谈谈PAG水溶性淬火介质的使用

HEATS 发表于 2010-9-12 14:26:08

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PAG水溶性淬火剂

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 
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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。 

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。
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HIF-502PAG水溶性淬火液(水性淬火剂)
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。

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