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聚合物淬火剂冷却机制

发布者:admin 时间:2017-09-26 16:38:00

 

 

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,用聚合物冷却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。

 

作者:南京洲联