CN104404209B - 金刚石型固体淬火冷却介质及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石固体淬火冷却介质，按重量份包括：粒度为1微米的金刚石20-60份，粒度为1微米的铜粉10-25份，粒度为1微米的铝粉10-25份，粒度为1微米的银粉5-20份，粒度为1微米的石墨粒子10-20份。制备方法，首先，将金刚石、铜、铝、银和石墨加工至所要求粒度的微粉颗粒；其次，按照配比要求，将铜和/或铝和/或银与金刚石颗粒按不同比例混合；最后，将石墨粒子按不同比例与上一步的混合料混合均匀。将所述金刚石型固体淬火冷却介质应用于金属零件的淬火冷却中。该冷却介质能满足金属零件机械性能及变形精度的要求。

Description

金刚石型固体淬火冷却介质及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种金刚石型固体淬火冷却介质及制备方法和应用。

背景技术

组成机械装备的各种零部件绝大多数都需要经过淬火及回火处理才能具备人们所要求的物理、化学及力学性能。

淬火过程是将钢铁零件加热到高温(>850℃)进行奥氏体化，然后迅速置于冷却介质(水、油)中，希望在极短时间(0～数秒)内将高温(850℃～1050℃)金属零件冷却到300℃左右，以避免奥氏体向非马氏体的转变；在300℃以下，希望以较缓慢的冷速冷至室温，以避免奥氏体向马氏体转变时的组织应力和热应力造成的变形和开裂。只有满足这样的条件，才能得到最满意的机械性能和最小变形的零部件。

传统的液体淬火介质一般有水基或矿物油类两大类，此类淬火介质在冷却过程中随温度降低都要发生物态改变，因而在其冷却特性曲线上都有明显的拐折点。水基淬火介质是用简单自来水或含有添加剂的自来水；矿物油类淬火介质一般是简单的矿物油或含有各种添加剂的矿物油。

水的冷却特性是：在高温阶段(蒸汽膜)冷却能力不足，在低温阶段冷却能力太高，因此，所处理的零件既容易产生软点，又有很大的变形，甚至开裂。在水中加入各种添加剂后，这种情况有所改善，但效果难以令人满意。而且在使用过程中，其中的添加剂容易发生化学反应改变性质从而改变水基淬火液的特性，因而在使用中需要密切跟踪监测其老化变质情况，使用及管理成本较高。

水及水基淬火液的缺点：

高温段冷速慢，低温段冷速快，导致零件软点和变形开裂，废品率很高。各种水基淬火液容易产生变质、老化、有毒、有刺激性、有污染等。另外，水及水基淬火液的冷却特性对水温的变化太敏感，这是导致带有台阶、沟槽及孔类的零件产生变形和开裂的一个重要因素。

油的冷却特性是：虽然在低温阶段具有比较缓慢的冷却特性，但在高温阶段的冷却能力也大大低于人们的期望值。在油中淬火的零件淬火变形比水小，但存在硬度偏低，淬硬层较浅的缺陷。在油中加入各种添加剂后，这种情况有所改善，但效果难以令人满意。而且在使用过程中，其中的添加剂容易发生化学反应改变性质从而改变油基淬火液的特性，因而在使用中需要密切跟踪监测其老化变质情况，使用及管理成本较高。

上述液体冷却介质所产生的变形问题对于一些精度较低的零件勉强可以容忍，而对现代大量的精密制造而言，由于传统液体冷却介质的物质属性所决定，无论加入何种添加剂也难以改变其液体物质在冷却时的特有属性，因而其淬火冷却特性和应力变形效应难以达到令人满意的效果，各种添加剂虽然对其不足有所改善，但同时伴有副作用。

