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      技術(shù)文章
      熱處理PAG淬火液的變化規律及如何監管
      作者:上海川奇機電設備有限公司 | 發(fā)布時(shí)間:2024-05-08 | 載入中...

      熱處理PAG淬火劑是由特定的聚醚類(lèi)非離子型高分子聚合物(PAG)、復合添加劑和適量的水制成的。熱處理廠(chǎng)家,經(jīng)常面臨如何有效控制PAG淬火液的問(wèn)題?,F在詳細解析PAG淬火液。

      熱處理


      一、PAG 組分的變化
      淬火液的冷卻特性取決于其中PAG組分的特性和數量。其他添加劑對淬火液的冷卻特性幾乎沒(méi)有影響。淬火液中的PAG聚合物變化包括量的變化和質(zhì)的變化兩部分。

      1.淬火液中聚合物量的變化
      在淬火液中,聚合物的含量會(huì )隨著(zhù)工件帶出和高溫氧化分解而減少。淬火過(guò)程中,工件周?chē)囊后w溫度升高,PAG聚合物會(huì )從溶液中脫溶并以富水的包膜形式附著(zhù)在工件表面上,從而調整工件的冷卻速度。工件冷卻后,附著(zhù)在表面的聚合物會(huì )重新溶解到淬火液中。然而,由于生產(chǎn)中通常無(wú)法等待聚合物完全溶解就取出工件,因此工件帶出的液體中PAG含量通常高于淬火液中的平均濃度。隨著(zhù)長(cháng)時(shí)間和大量淬火的進(jìn)行,淬火液中PAG的相對濃度會(huì )逐漸降低,而其他添加劑的相對含量則會(huì )增加。因此,溶解得越充分,淬火液中PAG組分的相對減少就越慢,從而冷卻特性更加穩定。

      2. PAG的氧化分解 
      PAG淬火液的聚合物在室溫下與一般的酸堿不發(fā)生反應,具有很高的化學(xué)穩定性。只有在高溫(約250℃以上)和有氧存在的條件下,才會(huì )發(fā)生氧化分解。在淬火過(guò)程中,大部分粘附在工件表面的聚合物膜可以因為周?chē)乃直粴饣3衷诘陀谒悬c(diǎn)的溫度。然而,緊貼工件表面的部分仍然可能升溫并發(fā)生氧化分解。氧化分解產(chǎn)生的低分子量氣體會(huì )逸出淬火液,而其他部分則留在液體中。此外,在高溫和機械剪切作用下,PAG會(huì )發(fā)生斷鏈,而斷鏈產(chǎn)物會(huì )殘留在淬火液中。這些殘留物不再具有原來(lái)的冷卻特性,成為淬火液中的非有效成分。淬火液的濃度越高,工件表面形成的聚合物膜越厚,氧化分解的程度就越大。同時(shí),熱處理生產(chǎn)的產(chǎn)量越大,淬火液使用的時(shí)間越長(cháng),氧化分解和斷鏈殘留物就越多。

      二、非PAG組分的變化

      1.非PAG組分的定性變化
      添加劑組分在溶液中沒(méi)有逆溶性,始終均勻分布。由于其濃度較低,受高溫影響較少,因此在生產(chǎn)過(guò)程中,變質(zhì)的數量也較少,變質(zhì)產(chǎn)物基本不會(huì )揮發(fā)。添加劑組分的定性變化通常只會(huì )降低淬火液的防銹、防腐和消泡等輔助性能,而基本不會(huì )影響淬火液的冷卻性能。

      2.添加劑組分量的變化
      前面提到,淬火工件帶走的液體中,PAG組分的濃度通常高于淬火液的平均值。因此,長(cháng)時(shí)間使用的淬火液中,添加劑組分的濃度總是比新配制的高。然而,在生產(chǎn)中補充的淬火劑通常具有固定的組分比例。因此,隨著(zhù)淬火液的使用時(shí)間越長(cháng),淬火量越大,以及淬火劑的補充量越多,淬火液中添加劑及其變質(zhì)殘留物的濃度也會(huì )越高。相反,有效的PAG組分的濃度就會(huì )越低。

