水溶性淬火液

、 理 ．／／ 火／ 、 国外轴承技术．1995．3 一 、 序 言 水溶性淬火液 鲡 铨 f 近年来 贸易摩擦和 日元升值 发展到顶 点·’出口减少．产业界正处于严峻的环境之 中。在这严峻的处境下．为了今后稳定持续的 增长，必须揣摩进一步降低成本的问题。在热 处理方面欲谋求降低成本，必须推行采用廉 价材料 ，节约材料费．节约能源．采用自动 化，省人力．提高生产率等办法。由于水溶性 淬火液具有很强的冷却性能，几乎无火灾危 险，油烟引起的环境污染小，所以可以作为 满足上述要求的淬火 液。但是因为水溶性淬 火液的组成大半是水 ，具有充分使钢硬化的 冷却性能 ，而在抑制淬火变形和淬裂方面存 在问题 ．使用它时必须谨慎 。本文介绍水溶性 淬火液的性质、使用及管理等 二、水溶性淬火 液和淬火 油的冷却特性比较 图1是连续冷却相变曲线的例子，为了对 钢淬火，加热使之成奥氏体状态后需要急速 冷却．以免引起珠光体和贝氏体相变。但在马 氏体相变时，钢发生很大的膨胀 ，若在马氏 体相变区域不缓慢地冷却，就会由于处理物 表面和内部相变引起膨胀时间的不一致而产 生变形或破裂 另一方面，淬火油的冷却过程 可分为蒸气膜阶段、沸腾阶段、对流阶段。冷 却速度则按沸腾阶段、蒸气膜阶段、对流阶 段的顺序。图2是水溶性淬火液和淬火油的冷 却曲线 淬火油可 采用随意调整分子量(沸 点)的方法来调整对流阶段的开始温度 一般 可以设定淬火油的冷却特性在于冷却速度最 小的对流阶段冷却锕的马氏体相变区域。 与此相对，困水溶性淬火液的组成大部 分是水，其沸点为100℃，所以在于冷却速度 最大盼沸腾阶段冷却钢的马氏体相变 区域 结果．壁厚大和壁厚变化大的热处理物体，裂 纹或变形的危险性远比淬火油的大。因此，处 理碳钢之类物体时，必须选择蒸气膜阶段短、 在沸腾阶段马氏体相变区冷却速度小的水溶 性淬火液 目寸间’ 宙1 轴承钢两种连续冷却相变曲线 —oo ， 象、 圉2 水溶性淬火液和淬火油的冷击口曲线 一 水溶性淬火液 ，⋯ 津火油 三、水溶性淬火痕使 用的 聚合物种类及其特性 使用的水溶眭淬火液种类不同，其冷却 特眭和二次 陛能差别相当大 本文介绍市场 · 4l · 葺 维普资讯 http://www.cqvip.com 墨外轴承技术．199G．3 上锖售的主要水溶性淬火液的种类及其特 性 。 1．聚乙烯醇 (以下简称 PVA) PVA是很久以来一直用于高频淬火等 方面的聚合物 ．固有结晶性 ，即使少量添加量 (0．1～2 )也具有很大的冷却延迟效果，尤 其是喷射冷却显示出优良的冷却特性 。图3是 用顶端淬火试验法 (JISG056)将其冷却水改 变为水溶性淬火液测定的该冷却液的冷却曲 线。PVA水溶液因为在原液浓度低的同时， 在高温区域附在试样上的树脂分解，故在高 温区域具有近似于水的玲却特性 但水玲顶 端温度一降下来，就在表面上形成树脂聚合 膜，具有很大的冷却延迟效果。但其缺点是因 使用树脂的浓度非常低，要维护某一浓度范 围时，其管理是非常困难的。如图4所示，使 用液变质，没有了被膜形成能力，因此，低 温范围的玲却性大幅度提高，结果 ，无论怎 样进行浓度管理 ，都不能维持与新液相同的 冷却特性。必须在I～6个月内更换一次溶液 即使在这段时问内玲却特性也在时刻变化， 不能进行稳定处理 E}邢 ‘ 4矗 BB3 木溶性淬火液喷射冷却时的冷却曲线(试 样 SUYB一1，测 量 位 量 离 木冷 顶 端 1．