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谈谈PAG水溶性淬火介质的使用
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热处理设备展厅
退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ...
摘要:本文讨论PAG水溶性淬火介质的优缺点,冷却性能的基本数据以及在使用中注意的问题。

1 前言

PAG是英文名称的缩写,在英文中PAG有三种写法。详见表1

由于中文译名的混乱,尤其译为聚乙二醇更为不规范,因为在中文中已有聚乙二醇(PEG)。所以不如干脆译为PAG。PAG是聚氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物。调整两者的比例,可以得到70-88℃的逆溶点。逆溶现象指的是:随温度的上升,溶解度下降,所以称为逆溶。到达某一温度时溶质开始从溶液中析出,该温度称为逆溶点。由于逆溶性的存在,工件在淬火时,经过蒸汽膜阶段,沸腾阶段后,工件周围的液体温度高于逆溶点,PAG析出并在工件表面形成一个PAG的溶质膜。PAG的浓度越高,则该膜就越厚,溶液从工件脱热的能力就越差。这就是PAG降低低温区冷却能力的机理。即控制PAG的浓度就可以控制PAG溶质膜的厚度,从而可以得到比较理想的低温区冷却能力。

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逆溶点与浊点不同。作为淬火介质看重的是:当溶液的温度降到逆溶点时,析出的溶质应立即溶回溶液,这对于减少PAG的带出量,对稳定淬火介质的冷却能力有着重要的意义。有许多高分子化合物的水溶液,都有浊点。当它们的水溶液的温度下降到浊点时,溶质不会立即溶回溶液,只有温度下降许多之后,才能溶回溶液。

2 PAG淬火介质的优点

PAG淬火介质与传统的水和油相比较,有许多优点,它们是:

1)PAG工作液与水相同,它们不燃烧,无火灾隐患。

2)PAG工作液与油不同,淬火时无烟雾,无毒,有利于操作者身体健康。地面无油污,使得工作环境更清洁,舒适。

3)淬火油的运动粘度(40℃)为15-40mm²/s,而PAG工作液的运动粘度(40℃)仅为1-5mm²/s,因此,用PAG淬火时带出量小得多,降低了运行成本。

4)工件在PAG中淬火后,极易清洗,即使不清洗回火,也没有烟雾。

5)在高分子化合物中,PAG溶液的折光率高,因此采用折光仪容易检测它的浓度,保持稳定的冷却能力。

6)通过对浓度,温度和搅拌程度的控制,可以使PAG得到从水到油的不同的冷却能力。

7)采用PAG,设备上没有积碳,油泥等,易于设备的维修。

3 PAG淬火介质的缺点

1)PAG对温度比油敏感,使用温度范围窄,通常为20-50℃。要求有足够的冷却能力,尤其是在夏天,在南方。

2)PAG对浓度比较敏感,使用浓度范围窄,通常为±1%。要求经常地检测工作液的浓度,并且定期校对浓度系数。

3)PAG对搅拌程度要求比较严格,也就是说,在工件淬火区域内的搅拌程度应该保持一致,既足够强烈的搅拌和足够均匀的搅拌。以保证温度的均匀性,浓度的均匀性和冷却的均匀性。大多数的淬火事故,都来自搅拌的不均匀。

4)PAG与油比较它更易于污染,需要更精心的维护。

4 选用PAG的理由

1)从工艺上考虑。用水淬火畸变过大甚至开裂,用超速淬火油又淬不上火,这时必须考虑采用PAG。

2)从环保上考虑。为了不污染环境,有益于操作者身体健康,应该考虑采用PAG。

3)从能源上考虑。石油资源再有几十年就会枯竭,PAG是目前较好的代用品。

4)从成本上考虑。采用5-15%的PAG代油仅是油的1/6-1/2费用。

5 PAG和淬火油冷却性能的对比(典型冷却性能数据)

5.1.国家石化行标SH/T0220测试

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5-20%PAG、水、32号机械油、快速淬火油和超速淬火油按照SH/T0220测试的冷却性能如表3。冷却曲线见图1和图2。

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按照日本通行的惯例,水溶性淬火介质400-150℃平均冷却速度在100℃/s左右,即可用来代油。

