水是最經(jīng)濟(jì)的淬火介質(zhì)。其化學(xué)穩(wěn)定性很高，熱容量較大。但純水在高溫區(qū)的冷卻能力并不強(qiáng)，而在300℃附近冷卻能力卻很大，因此，純水的冷卻特性恰恰與我們要求的理想淬火介質(zhì)的特性相反，這正是純水極少使用的原因。常用的水基淬火液有鹽水、堿水、飽和氯化鈣、三硝水溶液(NaNO3、NaNO2、KNO3)、有機(jī)高分子水溶液等。
20世紀(jì)50年代末期美國(guó)提出了無(wú)毒、無(wú)臭、不燃和冷卻性能在水油之間、可調(diào)的聚乙烯醇(PVA)、水溶液淬火介質(zhì)，以后又發(fā)展為聚亞烷基乙二醇(PAG)、聚氧乙烯二醇(GLY)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等有機(jī)高分子聚合物水基淬火液。70年代末期又研制出適用于貝氏體淬火的非馬氏體淬火液—堿性聚丙烯酸酯(ACR)，其特點(diǎn)氏黏度較高，適用于等溫淬火、鍛件熱鍛淬火、高速鋼及馬氏體不銹鋼的淬火。此外，還有聚丙烯酰胺(PAM)、甲基纖維素(CMC)及高相對(duì)分子質(zhì)量聚皂水溶液等新的淬火液品。
由環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷開環(huán)聚合制得的聚醚具有逆溶性，這一性質(zhì)使它在水基金屬加工液(如切削液、磨制液、淬火液)中發(fā)揮了優(yōu)良的潤(rùn)滑作用。當(dāng)聚醚溶液被帶入切削區(qū)域，遇到熱的金屬表面時(shí)，液體溫度很快升到高于聚醚的濁點(diǎn)。這時(shí)，聚醚即從水中析出，形成油一樣的微小液滴，這些液滴在金屬表面形成薄的潤(rùn)滑油膜，起到流體潤(rùn)滑作用。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時(shí)，5%的聚醚溶液的濃縮液具有相同的潤(rùn)滑性能。在常溫下，聚醚易溶于水，其水溶液具有許多淬火液所要求的優(yōu)良性能，故在淬火液中得到廣泛應(yīng)用。制備“傳統(tǒng)聚醚”所用單體必須包括環(huán)氧乙烷，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個(gè)分子中的含量最好在70%～90%，至少占10%。也可以只用環(huán)氧乙烷一種單體。其他單體時(shí)含C3~4的低級(jí)環(huán)氧化物，如環(huán)氧丙烷、四氧呋喃及磺氧丁烷的2種異構(gòu)體等。“傳統(tǒng)聚醚”的相對(duì)分子質(zhì)量多為2萬(wàn)左右，屬于中高相對(duì)分子質(zhì)量范疇。它的制備多采用“分步合成法”即先按一般方法用環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷合成相對(duì)分子質(zhì)量為幾百至幾千的聚醚，然后用這種聚合物作起始劑與單體繼續(xù)聚合制得較高相對(duì)分子質(zhì)量的聚醚。重復(fù)上述步驟幾次就可以得到所需相對(duì)分子質(zhì)量的產(chǎn)物。環(huán)氧乙烷與另一種單體的雜聚共聚物和鑲嵌共聚物都可以稱作“傳統(tǒng)聚醚”。制備“傳統(tǒng)聚醚”的起始劑時(shí)常用的醇類、胺類。國(guó)外已經(jīng)報(bào)道了大量關(guān)于水基淬火液用聚醚的合成及其應(yīng)用的專利，而且已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用階段。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，許多產(chǎn)品仍需以來(lái)進(jìn)口。近年來(lái)，研究較多的時(shí)改性聚醚。