Gram，加热温度9D0℃，液沮3D℃)(—— PVA型 ，⋯ 聚醚型) 2．聚异丁烯马来酸钠 (以下简称 PMI) PMI也是结晶性的聚合物，与 PVA一 -42· 样，在处理物表面上形成聚合物的重台膜，所 以即使原液浓度低，也有很好的玲却延迟效 果 (图5)。但是 ，若在碳钢等淬火要求的高温 区域提高冷却速度时 (使蒸气膜阶段缩短)， 低温区域的玲却速度也变大 ，不适合浸渍玲 却。其他问题与 PVA的相同，浓度管理困 难，不能维持衡定的冷却性。由于电导率高， 在高频淬火中有短路的危险，且容易腐败 田4 PVA型水溶性淬火液 的冷 却曲线、冷却 。建度曲装(液沮40"C)(——新液(原液浓 度d )．一-一使用液B )) 萋一 ’c 田5 PMI型水溶性淬火液的冷却速度曲线 (液温dD℃) U ● 峙肺 ‘ 田G SPA型水浩性淬火液的冷却曲线 (液沮 4D℃) 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外轴承技术．1995．3 3．聚丙烯酸钠 (以下简称 SPA) 因为 SPA形成要经过图6所示的长久稳 定的蒸气膜阶段 ，所以能有效地用于奥氏体 直接相变成贝氏体，有效地用于扭杆等的等 温淬火 。 4．聚醚 本文还有聚乙烯醇 (以下简称 PEG)和 环氧乙烷环氧丙烷共聚物 (以下简称 PAG，， 前者是结晶性聚合物 ，在任何温度下制成均 匀的水溶液。后者是液态聚合物 ，超过某一温 度，有聚合物和水分离的热分离效果，因此 如图7所示，PAG 在300℃左右冷却性能下 降，有更好的防淬裂效果。若观察其他特性， PEG因化学结构上无支链 ，对热分解是最稳 定的，但由于细菌作用易腐败，且因有结晶 性，飞贱时水蒸发后，残留白色结晶体，污 染工作环境。另一方面，PAG除比PEG冷却 性优 良外，耐腐败性能优良，即使飞贱，固 是液态，抹去简单 ，对工作环境污染小。缺点 是存在固热引起分离的聚 台物覆盖在处理物 体上 ．造成粘连，导致消耗量稍增大，提高 生产成本。另外其特点是，两种聚合物都是在 比较高的原液浓度下使用 ．故采用水溶性淬 火液的原液浓度容易管理。 - 爱 ’C 囝7 聚醚型 水溶性淬火液的冷却曲线 (液温 40℃)(——PEG型 (原液浓度10 )一 PAG型 (10 )) 除以上聚合物外，还有其他可用的聚合 物，但要得到比较好的调质效果，同时又得 到优良的防淬裂效果，并可维持一定冷却性 ． 优良的耐腐败性 ，一般认为 PAG最好。本文 即以 PAG为中心叙述 冷却特性和 管理方 法 。 四、水溶性淬火液的冷却特性 原液浓度、液温和搅拌速度对 PAG类 型水溶性淬火液冷却特性的影响介绍于下 1．原液浓度的影响 。 如图8所示 ，因原液浓度不同冷却性变化 很大 。原液浓度的变化表现为蒸气膜阶段长 度变化及沸腾阶段的冷却速度变化。这些变 化意味着具有这样的优点：水溶性淬火液可 根据处理物来调整冷却性 ，若要恢复如初，保 持一定冷却性，必须严格管理原液浓度。 2 液 温的影响 液温变化时的冷却性能变化示于图9。对 淬火油来说，即使在实用温度范围内改变油 温也仅仅是产生对流阶段的冷却速度稍有一 点变化。相反，用水溶性淬火液液温一变，冷 却性就大幅度改变，其原因是蒸气压不同。用 淬火油时，在常用温度范围内的蒸气压仅约 提高10。