      3. 自來(lái)水中含有可溶物質(zhì)的積累。
      PAG淬火劑被加入自來(lái)水中制成PAG淬火液,因此自來(lái)水也是淬火液的一部分。在生產(chǎn)過(guò)程中,自來(lái)水容易揮發(fā),需要經(jīng)常補充。自來(lái)水并非蒸餾水,其中總含有少量但多種水以外的物質(zhì)。在使用過(guò)程中,水揮發(fā)后,原本溶解其中的不揮發(fā)物質(zhì)將殘留下來(lái)。因此,水中這些可溶物質(zhì)及其在使用中的可溶變質(zhì)殘留物的濃度會(huì )增加。這些物質(zhì)在水中逐漸積累,濃度也會(huì )逐漸增高。隨著(zhù)時(shí)間的推移,一些物質(zhì)會(huì )達到飽和,更多的部分則會(huì )沉淀下來(lái)。

      4. 外來(lái)污染物。
      除了淬火劑和水之外,生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì )將其他物質(zhì)帶入淬火液中。例如工件上的氧化皮,以及現場(chǎng)常見(jiàn)的可溶和不可溶物質(zhì)。其中的不溶物有的會(huì )形成沉淀,有的則懸浮在淬火液中??扇芪镆矔?huì )成為溶液的組成部分,并通過(guò)積累使濃度增加。這些可溶和不溶的外來(lái)物質(zhì)構成了淬火液中的外來(lái)污染物。外來(lái)污染物基本上不會(huì )影響淬火液的冷卻特性,但其中的可溶物會(huì )增加溶液的折射率。

      如何監管淬火液呢?

      PAG淬火劑的工廠(chǎng)可以通過(guò)折光儀法、粘度法和真實(shí)濃度法來(lái)監管淬火液的濃度。

      1. 折光儀濃度法 所有溶解進(jìn)水中的物質(zhì)都會(huì )改變水溶液的折光率。溶質(zhì)對溶液折光率的貢獻與其在該溶液中的濃度成正比,而溶液的總的折光率又是各溶質(zhì)對溶液折光率的貢獻的簡(jiǎn)單疊加值。根據這種規律,用折光儀測出的將是溶液中所有溶質(zhì)的總的折光率。因此,新配制的PAG淬火液的折光率是其中的PAG聚合物組分和添加劑組分的折光率之和。如圖1中A所示。前面談到,淬火液使用后,PAG聚合物的相對濃度會(huì )降低,而添加劑組分的相對濃度則要升高。同時(shí),由于水分揮發(fā),自來(lái)水中的可溶物質(zhì)的濃度也會(huì )升高。此外,淬火液不免要受到污染,可溶污染物也要增大溶液的折光率。這樣,使用后火液的折光率就是由聚合物、添加劑、水的自身污染和外來(lái)污染物等四部分對折光率的貢獻相加而成的。如圖1中B所示??梢钥闯?,生產(chǎn)中用折光儀測量淬火液濃度時(shí),為了保持一定的PAG濃度,必須使用更高的折光儀讀數濃度。淬火液的使用時(shí)間越長(cháng),淬火量越多,污染越嚴重,要求的折光儀

      2. 粘度測量法是一種測量PAG淬火液粘度的方法。隨著(zhù)淬火劑濃度的增加,PAG淬火液的粘度也會(huì )增加。在PAG淬火劑中,PAG聚合物對淬火液的粘度起著(zhù)決定性的作用,而其他組分的影響相對較小。因此,通過(guò)測量粘度的方法可以較好地排除其他組分的影響,從而測量出溶液中PAG組分的濃度。然而,對于使用時(shí)間較長(cháng)的PAG淬火液,使用粘度測量法可能會(huì )高估溶液中的有效濃度,從而導致溶液冷卻速度過(guò)快,存在一定的危險。

      3. 真實(shí)濃度測量法是一種利用PAG聚合物的逆溶性特性來(lái)測量淬火液濃度的方法。該方法通過(guò)加熱分離的方式,將具有逆溶性的聚合物與其他無(wú)逆溶性組分分離,然后使用折光儀測試法來(lái)計算淬火液的濃度。由于可以測定溶液中具有逆溶性的聚合物濃度,因此可以在較長(cháng)的使用時(shí)間內較好地測量和控制淬火液的濃度。該方法不受其他組分含量的影響,只需要使用一臺普通的折光儀,因此可以說(shuō)是一種較好的測定溶液中PAG總量的方法。然而,與粘度測量法類(lèi)似,如果只依靠該方法來(lái)控制濃度,隨著(zhù)時(shí)間的推移,實(shí)際的冷卻速度可能會(huì )偏高