中国专利申请CN201310206266公开了一种亲水金刚石悬浮研磨抛光液及其制备方法。一种亲水金刚石悬浮研磨抛光液，所述亲水金刚石悬浮研磨抛光液包括：金刚石粉末0.05％-15％(重量比)，助悬剂0.005％-15％(重量比)，表面活性剂0.005％-12％(重量比)，摩擦改进剂0.05％-60％(重量比)，酸碱度调节剂0.0005％-5％(重量比)余量为分散介质。本发明所提供的亲水金刚石悬浮研磨抛光液长期保持稳定均匀状态、不会产生任何沉淀、层析和失效现象；悬浮介质除了能起到悬浮载体的作用外，在研磨抛光的过程中还具有冷却、润滑和去屑的功效。

金刚石除了具有物质世界里硬度最高的头衔外，它还是一种优秀的半导体电子信息和光信息功能材料。但是，要将金刚石制作成半导体电子信息和光信息功能器件必须使用大体积的金刚石，而目前人工合成金刚石在技术上只能合成0.4毫米以下的颗粒及其金刚石微粉，因此，作为工业化应用，目前国内外只能利用金刚石的最高硬度这一特性作为磨料磨具使用(金刚石的这一用法是金刚石的最低级使用)。近几十年来，金刚石抛光(液、膏、剂)磨料在世界各国大量普遍使用，比比皆是，随处可见。中国的金刚石产量世界第一！在中国，几乎100％的金刚石都用来做抛光液、抛光膏、抛光剂以及一些切割刃具等(比如玻璃刀，切割石材锯片的刀头。)金刚石锯片或金刚石砂轮或金刚石抛光轮用来切割或抛光石材时，100％都需要用水不间断地进行冷却和润滑。各种金刚石抛光液、抛光膏、抛光剂在使用时，其所含有的液体本身就有冷却和润滑作用，这是一个不需要专业知识的普通常识。CN201310206266所述的金刚石就是利用金刚石的最高硬度来发挥磨料作用的，文中所述的“冷却”是液体对金刚石的冷却，这里的金刚石是被冷却物质。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种金刚石型固体淬火冷却介质及制备方法和应用，采用该金刚石型固体淬火冷却介质可以满足金属零件，尤其是高精密度金属零部件机械性能及变形精度的要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种金刚石型固体淬火冷却介质，按重量份包括：粒度为0.01微米的金刚石90份，粒度为1微米的石墨粒子10份。

优选地，按重量份包括：粒度为1微米的金刚石80份，粒度为1微米的铜粉10份，粒度为1微米的石墨粒子10份。

优选地，按重量份包括：粒度为1微米的金刚石20-60份，粒度为1微米的铜粉10-25份，粒度为1微米的铝粉10-25份，粒度为1微米的银粉5-20份，粒度为1微米的石墨粒子10-20份。

优选地，按重量份包括：粒度为10微米的金刚石90份，粒度为1微米的铜粉10份。

优选地，按重量份包括：粒度为10微米的金刚石90份，粒度为1微米的铝粉10份。

优选地，按重量份包括：粒度为1微米的金刚石90份，粒度为1微米的银粉10份。

优选地，按重量份包括：粒度为100微米的金刚石90份，粒度为100微米的铜粉10份。

优选地，按重量份包括：粒度为500微米的金刚石90份，粒度为500微米的石墨粒子10份。

进一步地，上述任一技术方案的制备方法，

首先，将金刚石、铜、铝、银和石墨加工至所要求粒度的微粉颗粒；

其次，按照配比要求，将铜和/或铝和/或银与金刚石颗粒按不同比例混合；

最后，将石墨粒子按不同比例与上一步的混合料混合均匀。

进一步地，将上述任一技术方案制备的金刚石型固体淬火冷却介质应用于金属零件的淬火冷却中。

在目前人们已经发现并利用的物质中，金刚石具有最大的导热能力。

各种物质的导热系数

物质	导热系数w/mk
		金刚石	3320--4200
银	429
		铜	401
铝	237
		金	317
水	0.54
		变压器油	0.128
柴油	0.12