“mrnHg左右 。而水溶性淬火液的主 成分水，蒸气压在40'C下为55mmHg．若升到 60"C，蒸气压则变为150mmHg。由于它随液 温变化很大，故蒸气膜阶段的长短变化大。这 一 事实表明，要维护水溶牲淬火液的-定冷 却性，液温的管理是重要的。而且由于蒸气在 随液温上升而成指数函数上升，故尽量在低 液温下使用是因液温变化、蒸气压变化小，所 以冷却性能变化小。此外因液温对沸腾阶段 冷却速度的影响小，要防止淬裂 ，即使提高 液温来降低冷却性也得不到提高树脂浓度的 效 果。 __趸 ． ， 几 维普资讯 http://www.cqvip.com 置外轴承技术．1995．3 田8 不同水 一 2D 圉9 不 同水 一 9oo： 溶性淬火液浓度的冷却曲线、冷却速度曲线的变化 ‘ 沮4o℃)(--．--5％·-- 1 0~ ) ～ ：~～400 } ＼＼＼ } 川 一＼ m} ： 罔 10 水溶性淬比液因搅拌引起的冷却曲线、冷却速度曲线的变化 (原液浓度1D ，液沮40℃) (——无搅拌．一2D0rImln．一·--40Or／rain) 3．搅拌的影响 迅速地从处理物脱离出去，要进行搅拌，但 使用淬火油淬火时，为使产生的蒸气泡 冷却性能会因搅拌发生变化。图lO所示为搅 ·44 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 田外轴承技术．1995．3 拌时的冷却曲线。搅拌对蒸气膜冷却阶段冷 却速度的影响很大，但对此阶段长的水溶性 淬火液影响更大 ，且搅拌有方向性，因此使 用水溶性淬火液时使产生的气泡平稳脱离的 搅拌是适当的。用搅拌来弥补冷却性的不足 这一想法是不太令人满意的。 4．混人物的影响 常可以看到高频淬火时有前工序的切削 油混入，调质时水垢的混入。图l1所示为混入 乳化型切削油的冷却曲线。切削油混入，若粘 在处理物表面上 ，就有延长蒸气膜阶段的顷 向，是冷却不均匀的原因。因此即使 由外界来 的混入物也会使冷却状态不均匀。所以除去 混入物，保持稳定的冷却性是重要的。以上所 述为水溶性淬火液的冷却特性 ，但冷却特性 因诸因素不同变化很大。所以为了很好地使 用水溶性淬火液，需要在溶液的管理、油槽 结构方面下力气。 ~一ooj- ～．． ㈣} ＼ ～、 ＼ ＼ ‘ 。 -言_卜 言 —吉-_t 打 圉11 因油份混人承溶性淬火液导致冷却曲线 的变化 (原液浓度10 ，液温40~'C) (——没混人油份，一 —一混人溶性油 O、1 ．⋯ 混人溶性油0、5 ) 五、水溶性淬火液的管理方法 要维持水溶性淬火液性能，必须进行溶 液浓度管理 ，液温管理和腐败管理。下面叙述 这些管理方法。 1．浓度管理 通常在现场用手提式折射计(糖度计)进 行管理 。但是因水溶性淬火液与高温金属接 触，发生热分解，生成低分子化台物 ，结果 降低了防淬裂效果，但若用折射计进行管理 ， 只要没有分解物挥发，折射率几乎没有变化。 另外也有化合物氧化后折射率提高 的时候， 因此只用折射翠进行浓度管理，即使想要管 理达到一定的冷却性，有时也会因冷却性提 高而增加淬裂和变形 。 另一方面 ，粘度因聚合物的低分子化而 下降，图12所示为从开始至使用一年的溶液 的折射率，运动粘度和实际冷却速度的关系， 按折射率换算浓度与实际冷却速度的偏差为 换算值的25 左右，而按粘度换算的浓度，其 偏差仅为10 左右 据此 ，希望在现场用折射 率进行浓度管理，采用定期测定粘度来修正 折射计的指示值。