国家石化行标SH/T0220和ISO-9950.(国际标准)JB/T7951-2004(机械行标)都是热处理油的测试标准,用来测试水基淬火介质不十分适用,但目前仍在借用。比较而言,采用ISO-9950.(国际标准) JB/T7951-2004(机械行标)稍好一些。

5.2 ISO-9950.(国际标准)即JB/T7951-2004(机械行标)测试

5-20%PAG、水、32号机械油、快速淬火油和超速淬火油按照ISO-9950.(国际标准)即JB/T7951-2004(机械行标)测试的冷却性能如表4。冷却曲线和冷却速度曲线见图3,图4。

按照国际通用惯例,水溶性淬火介质300℃冷却速度为水的一半即可用来代油。ISO-9950.(国际标准)即JB/T7951-2004(机械行标)是在静止的条件下测试的冷却性能,而实际淬火中都有搅拌。

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6 PAG适用范围

PAG适用于下列炉型:空气气氛炉、保护气氛炉、渗碳炉、碳氮共渗炉、感应加热炉以及流动粒子炉。可用于整体淬火和感应淬火,不推荐用于盐浴炉,尤其是含钡的盐浴炉。

PAG适用于水淬火的钢和大多数用油淬火的合金钢,但不推荐用于高速钢等合金量很高的钢种。

选用浓度的基本因素是工件和设备。

1)工件因素

材质:中碳结构钢:5-10%

高碳结构钢:10-15%

合金钢:15-25%

尺寸:小尺寸选用稍高的浓度,大尺寸选用稍低的浓度。

形状:复杂形状选用稍高的浓度,简单形状选用稍低的浓度。

硬度要求:要求硬度高选用稍低的浓度,要求硬度低选用稍高的浓度。

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2)设备因素

淬火批量:周期炉一次批量大或连续炉单位时间淬火量大,选用稍低的浓度;周期炉一次批量小或连续炉单位时间淬火量小,选用稍高的浓度。

搅拌程度:搅拌程度高,选用稍高的浓度:搅拌程度低,选用稍低的浓度。

温度控制:工作液温度高,选用稍低的浓度;运行温度低,选用稍高的浓度。

7 浓度的控制

7.1.工作液的配制

推荐使用自来水配制PAG工作液。地下水或其它水源的硬度可能偏高,这会降低工作液的有效浓度。算出所需的PAG总量,放入淬火槽中,加入所需要的水,开启搅拌至均匀后,测定浓度达标后即可使用。如果尚未达标,可微调后使用。7.2.浓度的测定和控制

7.2.1.折光仪测定

采用手持糖度折光仪测定BX值,乘以浓度系数2.5,得到工作液的百分比浓度。首先,用配制工作液的自来水(室温)将折光仪的BX值校准为零(“0”)。然后,测定工作液(室温)的BX值。注意,每一次测试之后,要用自来水冲洗到玻璃和盖板上没有残留的工作液,用脱脂棉将它们擦干后,进行下一次的测试。

一般选用BX值为0-10或0-15的折光仪,分辨度应为0.2BX,最好为0.1BX。

工作液受到污染后,BX值可能增加,这时测试到的浓度比实际浓度要高,浓度系数应该向小的方向修正。可以用运动粘度的方法加以修正。或者用冷却性能测试方法加以修正。

7.2.2.用运动粘度测定浓度

由于工作液的污染不影响运动粘度,因此可以用运动粘度来修正浓度系数。通常工作液服役一段时间后(一般二、三个月)就应该作一次修正。客户可以在当地石油部门测定最初工作液的运动粘度(40℃)以及服役后的运动粘度(40℃),参照BX值即可确定修正后的浓度系数。也可以交给供应商测定。还可以从供应商提供的运动粘度/浓度表和图查出工作液的实际浓度,求出修正后的浓度系数。