由以上表中数值可以看出，金刚石的导热能力是银的9倍，铜的9倍，铝的16倍，金的12倍，水的6500多倍，油的27000多倍。

众所周知，被冷却物质的冷却过程实际上是冷却介质与被冷却物质的热交换过程，即被冷却物质的热量通过热交换机制传递给了冷却介质。由物理学可知，冷却介质的导热系数越大，即导热性越好，则被冷却物质冷的越快，也就是冷却介质的冷却能力越好。在自然界目前已被发现并被利用的所有物质中金刚石具有最强的导热能力，即金刚石具有最大的导热系数。

由于金刚石是固态细颗粒状态，作为淬火冷却介质使用时，其冷却机制是热传导机制，在高温阶段，由于被冷却零件与金刚石之间的温差很大，因此，高温冷速很大；在低温阶段，由于被冷却零件与金刚石之间的温差很小，因此，低温冷速很小。这种特点高度符合金属零件在淬火冷却时最理想的冷却特性要求。由于具有这样的特性，金刚石用来淬火冷却可以满足所有金属零件，尤其是高精密度金属零部件机械性能及变形精度的要求。

为了满足对不同材料、不同形状零部件的冷却性能要求，配制时采用加入不同比例的金属铝、铜、银以及石墨粒子等物质可以灵敏调节冷却特性曲线。

金刚石固体冷却介质除了上述主要优点外，它在使用和管理方面还有诸多优越性，例如：生产过程几乎没有消耗，被处理工件无氧化脱碳、工件表面清洁光亮、不老化、无污染、劳动环境相当优越，真正实现了无消耗、无排放生产过程。

本发明不是利用金刚石的硬度特性，而是利用金刚石具有最大导热特性，把金刚石作为冷却介质(不是被冷却物质)，机械零件才是被冷却物质。本发明所述的金刚石与CN201310206266所述的金刚石无论从物理概念、作用主体、被作用物体以及原理、用途、目的、结果完全没有交集，是完全独立的两个问题。因此，CN201310206266对本发明不具备任何启示作用。

附图说明

图1是本金刚石冷却特性图；

图2是Ф35毫米45钢经金刚石固体冷却介质淬火后的心部500倍金相组织照片；

图3是Ф40毫米45钢经金刚石固体冷却介质淬火后的心部500倍金相组织照片；

图4是Ф35毫米45钢在传统液体淬火介质中冷却后的心部500倍金相组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

不同实施例的配方如下表(各成分是按重量比配置，粒度单位为微米)：

实施例	金刚石粉	铜粉	铝粉	银粉	石墨粒子
						1	100份，0.01微米	0		0	0
2	90份，0.01微米				10份，1微米
						3	80份，1微米	10份，1微米	0	0	10份，1微米

4	60份，1微米	10份，1微米	10份，1微米	10份，1微米	10份，1微米
						5	90份，10微米	10份，1微米	0	0	0
6	90份，10微米	0	10份，1微米	0	0
						7	90份，1微米	0	0	10份，1微米	0
8	20份，1微米	20份，1微米	20份，1微米	20份，1微米	10份，1微米
						9	30份，1微米	25份，1微米	25份，1微米	5份，1微米	15份，1微米
10	40份，1微米	15份，1微米	15份，1微米	5份，1微米	20份，1微米
						11	100份，100微米	0	0	0	0
12	100份，500微米	0	0	0	0
						13	90份，100微米	10份，100微米	0	0	0
14	90份，500微米	0	0	0	10份，500微米

各实施例的制作方法为：

首先，将金刚石、铜、铝、银和石墨加工至所要求粒度的微粉颗粒；

其次，按照配比要求，将铜和/或铝和/或银与金刚石颗粒按不同比例混合；

最后，将石墨粒子按不同比例与上一步的混合料混合均匀。

将上述任一配比制备的金刚石型固体淬火冷却介质应用于金属零件的淬火冷却中。

金刚石的导热能力是银的9倍，铜的9倍，铝的16倍，金的12倍，水的6500多倍，油的27000多倍。

众所周知，被冷却物质的冷却过程实际上是冷却介质与被冷却物质的热交换过程，即被冷却物质的热量通过热交换机制传递给了冷却介质。由物理学可知，冷却介质的导热系数越大，即导热性越好，则被冷却物质冷的越快，也就是冷却介质的冷却能力越好。在自然界目前已被发现的所有物质中金刚石具有最强的导热能力，即金刚石具有较大的导热系数，如图1所示。

