聚合物淬火剂冷却机制

作者：南京洲联新产品技术研究所

欢迎访问e展厅 展厅 3 热处理设备展厅 退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ... 一、聚合物淬火剂的优点 现在世界各工业发达国家都大力发展并拥有自己的聚合物淬火剂，一些品种已纳入热处理工艺范围。其原因在于：传统的冷却介质，通常为水、油、盐水溶液、融碱或盐等。水价廉物美，但主要缺点是高温阶段冷却慢，低温阶段冷却太快，容易使零件形成软点和开裂。油一般只适应合金钢的淬火，对碳钢和合金钢大件往往达不到淬火性能要求，同时淬火时产生烟雾，不仅污染环境，甚至有时还导致着火危险。一般的盐水淬火，通常只能用于淬透性低的或大尺寸零件，而且易于锈蚀零件和工装。有些盐和碱适用范围有限，还对人体有害，如融碱和熔融硝盐。优良的聚合物淬火剂，可以克服一些常规介质存在的缺点，同时还具有优良的冷却特性，具有强大的生命力。因为有如下主要特点： 1，用聚合物 介质淬火的零件具有较高的力学性能和冶金质量。可以使零件得到较大的淬透深度，良好的内部组织，从而满足机械性能要求。同时，与水相比，可大大减小零件的变形和防止零件的开裂、报废。 2，适应性宽。因聚合物淬火剂，系水溶液，浓度可调，从而得到不同的冷却速度。所以无论钢铁零件，还是有色金属零件，都可用聚合物淬火剂淬火。 3，消除污染和公害。优良的聚合物淬火剂，无毒、无害、无味、不产生烟雾、也不会着火，消除了矿物油、融碱等带来污染和公害，改善了环境。 4，用户的总成本低。通常是淬火油的1/2--1/4。 二、聚合物淬火剂的冷却机理 世界各主要工业国已蓬勃发展了多种的聚合物淬火剂，如丙烯类聚合物（聚丙烯酸钠，代号ACR或SPA和PAM）、聚二醇（PAG）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）、聚氧化乙烯（PEO）等，其中的商品代号更是多种多样。但从冷却机理上分析，主要有两大类。这里所述的机理是排除外部影响因素如搅拌，仅从介质本身物理、化学属性在淬火介质冷却高温物体时，固体与液体界面及界面附近所发生的现象。 1，依工件表面蒸汽膜控制冷却速度 属于这类的典型冷却介质如聚乙烯醇（由于浓度检测很难，容易变质，国际已淘汰，国内少数单位还在使用），其溶液中的高分子，在遇到高温金属接触时，促进金属表面蒸汽膜形核、长大并增厚。在蒸汽膜破裂之前，膜的厚度不断增大。介质中聚乙烯醇的浓度越大，蒸汽膜的厚度越大，而且蒸汽膜的寿命越长。在金属表面由于水蒸汽膜的形成，气膜外侧介质的浓度不断增大，以致高于平均介质浓度，在高浓度的外侧，才是原来的平均浓度。所以诸如聚乙烯醇这样的介质，在冷却高温金属时，在沸腾阶段发生之前，金属表面蒸汽膜外侧只是形成高于平均浓度的浓溶液，而不是早期所说的塑料膜或聚合物膜。蒸汽膜具有隔热作用，同时蒸汽膜与液体界面上的高浓度的介质会降低沸腾阶段的热传导。所以控制介质的浓度，可得到一定厚度的蒸汽膜，从而控制冷却速度。 2，依工件表面析出聚合物薄膜控制冷却速度 许多水溶性的高分子聚合物，其水溶液都具有逆溶性质，即溶液受热升高到某一特定的温度时，高分子溶质不再溶于水而析出。这一特定的析出温度称为逆溶温度或逆溶点。析出的高分子聚合物呈团絮状，其比重大于水的则下沉，比重小于水的则上浮到水溶液的表面。高分子聚合物析出的量与浓度有关，浓度越大，析出的量越大。 作为聚合物淬火剂，使用的都是水溶液，在多种聚合物淬火剂中，大多都具有逆溶性而发生聚合物的析出现象。国内聚合物淬火剂使用多年，但现时仍有人认为只有一、二种聚合物淬火 剂具有逆溶性并在工件表面成膜的观点，这是违背科学规律的，违背客观实际的，是未深入研究的结果。 具有逆溶性的聚合物淬火剂，市场上常见的有聚二醇PAG（Polyalkylene Glycol)也可称为聚二醇醚或聚醚；丙烯聚合物如聚丙烯酸钠（Sodium Polyacrylates ,简称SPA)；聚丙烯酰胺酸酯(Polyacrylamide简称PAM); 聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,简称PVP）; 聚氧化乙烯（Polyethyleneoxide；简称PEO）等。 