PAG淬火液是工業(yè)上應(yīng)用較多的一種水基淬火液，是以特定的聚醚類非離子型高分子聚合物(PAG)加上能獲得其他輔助性能的復(fù)合添加劑和矢量的水配置而成的。特別對(duì)于尋求水-油之間冷速的中低淬透性鋼，PAG是較理想的淬火液。使用PAG淬火劑的目的就是調(diào)節(jié)水的冷卻特性。在淬火過(guò)程中，PAG成膜迅速，冷卻能力可隨濃度的調(diào)整而變化，淬火硬度均勻，淬火后無(wú)需清洗即可直接回火。淬火液的冷卻特性決定于其中PAG組分的特性和數(shù)量。其他提供輔助性能的添加劑對(duì)淬火液的冷卻性能幾乎沒(méi)有影響。但在淬火生產(chǎn)中，工件帶出及受高溫氧化分解都會(huì)使PAG聚合物的量減少。淬火過(guò)程中，工件周圍液溫升高，PAG聚合物從溶液中脫溶出來(lái)并靠其潤(rùn)濕性以富水的包膜形式黏在工件表面上，從而調(diào)整工件的冷卻速度。工件冷卻下來(lái)后，黏附在工件表面的聚合物又會(huì)溶到淬火液中。回溶需要一定時(shí)間，而生產(chǎn)中往往等步到聚合物回溶干凈就將工件從淬火液中取走。因?yàn)楣ぜ䦷С龅囊后w中PAG含量往往高于所有淬火液中PAG的平均濃度。長(zhǎng)期、大量淬火后，淬火液中PAG的相對(duì)濃度必然逐漸降低。另外，PAG具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在室溫下與一般的酸堿不發(fā)生反應(yīng)，只有在250℃的高溫且又有氧存在的條件下才被氧化分解。淬火過(guò)程中，黏附在工件表面的PAG聚合物膜大部分可以因?yàn)槠渲屑捌渲車乃时粴饣３衷诓桓哂谒悬c(diǎn)的溫度。但緊接工件表面的部分仍然可能升到更高的溫度而發(fā)生氧化分解，導(dǎo)致PAG含量降低。這樣淬火液中其他添加劑組分的相對(duì)含量將隨之升高，最終影響淬火效率。
PAG淬火液用于鋁合金淬火有顯著的優(yōu)越性，對(duì)于鋁板的淬火效率比熱水淬火的效率減少60%。然而PAG淬火液在多數(shù)鋼件馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速比油快，因此對(duì)高合金鋼的調(diào)質(zhì)有一定的局限性。
PVP、ACR淬火液是為彌補(bǔ)PAG的上述不足而開發(fā)的，但這兩種聚合物無(wú)逆溶性，淬火后粘在工件表面的聚合物需清洗，加上其工藝性和穩(wěn)定性不及PAG，應(yīng)用也有限。PEO(聚乙烯基噁唑啉)淬火液AQ3610是好富頓國(guó)際公司的專利產(chǎn)品，具有逆溶性，黏度大大低于PAG淬火液，從而減少了工件淬火后帶出聚合物的量。而且具有獨(dú)特的冷卻性能，在300℃的冷速與油基淬火液一樣慢，而在高溫區(qū)冷速又比油快。5%～25%的AQ3610淬火液可以滿足從感應(yīng)淬火到大鍛件、鑄件調(diào)質(zhì)處理的冷速要求，淬火后無(wú)需清洗即可直接回火。
近年來(lái)，隨著石油資源的日益緊缺以及人類共同對(duì)環(huán)保強(qiáng)調(diào)，大量的水基淬火液被廣泛地用于熱處理加工過(guò)程中，由上述聚乙烯醇(PVA)、聚亞烷基乙二醇(PAG)、聚氧乙烯乙二醇(GLY)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、堿性聚丙烯酸酯(ACR)、聚丙烯酰胺(PAM)、甲基纖維素(CMC)等含強(qiáng)極性基團(tuán)的高分子聚合物為基礎(chǔ)增稠劑組成的水基淬火液已成為今后的發(fā)展方向。