由于金刚石是固态细颗粒状态，作为淬火冷却介质使用时，其冷却机制是热传导机制，在高温阶段，由于被冷却物质与金刚石之间的温差很大，因此，高温冷速很大；在低温阶段，由于被冷却物质与金刚石之间的温差很小，因此，低温冷速很小。

这种特点高度符合金属零件在淬火冷却时最理想的冷却特性要求。由于具有这样的特性，金刚石用来淬火冷却可以满足所有金属零件，尤其是高精密度金属零部件机械性能及变形精度的要求。

为了满足对不同材料、不同形状零部件的冷却性能要求，配制时采用加入不同比例的金属铝、铜、银等物质可以灵敏调节冷却特性曲线。

金刚石固体淬火冷却介质除了上述主要优点外，金刚石固体淬火冷却介质在使用和管理方面还有诸多优越性，例如：生产过程几乎没有消耗，被处理工件无氧化脱碳、工件表面清洁光亮、不老化、无污染、劳动环境相当优越，真正实现了无消耗、无排放生产过程。

图2是Ф35毫米45钢经金刚石固体冷却介质淬火后的心部500倍金相组织照片。可见其心部完全是马氏体组织，在冷却过程中没有发生非马氏体转变。

图3是Ф40毫米45钢经金刚石固体冷却介质淬火后的心部500倍金相组织照片。可见其心部完全是马氏体组织，在冷却过程中没有发生非马氏体转变。

图4是Ф35毫米45钢在传统液体淬火介质中冷却后的心部500倍金相组织照片。可见其心部大量出现先共析铁素体组织，说明在冷却过程中出现大量非马氏体转变。

将图2与图4对比，两个试验所用试样尺寸完全相同，可见用传统液体淬火介质处理的试样其心部出现大量铁素体，这在实际生产中是不被允许的。

将图3与图4对比，同样都是45钢，图3是Ф40毫米试样在金刚石固体淬火介质中处理后，其心部没有发生非马氏体转变；而图4试样为Ф35毫米时，在传统液体淬火介质中处理后，其心部已经发生了大量的非马氏体转变，这在实际生产中是不被允许的。

经上述对比可见，金刚石固体淬火冷却介质的冷却能力明显大于传统液体淬火冷却介质。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为0.01微米的金刚石90份，粒度为1微米的石墨粒子10份。

2.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为1微米的金刚石80份，粒度为1微米的铜粉10份，粒度为1微米的石墨粒子10份。

3.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为1微米的金刚石20-60份，粒度为1微米的铜粉10-25份，粒度为1微米的铝粉10-25份，粒度为1微米的银粉5-20份，粒度为1微米的石墨粒子10-20份。

4.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为10微米的金刚石90份，粒度为1微米的铜粉10份。

5.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为10微米的金刚石90份，粒度为1微米的铝粉10份。

6.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为1微米的金刚石90份，粒度为1微米的银粉10份。

7.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为100微米的金刚石90份，粒度为100微米的铜粉10份。

8.金刚石型固体淬火冷却介质，其特征是，按以下重量份物质组成：粒度为500微米的金刚石90份，粒度为500微米的石墨粒子10份。

9.如权利要求3金刚石型固体淬火冷却介质的制备方法，其特征是，

首先，将金刚石、铜、铝、银和石墨加工至所要求粒度的微粉颗粒；

其次，按照配比要求，将铜和铝和银与金刚石颗粒按不同比例混合；

最后，将石墨粒子按不同比例与上一步的混合料混合均匀。

10.如权利要求1-8任一金刚石型固体淬火冷却介质的应用，其特征是，将所述金刚石型固体淬火冷却介质应用于金属零件的淬火冷却中。