石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯型液体淬火冷却介质，按照重量份粒度为0.01微米～100微米的1～10份石墨烯固体颗粒均匀分散在100～10000份水或水基淬火液或矿物油类淬火液中组成的混合液。制备方法，首先，将石墨烯加工至所要求粒度的微粉颗粒；其次，按照配比要求，将石墨烯固体微粉颗粒均匀分散在水或水基淬火液或矿物油类淬火液中。将石墨烯型液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。
【专利说明】石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石墨烯型液体淬火冷却介质及制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 淬火过程是将钢铁零件加热到高温（>850°C )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（〇?数秒）内将高温（850°C?1050°C )金属零件冷却 到300°C左右，以避免奥氏体向非马氏体的转变；在300°C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。
[0004] 传统的液体淬火冷却介质一般有两类：一类是简单的自来水或含有各种添加剂的 水基淬火液；另一类是简单的矿物油或含有各种添加剂的矿物油。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 总之，上述淬火冷却介质存在以下缺点：
[0008] 水的缺点：
[0009] 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的一个重要因素。
[0010] 油的缺点：
[0011] 高温段冷却慢，对很多钢种淬不上火；易发生裂化和聚合及氧化变质、易老化、工 件带出量大损耗严重、淬火时油烟大污染严重、生产环境恶劣，费用较高。
[0012] 传统液体冷却介质还有一种致命的缺陷，就是其冷却能力随温度变化而变化的高 度敏感性。这种特性导致的后果是：在处理带有台阶、沟槽和孔类的零件时，由于这些部位 液体的流动受到阻碍而使其温度升高（此处的热量传导不出去），致使此处液体冷却特性 发生改变使冷却能力大幅降低，从而产生软点和变形。这是传统液体淬火介质无法克服的 障碍。
[0013] 上述介质共同缺陷还有：为了应对变质和老化，需经常测定粘度、酸值、灰分、成 分、冷却特性曲线以及经常需要整体更新淬火液等，造成使用及管理成本高。
[0014] 传统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还可以容忍，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。
[0015] 中国专利申请CN 104059618 A公开了一种发动机用氧化石墨烯无水冷却液及其 制备方法，发动机用氧化石墨烯无水冷却液，由重量百分比为30?65%的乙二醇、重量百 分比为30?65%的丙二醇、重量百分比为0. 2?3%的氧化石墨烯、重量百分比为0. 2? 2%的有机硅消泡剂和重量百分比为0. 7?8%的复合缓蚀剂混合并搅拌均匀至溶解即得 无水冷却液。该冷却液中不含水，而且有多种成份混合配置而成，成本高，性能稳定性差，仅 能适用于发动机，适用范围比较窄。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种石墨烯型液体淬火冷却介 质及制备方法和应用，将石墨烯固体微粒作为添加剂加入到传统液体淬火介质中，石墨烯 均匀分布在介质中，由于石墨烯具有最大导热能力，因此在冷却过程中，全部介质都处在同 一温度状态（介质内部各个微观区域之间几乎没有温度差），金属零件处于这种淬火介质 中可保证其各个体积元之间没有温度差，从而可以满足金属零件，尤其是高精密度金属零 部件机械性能及变形精度的要求。
[0017] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0018] 一种石墨烯型液体淬火冷却介质，按照重量份粒度为0. 01微米?100微米的1? 10份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0019] 优选地，按重量份粒度为0.01微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100? 10000份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0020] 优选地，按重量份粒度为0.05微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100? 10000份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0021] 优选地，按重量份粒度为0. 1微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0022] 优选地，按重量份粒度为0. 5微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0023] 优选地，按重量份粒度为1微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0024] 优选地，按重量份粒度为5微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0025] 优选地，按重量份粒度为10微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0026] 优选地，按重量份粒度为20微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液中组成的混合液。
[0027] 优选地，按重量份粒度为100微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份水或水基淬火液；矿物油或矿物油快速淬火液中组成的混合液。
[0028] 优选地，按重量份1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份水或水基淬火 液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米 0. 3份，0. 05微米0. 1份，0. 1微米0. 1份，0. 5微米0. 1份，1微米0. 1份，5微米0. 1份，10 微米0. 1份，100微米0. 1份。
[0029] 优选地，按重量份9份石墨烯固体颗粒均匀分散在10000份水或水基淬火液中 组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米2份， 0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米 1份。
[0030] 优选地，按重量份10份石墨烯固体颗粒均匀分散在10000份水或水基淬火液中 组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米3份， 0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米 1份。
