淺析熱處理PAG淬火液如何監管更有效？
發布日期2024.04.30 ?|
作者：上海川奇機電設備有限公司
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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)、復合添加劑和適量的水制成的。熱處理廠家，經常面臨如何有效控制PAG淬火液的問題。現在詳細解析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組分的特性和數量。其他添加劑對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，從而調整工件的冷卻速度。工件冷卻后，附著在表面的聚合物會重新溶解到淬火液中。然而，由于生產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。隨著長時間和大量淬火的進行，淬火液中PAG的相對濃度會逐漸降低，而其他添加劑的相對含量則會增加。因此，溶解得越充分，淬火液中PAG組分的相對減少就越慢，從而冷卻特性更加穩定。
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生反應，具有很高的化學穩定性。只有在高溫（約250℃以上）和有氧存在的條件下，才會發生氧化分解。在淬火過程中，大部分粘附在工件表面的聚合物膜可以因為周圍的水分被氣化而保持在低于水沸點的溫度。然而，緊貼工件表面的部分仍然可能升溫并發生氧化分解。氧化分解產生的低分子量氣體會逸出淬火液，而其他部分則留在液體中。此外，在高溫和機械剪切作用下，PAG會發生斷鏈，而斷鏈產物會殘留在淬火液中。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，熱處理生產的產量越大，淬火液使用的時間越長，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，因此在生產過程中，變質的數量也較少，變質產物基本不會揮發。添加劑組分的定性變化通常只會降低淬火液的防銹、防腐和消泡等輔助性能，而基本不會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，長時間使用的淬火液中，添加劑組分的濃度總是比新配制的高。然而，在生產中補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間越長，淬火量越大，以及淬火劑的補充量越多，淬火液中添加劑及其變質殘留物的濃度也會越高。相反，有效的PAG組分的濃度就會越低。
3. 自來水中含有可溶物質的積累。
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。在生產過程中，自來水容易揮發，需要經常補充。自來水并非蒸餾水，其中總含有少量但多種水以外的物質。在使用過程中，水揮發后，原本溶解其中的不揮發物質將殘留下來。因此，水中這些可溶物質及其在使用中的可溶變質殘留物的濃度會增加。這些物質在水中逐漸積累，濃度也會逐漸增高。隨著時間的推移，一些物質會達到飽和，更多的部分則會沉淀下來。
4. 外來污染物。
除了淬火劑和水之外，生產過程中不可避免地會將其他物質帶入淬火液中。例如工件上的氧化皮，以及現場常見的可溶和不可溶物質。其中的不溶物有的會形成沉淀，有的則懸浮在淬火液中。可溶物也會成為溶液的組成部分，并通過積累使濃度增加。這些可溶和不溶的外來物質構成了淬火液中的外來污染物。外來污染物基本上不會影響淬火液的冷卻特性，但其中的可溶物會增加溶液的折射率。
如何監管淬火液呢？
PAG淬火劑的工廠可以通過折光儀法、粘度法和真實濃度法來監管淬火液的濃度。
1. 折光儀濃度法 所有溶解進水中的物質都會改變水溶液的折光率。溶質對溶液折光率的貢獻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對溶液折光率的貢獻的簡單疊加值。根據這種規律，用折光儀測出的將是溶液中所有溶質的總的折光率。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聚合物的相對濃度會降低，而添加劑組分的相對濃度則要升高。同時，由于水分揮發，自來水中的可溶物質的濃度也會升高。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折光率的貢獻相加而成的。如圖1中B所示。可以看出，生產中用折光儀測量淬火液濃度時，為了保持一定的PAG濃度，必須使用更高的折光儀讀數濃度。淬火液的使用時間越長，淬火量越多，污染越嚴重，要求的折光儀
2. 粘度測量法是一種測量PAG淬火液粘度的方法。隨著淬火劑濃度的增加，PAG淬火液的粘度也會增加。在PAG淬火劑中，PAG聚合物對淬火液的粘度起著決定性的作用，而其他組分的影響相對較小。因此，通過測量粘度的方法可以較好地排除其他組分的影響，從而測量出溶液中PAG組分的濃度。然而，對于使用時間較長的PAG淬火液，使用粘度測量法可能會高估溶液中的有效濃度，從而導致溶液冷卻速度過快，存在一定的危險。
3. 真實濃度測量法是一種利用PAG聚合物的逆溶性特性來測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，然后使用折光儀測試法來計算淬火液的濃度。由于可以測定溶液中具有逆溶性的聚合物濃度，因此可以在較長的使用時間內較好地測量和控制淬火液的濃度。該方法不受其他組分含量的影響，只需要使用一臺普通的折光儀，因此可以說是一種較好的測定溶液中PAG總量的方法。然而，與粘度測量法類似，如果只依靠該方法來控制濃度，隨著時間的推移，實際的冷卻速度可能會偏高
4. 關于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。通過在燒杯中進行加熱試驗，可以發現，新配制的淬火液在被加熱到沸騰溫度時，脫溶出來的聚合物會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。而經過長期使用的PAG淬火液在被加熱到沸騰溫度時，可能有一部分脫溶出來的聚合物并不會與其他聚合物相聚成絮狀，而是獨自下沉到杯底，就像雪花一樣。這種淬火液，雖然用粘度法或真實濃度法測量的濃度較高，但其冷卻特性與較低濃度的新配淬火液相當。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濃度法，都無法將非有效聚合物分離出來，因此也無法準確地控制經過長期使用的淬火液的冷卻特性。
根據實驗結果，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的斷鏈產物中的逆溶性部分有關。
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聚合物接觸并團聚的條件。表面上聚集了這些污染物的脫溶PAG小珠子，因為失去了聚團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節冷卻特性的作用。因此，當淬火液使用較長時間后，為保證與新配制時相同的有效濃度，必須采用更高的真實濃度。
控制濃度的更好的方法是根據冷卻特性來進行調節
使用PAG淬火劑的目的是將其作為水的添加劑加入水中，以調節其冷卻特性。因此，在熱處理生產中，需要控制的也應該是淬火液的冷卻特性。前面提到的折光儀測試法、粘度測試法以及真實濃度測試法的采用，是利用這些參數的間接關系來反映淬火液的冷卻特性。
前面分析了常用的濃度測量方法對使用時間較長的淬火液測出的濃度往往高于實際的有效濃度。如果不加以修正，容易引起淬裂。修正的方法有兩種，一是根據工件的淬火效果經驗調整濃度，二是使用冷卻特性儀來控制濃度
根據經驗調整濃度的方法是記錄工件的淬火態硬度，制作圖表，用來觀察同類工件的硬度變化趨勢。當發現工件的淬火硬度連續偏高到一定程度時，及時采取升高淬火液濃度等方法來降低實際的冷卻速度。這可以防止淬裂的發生。而當發現工件的硬度連續一段時間偏低，或者硬度高低不均以及有較大變形時，考慮降低淬火液濃度來增加冷卻速度。經驗法需要經驗和嚴格的管理，需要負責任，但卻非常有效、可靠，適合由工程技術人員來執行。
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買一臺冷卻特性儀，并安排專人進行測定。其他工廠可以將樣品送到淬火介質生產廠進行測量。
為了測定水性淬火液的冷卻特性，可以選擇配備符合國際標準(IS09950/ASTM)的瑞典IVF冷卻特性測試儀。
