PAG淬火剂使用中应注意的问题与维护

简要描述:PAG淬火液的温度对冷却性能也有较大的影响:在一定的浓度和静止搅拌状态下,液温对冷却性能影响较大,随着液温的升高, 使其高温最大冷速和低温300℃冷速均有不同程度地降低,。
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PAG淬火剂使用中应注意的问题

1.适用的淬火工件的材料

目前PAG淬火剂广泛适用于中等厚度的中碳低合金钢(如40Cr、30CrMo 、35CrMo、34CrMo4 、40MnB、40CrMnMo、40CrNiMo 、42CrMo、65Mn、60Si2Mn、50CrV等)和小截面尺寸的中、高碳钢(45、60、70、T8A等),对于高淬透性钢(如5CrNiMo、H13、Cr12MoV等)通常采用普通油或快速油淬火。当采用PAG淬火液代替油淬火时,对于一定尺寸的工件可降低材料成本而采用较低淬透性的钢种,在达到同一性能或超出油淬性能(硬度、硬化层深度、金相组织级别等)的情况下,一方面可降低淬裂倾向,另一方面可降低钢材成本,会给企业带来显著的经济效益。

2.淬火液浓度及其控制

保证PAG淬火液浓度的稳定性并控制浓度波动是保证该淬火液冷却性能稳定性和保证热处理产品质量稳定的前提,应加以重视。

(1)测量仪器及使用要点

在生产现场,通常采用手持糖量折光仪测量PAG淬火液的使用浓度,生产中应注意下面几点问题:

①选择合适量程和精度的折光仪。PAG淬火液的使用浓度通常为3%~15%(8%~10%最常用),根据淬火液浓度相乘系数2.5,则选用的仪器量程BX为0~10(如WYT-10型)或0~15(如WYT-15型)。同时,该仪器的测量精度建议选用±0.1或±0.2的仪器,有些PAG淬火剂生产厂家推荐用户使用的折光仪的测量精度为±0.25或±0.5的仪器,其测量误差较大。

②测量前应对仪器进行调“0”校对,是获得准确测量结果的前提。

③测量时注意液温,该仪器是以30℃为基准,低于或高于基准,应按说明进行修正补偿。

(2)有效浓度与假浓度

对PAG淬火液而言,聚醚是控制淬火液冷却性能的重要组分,浓度的多少则代表淬火冷却初期工件周围聚醚的厚度(浓度高,聚醚就越厚,淬火液冷却就慢)。因此,对浓度高低的影响是聚醚。新配淬火液的浓度采用折光仪检测是比较准确的,但当淬火液使用一段时间(与淬火液中淬火剂的品质好坏和该液受污染的程度有关)后,因淬火液聚醚的碳化和受到不同程度的污染,使其对浓度的贡献除了少量聚醚以外,还有碳化的残留物、污染物(粉尘、氧化皮、油污等)的影响,增加检测读数BX值,则采用折光仪测量计算出的浓度(假浓度)会高于实际值(有效浓度),若不注意这一点,如果仍按假浓度进行淬火生产,则易使工件产生严重的变形和开裂。

因此,应及时地校对折光仪测量淬火液的相乘系数,目前有效的办法是依据淬火液的有效浓度与该淬火液的运动粘度和冷却特性的对应关系,通过找出聚醚对浓度贡献的真实有效浓度来校对该类淬火液的“浓度相乘系数”(一般向小于2.5的方向修正),用户可定期(每三个月)取样2L寄给淬火剂生产商进行检测校对修正,将现场浓度稳定控制在±0.5%,以减少因浓度的波动造成介质冷却性能的较大波动,从而稳定产品质量。

(3)浓度的选用

一般生产中常用的浓度范围为3.0%~12.0%,在搅拌及液温一定的条件下,应根据钢件材料的淬透性(主要取决于钢的化学成分)、工件形状和截面尺寸、技术要求等来确定使用浓度。原则上钢的淬透性好、工件小且形状复杂、易变形开裂的产品可使用较高的浓度,反之亦然。具体的浓度值,由用户经不同批次的试验和试生产后确定使用浓度范围(一般先从较高浓度试起),并经工艺评审后纳入热处理工艺规范。

3.PAG淬火液的冷却特性

(1)测量标准和仪器

目前,国内淬火介质生产厂家和客户常依据ISO9950(Industrial quenchingoil-determination of cooling characteristics-Nickel probe test method)、JB/T7951(淬火介质性能试验方法)、SH/T0220(热处理油冷却性能测定法)等标准来测量淬火介质的冷却性能。这几个标准除了检测温度(探头加热温度和介质温度)不同外,仪器的探头材料和尺寸也不同,ISO探头为φ12.5mm×60mm的Inconel 600镍基合金,而JB和SH标准探头的尺寸为φ16mm×60mm及φ10mm×30mm,两者均为银探头。与银探头相比,镍合金探头的热物理性能非常接近钢,其冷却过程更能真实地模拟钢件的淬火冷却过程。因此,目前国内外多数介质生产厂家一直按照ISO9950标准测量淬火油的冷却性能,该标准已被等效地转换为JB/T7951-2004。

利用符合ISO9950标准的ivf qunchotest 淬火介质冷却特性测定仪对淬火介质进行测量。ISO9950标准规定只适用于实验室标准条件下测定静止的油基介质试样,但ISO探头通过ivf检测仪已成功地应用于水基介质的检测(样品为2000ml/1000ml、探头加热温度850±2℃、液温常用30±2℃、静止冷却)。同时,要定期对探头进行标定(国内普遍采用N32机械油做为参照油)。