若要更加严密，必须采用测 定冷却曲线补偿粘度指示值的偏差，且折射 计指示值和冷却性的偏差在使用初期阶段特 别大，在使用期闻热分解引起的消耗与新液 的补给达到平衡，渐渐趋向一定值 。因此 ，应 该在使用1～2个月内，每隔10日测定一次浓 度 。图l3所示的是聚醚型水溶性淬火液从新 液到使用4年的溶液的冷却曲线。图示出其蒸 点膜阶段的长度与350～150℃的平均冷却速 度的关系。两者的关系使用液与新液也几乎 无变化。这一事实表明，使用树脂型水溶性淬 火液只要修正浓度管理值就可长期保持溶液 的冷却特性。 c35口一150"C) C／= 自 鼹 f瑚 一1s ∞ c／, 围12 承溶性淬火液使用液的折射牢及牯度换 算浓度和平均冷却速度的关系 (——新 液 ，0使用液) 2、防锈管理 聚醚型的水溶性淬火液部分分解，其分 解物一氧化就生成了低碳酸 ，结果防锈剂消 耗后，pH值降低 ，具有产生装置腐蚀和处理 物生锈的危险。通常在防锈剂消耗和新液补 给达到平衡时 ，即使不另加防锈剂 ，pH值也 ·45 · 篓 I u 维普资讯 http://www.cqvip.com 田外轴承技术．1995．3 豫 ＆ 卞／m r, 刚。銮 萎 萎 芸 蓖数轴腐败进行程度 与蒸气膜长度的关系(0新液，△1～2年 。1 ⋯⋯u⋯工一 使甩液．+3～d年使 灌) 、 可 保持8以上。但使用的原液浓度降低 或分解、氧化激烈的话 ，往往会使 pH值降 低，因此要定期测定 pH值 ，若降低 ，必须添 加防锈剂来提高防锈能力。 3．腐败管理 PAG本身有优良的耐腐败性 ，所以不易 腐败，但若混入了作为细菌营养物的金属切 屑和油份，具备了相应舯 温度和 pH值等环 境条件，就会腐败。通常．腐败按好气性细菌 的繁殖——嫌气性细菌的繁殖——硫酸还原 性细菌的繁殖这一顺序进行 。若硫酸还原性 细菌繁殖到10 个／ml，就发生恶臭。为防止腐 败，使用无微生物的 自来水作稀释水，并且 不要从外部引入微生物营养源于油槽中，就 是说，除去调质中的水垢和高频淬火中混入 的油份是非常重要的。在炉子长期不用之前， 要检查活菌量，一旦细菌进入图14的注意范 围内，必须采取加热杀菌或添加杀菌剂杀菌 措施 以上所述的管理项目的管理范 围、检验 问隔时间一般如表l所示。但管理范围按处理 物和淬火方法采用更适度的为好。 表1 木溶性淬火液的管理方法 管理赝耳 ．管理幅度 硷验 间隔时间 现墙 接折射事接算浓度 管理值士lO 1敬／日～周 俄诅 ， 管 理值 士4c 1班 ／日～周 接牯度换算辩壅 管理值士lO 1趺／3个月 pH值 8 上 1次／3十 月 试验室 {争却曲线 (350~t50"C 管理值士20％ 1擞／6个月 的平均睁却速度) 恬茁投 圈14 长期停止前 六、结束语 水溶性淬火液有许多优点，但要进行稳 定处理有许多问题 要有效地利用其优点来 进一步 失使用范禺 ，必须进行如下研究：改 变容易使用水溶性潭火液的钢种 (如低碳 钢)，改变用水溶性淬火液冷却也不稳定的相 当难淬火的方法 (如锻造淬火)改善油槽结 构等 译自《润滑》蚺32卷第8号 (1987) 黄 丽镗 译 扬盒窖 授 、0． 一ub 一．。 ^ 一 ： ． 土． 维普资讯 http://www.cqvip.com