      4. 關(guān)于PAG淬火液的有效濃度
      在淬火冷卻過(guò)程中,PAG聚合物不僅能從超過(guò)濁點(diǎn)的水中脫溶出來(lái),還可能與其他脫溶出來(lái)的PAG聚合物一起粘附在工件表面上。這部分PAG的濃度被稱(chēng)為有效濃度。通過(guò)在燒杯中進(jìn)行加熱試驗,可以發(fā)現,新配制的淬火液在被加熱到沸騰溫度時(shí),脫溶出來(lái)的聚合物會(huì )全部聚集在一起形成絮狀,并且由于裹帶了水蒸氣,首先浮在液面上。而經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用的PAG淬火液在被加熱到沸騰溫度時(shí),可能有一部分脫溶出來(lái)的聚合物并不會(huì )與其他聚合物相聚成絮狀,而是獨自下沉到杯底,就像雪花一樣。這種淬火液,雖然用粘度法或真實(shí)濃度法測量的濃度較高,但其冷卻特性與較低濃度的新配淬火液相當。很明顯,下沉到杯底的那部分聚合物屬于非有效部分。無(wú)論是采用粘度法還是真實(shí)濃度法,都無(wú)法將非有效聚合物分離出來(lái),因此也無(wú)法準確地控制經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用的淬火液的冷卻特性。

      根據實(shí)驗結果,雪花狀脫溶物的形成原因尚不明確,但可能與淬火液的污染和高溫下大分子量PAG的斷鏈產(chǎn)物中的逆溶性部分有關(guān)。

      一些存在于溶液中的污染物,包括懸浮物,如果能聚集在脫溶出來(lái)的PAG表面上,使界面能低于聚合物與溶液的相界面的界面能,那么PAG聚合物該部分表面就將失去與其他PAG聚合物接觸并團聚的條件。表面上聚集了這些污染物的脫溶PAG小珠子,因為失去了聚團和粘附到工件表面的能力,便成了無(wú)效的脫溶物。

      綜上所述,PAG淬火液中具有逆溶性的組分并不都能起到調節冷卻特性的作用。因此,當淬火液使用較長(cháng)時(shí)間后,為保證與新配制時(shí)相同的有效濃度,必須采用更高的真實(shí)濃度。


      控制濃度的更好的方法是根據冷卻特性來(lái)進(jìn)行調節

      使用PAG淬火劑的目的是將其作為水的添加劑加入水中,以調節其冷卻特性。因此,在熱處理生產(chǎn)中,需要控制的也應該是淬火液的冷卻特性。前面提到的折光儀測試法、粘度測試法以及真實(shí)濃度測試法的采用,是利用這些參數的間接關(guān)系來(lái)反映淬火液的冷卻特性。

      瑞典IVF冷卻特性測試儀


      前面分析了常用的濃度測量方法對使用時(shí)間較長(cháng)的淬火液測出的濃度往往高于實(shí)際的有效濃度。如果不加以修正,容易引起淬裂。修正的方法有兩種,一是根據工件的淬火效果經(jīng)驗調整濃度,二是使用冷卻特性?xún)x來(lái)控制濃度

      根據經(jīng)驗調整濃度的方法是記錄工件的淬火態(tài)硬度,制作圖表,用來(lái)觀(guān)察同類(lèi)工件的硬度變化趨勢。當發(fā)現工件的淬火硬度連續偏高到一定程度時(shí),及時(shí)采取升高淬火液濃度等方法來(lái)降低實(shí)際的冷卻速度。這可以防止淬裂的發(fā)生。而當發(fā)現工件的硬度連續一段時(shí)間偏低,或者硬度高低不均以及有較大變形時(shí),考慮降低淬火液濃度來(lái)增加冷卻速度。經(jīng)驗法需要經(jīng)驗和嚴格的管理,需要負責任,但卻非常有效、可靠,適合由工程技術(shù)人員來(lái)執行。

      為了控制濃度,可以使用冷卻特性?xún)x。具體的方法是定期測量淬火液的冷卻特性,主要依靠300℃的冷卻速度來(lái)確定溶液的有效濃度,然后使用折光儀按比例來(lái)控制濃度。有條件的工廠(chǎng)可以購買(mǎi)一臺冷卻特性?xún)x,并安排專(zhuān)人進(jìn)行測定。其他工廠(chǎng)可以將樣品送到淬火介質(zhì)生產(chǎn)廠(chǎng)進(jìn)行測量。

      為了測定水性淬火液的冷卻特性,可以選擇配備符合國際標準(IS09950/ASTM)的瑞典IVF冷卻特性?xún)x。




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