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淺析熱處理PAG淬火液如何監(jiān)管更有效？
發(fā)布日期2024.04.30 ?|
作者：上海川奇機(jī)電設(shè)備有限公司
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熱處理PAG淬火劑是由特定的聚醚類非離子型高分子聚合物(PAG)、復(fù)合添加劑和適量的水制成的。熱處理廠家，經(jīng)常面臨如何有效控制PAG淬火液的問題。現(xiàn)在詳細(xì)解析PAG淬火液。
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(shù)量。其他添加劑對(duì)淬火液的冷卻特性幾乎沒有影響。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)隨著工件帶出和高溫氧化分解而減少。淬火過程中，工件周圍的液體溫度升高，PAG聚合物會(huì)從溶液中脫溶并以富水的包膜形式附著在工件表面上，從而調(diào)整工件的冷卻速度。工件冷卻后，附著在表面的聚合物會(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。隨著長(zhǎng)時(shí)間和大量淬火的進(jìn)行，淬火液中PAG的相對(duì)濃度會(huì)逐漸降低，而其他添加劑的相對(duì)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(duì)減少就越慢，從而冷卻特性更加穩(wěn)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(yīng)，具有很高的化學(xué)穩(wěn)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。在淬火過程中，大部分粘附在工件表面的聚合物膜可以因?yàn)橹車乃直粴饣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(jī)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(zhǎng)，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)過程中，變質(zhì)的數(shù)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(zhǎng)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(bǔ)充的淬火劑通常具有固定的組分比例。因此，隨著淬火液的使用時(shí)間越長(zhǎng)，淬火量越大，以及淬火劑的補(bǔ)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. 自來水中含有可溶物質(zhì)的積累。
PAG淬火劑被加入自來水中制成PAG淬火液，因此自來水也是淬火液的一部分。在生產(chǎn)過程中，自來水容易揮發(fā)，需要經(jīng)常補(bǔ)充。自來水并非蒸餾水，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。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。隨著時(shí)間的推移，一些物質(zhì)會(huì)達(dá)到飽和，更多的部分則會(huì)沉淀下來。
4. 外來污染物。
除了淬火劑和水之外，生產(chǎn)過程中不可避免地會(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(xiàn)場(chǎng)常見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，并通過積累使?jié)舛仍黾?。這些可溶和不溶的外來物質(zhì)構(gòu)成了淬火液中的外來污染物。外來污染物基本上不會(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(jiān)管淬火液呢？
PAG淬火劑的工廠可以通過折光儀法、粘度法和真實(shí)濃度法來監(jiān)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(duì)溶液折光率的貢獻(xiàn)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(duì)溶液折光率的貢獻(xiàn)的簡(jiǎn)單疊加值。根據(jù)這種規(guī)律，用折光儀測(cè)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(duì)濃度會(huì)降低，而添加劑組分的相對(duì)濃度則要升高。同時(shí)，由于水分揮發(fā)，自來水中的可溶物質(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污染物等四部分對(duì)折光率的貢獻(xiàn)相加而成的。如圖1中B所示?？梢钥闯?，生產(chǎn)中用折光儀測(cè)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(shù)濃度。淬火液的使用時(shí)間越長(zhǎng)，淬火量越多，污染越嚴(yán)重，要求的折光儀
