高分子淬冷液，其中该水溶性聚合物包括聚亚烷基二醇、聚乙烯基吡咯烷酮或聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烷基噁唑啉、聚醚、聚乙二醇、聚乙烯亚胺或上述的組合。7.—种高分子淬冷液的制备方法，包括提供纳米无机粉体，且将该纳米无机粉体均勻分散于水中，以及加入水溶性聚合物至该含纳米无机粉体的水中以形成高分子淬冷液，其中该纳米无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比为0.05-5:1-5:100。8.如权利要求7所述的高分子淬冷液的制备方法，还包括添加功能性添加剂。9.如权利要求8所述的高分子淬冷液的制备方法，其中该功能性添加剂包括三乙胺或三乙醇胺。10.如权利要求7所述的高分子淬冷液的制备方法，其中该无机粉体包括多种不同种类的无机粉体。11.如权利要求7所述的高分子淬冷液的制备方法，其中该无机粉体包括滑石、绿土黏土、蛭石、多水高岭土、绢云母、急石、蒙脱石、贝保石、绿脱石、云母、水辉石或上述的组合。12.如权利要求7所述的高分子淬冷液的制备方法，其中该水溶性聚合物包括聚亚烷基二醇、聚乙烯基吡咯烷酮或聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烷基噁唑啉、聚醚、聚乙二醇、聚乙烯亚胺或上述的组合。13.—种淬冷钢材的方法，包括提供钢材；热处理该钢材，以及将该钢材置于如权利要求1所述的淬冷液中以进行淬冷程序，在该淬冷程序中，最大淬冷速率的温度大于500°C,300°C的淬冷速率小于30°C/sec。14.如权利要求13所述的淬冷钢材的方法，其中在该淬冷程序中，该钢材的最大淬冷速率为60-160°C/sec，最大淬冷速率的温度大于500°C,30CTC的淬冷速率小于30°C/sec。15.如权利要求13所述的淬冷钢材的方法，其中该淬冷液还包括功能性i^力口剂。16.如权利要求15所述的淬冷钢材的方法，其中该功能性添加剂包括三乙胺或三乙醇胺。全文摘要本发明系提供一种高分子淬冷液，包括纳米无机粉体、水溶性聚合物及水，其中该纳米无机粉体、水溶性聚合物及水的重量比为0.05-5∶1-5∶100，可通过改变淬冷液的组成及比例来调整淬冷程序中的淬冷速率，并进而调整钢材的特性。文档编号C21D1/18GK101407854SQ20071016298公开日2009年4月15日申请日期2007年10月9日优先权日2007年10月9日发明者何勇雄,林丽桂,郭文法申请人:财团法人工业技术研究院;基立化学股份有限公司