2-1，隔离膜的形成 在具有明显逆溶性和析出物的聚二醇（PAG）介质中冷却高温工件时，工件表面附近的溶液瞬间可达到逆溶温度以上，此时工件表面除形成一些蒸汽泡的核心外，还将从溶液中析出一些高分子。这些高分子由于热运动和对工件的浸润，会把蒸汽泡核心破坏而粘附到工件表面，随温度的降低和冷却时间的延长，工件表面即形成一定厚度含水的聚合物隔离膜，在特定温度下，隔离膜及其内外的蒸汽泡将发生爆破，形成最大冷却速度。在此后的对流阶段，由于高分子的溶质存在，热传导能力与水相比，总是减弱的。故比水的冷却速度小。 2-2，二次爆破 不只是PAG淬火剂，其他聚合物介质在高浓度时，冷却的高温金属表面附近，通常都会产生二次爆破，而且是发生在较低温度阶段，造成低温时的快速冷却。这是淬火冷却绝对应该避免的。可以说这是聚合物介质的“癌症”。是无论如何都应当克服的。在第一次爆破后，金属表面温度还再次达到逆溶温度以上，再次在金属表面形成更浓的聚合物膜和大大、小小的蒸汽泡。由于热力学能量关系，聚合物膜和蒸汽泡能维持的寿命是有限的，所以必然再次爆破。优良的聚合物淬火 剂，由于溶质的合理配置，是没有二次爆破的。 三、聚合物淬火剂的要求 1，力求具有好的溶解于水的性能； 高分子聚合物的品种很多，但能溶于或混溶于水的，并达到较大溶解度的品种并不是很多，最好能与水无限互溶。 2， 分子量大小应有一定要求； 前述聚合物淬火介质已有多种，但对某一特定的品种，其分子量要分布在一定方围内，因为同一聚合物，在其他条件相同时，冷却曲线的形状与分子量密切有关。如PAG是很多供应厂家推出的品种，但PAG只是有机聚合物的一个名称，它的分子量从几百到上万，其物态从液体到固体，其他物理化学指标亦十分分散。各厂家供应的PAG不尽相同。但是PAG的平均分子量在什么范围内最适合做淬火剂，缺少了解和研究。所以不能一说PAG就意味着它是很好的淬火介质。生产PAG的厂家，由于配方和聚合工艺的不同，生产出的PAG，其分子量的大小差别很大。 3， 具有比较理想的冷却特性； 即由淬火温度，或由预冷温度到Ar1附近，即所谓的高温区，介质对零件应具有缓慢的冷却速度，以防止热应力过大而引起零件变形。在奥氏体最不稳定的范围，即C--曲线的鼻部温度附近或所谓的中温区，介质对工件应用足够的冷却速度，以防止过冷奥氏体转变成非马氏体组织。在马氏体转变温度范围内，即所谓的低温区，介质对零件的冷却速度应当缓慢，以防止造成过大的组织应力和热应力的叠加值，导致零件的开裂。比较理想的冷却特性与恰当的选择浓度有关。某一品种淬火介质，在不同浓度时，冷却特性是不同的。 4，淬火介质来源方便、便宜、性质稳定和带耗少，经济性和可靠性要高。 有的淬火剂如聚乙烯醇（PVA）来源方便，价格也便宜，但化学性质不稳定，它的水溶液在工件高温受热和机械搅拌外力作用下容易变质，甚至出现异味。有的淬火介质如聚二醇（PAG）,虽然工件表面形成隔离膜，能在工件表面温度低于逆溶温度后，慢慢回溶到液体中，但工件淬火时通常要带温出水，所以带耗大。聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）不仅带耗大，还在工件冷却后于表面形成硬壳膜。有的品种是表面活性物质，如PAG、PEO(聚氧化乙烯)在搅拌时极易形成泡沫，必须再加入消泡剂加以解决。这种类型的淬火介质，通常抗微生物的能力差，由于微生物的混入，在夏天或长时间不用容易发臭变质，只好加入防腐剂来解决。 5，无毒、无害、无味、无烟雾、无污染；不腐蚀工件、工件和工装且易清洗。对黑色金属和有色金属淬火冷却，应相应控制不同的酸碱度。 五、本所产品的基本属性 本所出品的PQG、PQL、PQK等淬火介质是依消除、控制水蒸气汽膜，水溶液本身热传导性质与淬火工件之间发生的热交换实现淬火目的的。PAG淬火剂(PQAT、PQA)、高频淬火剂PQGP等品种，属于具有逆溶性的淬火介质，是典型的PAG聚二醇淬火介质，其使用浓度均在发生二次爆破的浓度以下。其优点： 1，PAG淬火剂(PQAT、PQA)、高频淬火剂PQGP，使用浓度低，带耗小。 2，PQG、PQL、PQK等使用寿命长（最高已达十年以上）性能稳定、不易变质、发臭、搅拌不易产生泡沫。 3，适用范围广，适用于渗碳淬火、调质淬火和表面淬火等热处理工艺。随浓度不同，几乎涵盖所有钢种，包括高合金钢制件的淬火冷却。 4，成本低廉。(end)

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