2. 粘度測(cè)量法是一種測(cè)量PAG淬火液粘度的方法。隨著淬火劑濃度的增加，PAG淬火液的粘度也會(huì)增加。在PAG淬火劑中，PAG聚合物對(duì)淬火液的粘度起著決定性的作用，而其他組分的影響相對(duì)較小。因此，通過測(cè)量粘度的方法可以較好地排除其他組分的影響，從而測(cè)量出溶液中PAG組分的濃度。然而，對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的PAG淬火液，使用粘度測(cè)量法可能會(huì)高估溶液中的有效濃度，從而導(dǎo)致溶液冷卻速度過快，存在一定的危險(xiǎn)。
3. 真實(shí)濃度測(cè)量法是一種利用PAG聚合物的逆溶性特性來測(cè)量淬火液濃度的方法。該方法通過加熱分離的方式，將具有逆溶性的聚合物與其他無逆溶性組分分離，然后使用折光儀測(cè)試法來計(jì)算淬火液的濃度。由于可以測(cè)定溶液中具有逆溶性的聚合物濃度，因此可以在較長(zhǎng)的使用時(shí)間內(nèi)較好地測(cè)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(tái)普通的折光儀，因此可以說是一種較好的測(cè)定溶液中PAG總量的方法。然而，與粘度測(cè)量法類似，如果只依靠該方法來控制濃度，隨著時(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
在淬火冷卻過程中，PAG聚合物不僅能從超過濁點(diǎn)的水中脫溶出來，還可能與其他脫溶出來的PAG聚合物一起粘附在工件表面上。這部分PAG的濃度被稱為有效濃度。通過在燒杯中進(jìn)行加熱試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，新配制的淬火液在被加熱到沸騰溫度時(shí)，脫溶出來的聚合物會(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)過長(zhǎng)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的聚合物并不會(huì)與其他聚合物相聚成絮狀，而是獨(dú)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(cè)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(dāng)。很明顯，下沉到杯底的那部分聚合物屬于非有效部分。無論是采用粘度法還是真實(shí)濃度法，都無法將非有效聚合物分離出來，因此也無法準(zhǔn)確地控制經(jīng)過長(zhǎng)期使用的淬火液的冷卻特性。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tuán)聚的條件。表面上聚集了這些污染物的脫溶PAG小珠子，因?yàn)槭チ司蹐F(tuán)和粘附到工件表面的能力，便成了無效的脫溶物。
綜上所述，PAG淬火液中具有逆溶性的組分并不都能起到調(diào)節(jié)冷卻特性的作用。因此，當(dāng)淬火液使用較長(zhǎng)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(jù)冷卻特性來進(jìn)行調(diào)節(jié)
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(diào)節(jié)其冷卻特性。因此，在熱處理生產(chǎn)中，需要控制的也應(yīng)該是淬火液的冷卻特性。前面提到的折光儀測(cè)試法、粘度測(cè)試法以及真實(shí)濃度測(cè)試法的采用，是利用這些參數(shù)的間接關(guān)系來反映淬火液的冷卻特性。
前面分析了常用的濃度測(cè)量方法對(duì)使用時(shí)間較長(zhǎng)的淬火液測(cè)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(jù)工件的淬火效果經(jīng)驗(yàn)調(diào)整濃度，二是使用冷卻特性儀來控制濃度
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整濃度的方法是記錄工件的淬火態(tài)硬度，制作圖表，用來觀察同類工件的硬度變化趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工件的淬火硬度連續(xù)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降低實(shí)際的冷卻速度。這可以防止淬裂的發(fā)生。而當(dāng)發(fā)現(xiàn)工件的硬度連續(xù)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增加冷卻速度。經(jīng)驗(yàn)法需要經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)格的管理，需要負(fù)責(zé)任，但卻非常有效、可靠，適合由工程技術(shù)人員來執(zhí)行。
為了控制濃度，可以使用冷卻特性儀。具體的方法是定期測(cè)量淬火液的冷卻特性，主要依靠300℃的冷卻速度來確定溶液的有效濃度，然后使用折光儀按比例來控制濃度。有條件的工廠可以購(gòu)買一臺(tái)冷卻特性儀，并安排專人進(jìn)行測(cè)定。其他工廠可以將樣品送到淬火介質(zhì)生產(chǎn)廠進(jìn)行測(cè)量。
為了測(cè)定水性淬火液的冷卻特性，可以選擇配備符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IS09950/ASTM)的瑞典IVF冷卻特性測(cè)試儀。
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