7.2.3.用冷却性能测定浓

对照工作液服役前后的冷却性能,参考表3和表4,确定现役工作液的实际浓度,求出修正系数。

7.2.4.用硬度法确定修正系数

根据自身的工艺条件,选定标准试样的材质和尺寸。根据工作液服役前后标准试样的硬度或硬度U曲线来修正浓度系数。工件本身的硬度变化也是修正浓度系数的根据。

7.2.5.选定浓度的工艺试验

如果是第一次选用水溶性淬火介质,这个试验是非常必要的和非常重要的。可供参考的建议是:首选的浓度为5%,用于中碳结构钢;首选的浓度为10%,用于其它钢材。首次淬火后,如果硬度偏低,应该加水降低浓度,提高冷却能力,直至找到合适的浓度;如果出现过大的畸变甚至开裂,则应提高浓度,再试,直至找到合适的浓度。有时还要对工件的加热规范和冷却规范作适当的调整。

在进行工艺试验时,要特别注意到温度和搅拌。

为了使某个浓度适用于多种钢材和工件,有必要对工艺进行调整。

7.2.6.浓度范围的控制

采用折光仪监测工作液,浓度波动应该控制在±0.5%范围内,即+0.2BX值。当发现偏差时应该及时加水或加JB-W4,调整到预定的数值。工作液长期服役后应该及时按照上述方法修正浓度系数。

8 温度的控制

JB-W4使用温度通常控制在20-50℃。温度下降会提高冷却能力。为了获得均匀的冷却能力,温度应该控制在较窄的范围。例如,30±10℃,35±lO℃,40±10℃。温度范围主要取决于浓度,硬度要求和搅拌程度。对于相同的硬度,浓度高则温度可稍低,搅拌程度稍大;浓度低则温度可稍高,搅拌程度稍小。

9 搅拌的控制

搅拌可以使工作液各处的温度和浓度均匀一致,使不同部位的工件获得均匀一致的冷却效果。搅拌还可以减缓工作液的变质速度。

搅拌可以破坏蒸汽膜而提前进入沸腾阶段,提高高温区的冷却能力,对低温区的冷却能力影响不大。螺施桨优于水泵搅拌,不推荐气泵搅拌。气泵可能引进气泡,产生软点或软带。

要经常监测工作液的不溶物的含量,定期或不定期的将它们清除出去,不能让它们影响搅拌的正常进行。

最近几年来,PAG广泛用于制钉行业的网带炉。由于一般的网带炉都是为淬火油设计的,所以改为PAG时,要特别关注淬火工件落料槽的冷却能力。工作液的搅拌系统或循环系统,对落料槽包裹着的工作液的影响不大,这部分工作液可能因为搅拌效果不好而过热,降低了落料槽内工作液的冷却能力,会出现个别的蓝色软钉。必要时,在工作液中的落料槽四壁上布满足够的孔,增加搅拌的效果。如果仍有蓝色软钉出现,可以增加一部水泵直接打入落料槽内。

10 工作液的污染

油类的污染:工厂用油绝大多数(乳化油除外)不溶于水,而且浮于水面,原则上不影响冷却能力。但是在从上面提取样品中会含有油,它会增加BX值。最好用烧杯提取样品,将油倒掉后再测试BX值。如果工件携带的油含有乳化剂,引起了工作液乳化,应该先将工件清洗。

作为碳氢化合物的油,是微生物的营养,易于造成工作液的腐败,应该及时加以清除。可以用簸箕将其撇去,或用旧报纸将其吸除。

不溶固体颗粒:主要是氧化皮,碳黑,灰尘等。只要它们不影响正常的搅拌或循环,就不影响冷却能力。悬浮在工作液中的固体颗粒会增加BX值。过多的固体颗粒会堵塞喷射孔和管路。大量的沉渣应该定期从底部捞走,悬浮的固体颗粒应该用过滤器除去。

可溶性物质:由于添加的水都含有金属离子,它们在水蒸发后富集于工作液中,影响冷却能力,增加BX值。另外混入的NaC1,Na2CO3 NaOH等都影响冷却能力,增加BX值。因此应该尽量避免可溶性盐和碱的混入。

11 结束语

随着石油资源的减少,PAG水溶性淬火介质越来越受到重视。从淬火油向PAG水溶性淬火介质的过渡需要实践。而且这个实践开始地越早越好。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/15/2009)
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