[0031] 一种石墨烯型液体淬火冷却介质，包括按照重量份粒度为0. 01微米?100微米的 1?10份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0032] 优选地，按重量份粒度为0.01微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100? 10000份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0033] 优选地，按重量份粒度为0.05微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100? 10000份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0034] 优选地，按重量份粒度为0. 1微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0035] 优选地，按重量份粒度为0. 5微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0036] 优选地，按重量份粒度为1微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0037] 优选地，按重量份粒度为5微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0038] 优选地，按重量份粒度为10微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0039] 优选地，按重量份粒度为20微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0040] 优选地，按重量份粒度为100微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000 份矿物油类淬火液中组成的混合液。
[0041] 优选地，按重量份1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份矿物油类淬火 液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米 0. 3份，0. 05微米0. 1份，0. 1微米0. 1份，0. 5微米0. 1份，1微米0. 1份，5微米0. 1份，10 微米0. 1份，100微米0. 1份。
[0042] 优选地，按重量份9份石墨烯固体颗粒均匀分散在10000份矿物油类淬火液中 组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. Ol微米2份， 0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米 1份。
[0043] 优选地，按重量份10份石墨烯固体颗粒均匀分散在10000份矿物油类淬火液中 组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米3份， 0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米 1份。
[0044] 进一步地，上述任一技术方案的制备方法，
[0045] 首先，将石墨烯加工至所要求粒度的微粉颗粒；
[0046] 其次，按照配比要求，将石墨烯固体微粉颗粒均匀分散在水或水基淬火液或矿物 油类淬火液中。
[0047] 进一步地，将上述任一技术方案制备的石墨烯型液体淬火冷却介质应用于金属零 件的淬火冷却中。
[0048] 本发明中的水基淬火液和矿物油类淬火液均为现有产品，均可在市场中购买到， 在此不再赘述。
[0049] 在目前人们已经发现并利用的物质中，石墨烯具有最大的导热能力。
[0050] 各种物质的导热系数
[0051]
【权利要求】
1. 一种石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按照重量份粒度为0. 01微米?100微 米的1?10份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份水或水基淬火液中组成的混合 液。
2. 如权利要求1所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份粒度为 0. 01?100微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份水或水基淬火液中组成 的混合液。
3. 如权利要求1所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份9份石墨烯 固体颗粒均匀分散在10000份水或水基淬火液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同 重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米2份，0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1 份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米1份。
4. 如权利要求1所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份10份石墨烯 固体颗粒均匀分散在10000份水或水基淬火液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同 重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米3份，0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1 份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米1份。
5. -种石墨烯型液体淬火冷却介质，包括按照重量份粒度为0. 01微米?100微米的 1?10份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份矿物油类淬火液中组成的混合液。
6. 如权利要求5所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份粒度为 0. 01?100微米的1份石墨烯固体颗粒均匀分散在100?10000份矿物油类淬火液中组成 的混合液。
7. 如权利要求5所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份9份石墨烯 固体颗粒均匀分散在10000份矿物油类淬火液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同 重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米2份，0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1 份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米1份。
8. 如权利要求5所述的石墨烯型液体淬火冷却介质，其特征是，按重量份10份石墨烯 固体颗粒均匀分散在10000份矿物油类淬火液中组成的混合液，其中，石墨烯由以下不同 重量份和粒度的石墨烯混合组成：〇. 01微米3份，0. 05微米1份，0. 1微米1份，0. 5微米1 份，1微米1份，5微米1份，10微米1份，100微米1份。
9. 如权利要求1-8任一项石墨烯型液体淬火冷却介质的制备方法，其特征是， 首先，将石墨烯加工至所要求粒度的微粉颗粒； 其次，按照配比要求，将石墨烯固体微粉颗粒均匀分散在水或水基淬火液或矿物油类 淬火液中。
10. 如权利要求1-8任一项石墨烯型液体淬火冷却介质的应用，其特征是，将所述石墨 烯型液体淬火冷却介质应用于金属零件的淬火冷却中。
【文档编号】C21D1/60GK104388646SQ201410768107
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】崔建军, 万桂怡, 崔潇, 高青松 申请人:山东大学