(2)冷却性能的检测及评价

经过信号转换处理,ivf仪首先绘制的是冷却过程曲线(温度-时间关系),然后经计算机处理绘制成冷却特性曲线(温度-冷速关系)。该冷却曲线应与所处理钢材的过冷奥氏体连续冷却曲线相对应,即最大冷却速度大体对应钢的过冷奥氏体孕育期最短的温度。目前,常采用冷却速度(最大冷速Vmax、最大冷速的温度Tmax、300℃的冷却速度V300)评价法,来评价介质的冷却性能,即以高温阶段的冷却特性(VmaxTmax)判定淬火液的淬硬能力能否满足钢件的淬火技术要求(淬火硬度和金相组织),低温阶段的冷却特性(V300)可以判定钢件的淬裂倾向性(V300值越大,淬裂倾向性就越大),定期测定PAG淬火液300℃的冷却速度已成为国内外热处理企业对淬火液进行监控的主要方法之一。同时,以冷却特性曲线的开度来衡量淬火介质的硬化功,这一点对要求一定淬硬层深度的中、大型钢件尤为重要。

按符合ISO9950标准的ivf仪检测的PAG淬火液的冷却特性介与自来水和油之间,其一定浓度下的冷却速度低于水或高于油,如表1所示。

表1  水、油、PAG液三种介质冷却性能对比 

         冷却特性指标

介质种类

Vmax/

℃/s

Tmax/℃ V300/

℃/s

备 注
自来水(30℃) 210~240 520~600 90~100 不同水质
N32机械油(40℃) 55~65 500~580 6~10 新油和老油
PAG液(10%、30℃) 150~170 600~750 30~65 不同PAG型号

注:表中数值是各地不同用户送检样品的检测结果范围。

(3)PAG淬火液的浓度、液温对冷却性能的影响

PAG淬火液的浓度对冷却性能有重大的影响:在一定的液温和静止搅拌状态下,随着淬火液浓度的提高,因工件表面PAG膜厚度的增加,使其高温最大冷速和低温300℃冷速均有不同程度地降低,如表2所示。

表2  PAG淬火液的浓度对冷却性能的影响

浓度/% 介质温

度/℃

Vmax

/℃/s

Tmax

/℃/s

V300/

℃/s

备 注
5.0 30±1 163 607 66 ISO 9950/

ivf仪检测

10.0 145 724 44
15.0 138 733 37
20.0 114 691 34

在钢料一定的淬透性和工件一定尺寸的情况下,提高PAG淬火液的使用浓度,可使其淬火冷却性能趋近于快速淬火油,可大大地减小钢件的淬裂倾向。

PAG淬火液的温度对冷却性能也有较大的影响:在一定的浓度和静止搅拌状态下,液温对冷却性能影响较大,随着液温的升高, 使其高温最大冷速和低温300℃冷速均有不同程度地降低, 如表3所示。当液温达50℃时,已明显出现蒸气膜,易使钢件产生大量的淬火软点。因此,对易变形和开裂的钢件,可通过提高液温或浓度的办法来保证质量,建议液温<50℃。在生产中,对于重要的产品,为了保证处理产品性能的一致性,通过调整淬火量与淬火液容量的比例关系并与换热相配合,应将温度波动控制在较窄的范围内(如±3℃)。

表3  PAG淬火液的浓度对冷却性能的影响

浓度/% 介质温

度/℃

Vmax/

℃/s

Tmax/

℃/s

V300/

℃/s

备 注
10.0 20 152 684 46 ISO 9950/

ivf仪检测

30 145 724 44
40 136 680 42
50 123 631 41

另外,搅拌的方式(推荐螺旋桨搅拌)和烈度对冷却性能和冷却均匀性也有影响,若钢件出现较多的淬火软点,除了与钢的淬透性和淬火介质的冷却能力有关以外,与循环搅拌关系很大。

4.热处理工艺的影响

(1) 淬火加热温度和淬火冷却

有条件的企业应按钢厂的冶炼炉号分炉分批地进行热处理。与原水淬和油淬相比,应根据钢料的化学成分、形状尺寸、技术要求,通常情况下其淬火加热温度应提高(与水相比)或降低(与油相比)。淬火温度带有普遍性,在特殊情况下,当不同炉号的同一钢件的化学成分碳当量偏上限或下限时,应调整其回火温度(上调或下调),以使性能达到均匀一致。

为了减少消耗,通常情况下,淬火应冷至PAG的逆溶点(一般≥70℃)以下。与原水淬相比,其淬火冷却时间应延长;与原油淬相比,其淬火冷却时间应缩短。为了提高钢件的淬火冷却均匀性,在搅拌的作用下,工件应分散冷却而不能堆积,以保证冷却均匀,建议应保证淬火液的温升(△T)<6。在特殊情况下,当工件形状复杂且易变形开裂时,则冷至150~250℃转入另一冷却缓慢的介质(油或空气),但PAG的消耗较大,应注意及时添加淬火剂原液。

(2)回火温度

淬火后应及时入炉回火,应根据钢件的材料、尺寸、技术要求、淬火效果等因素来选择回火温度,对于不同炉号的同一钢件应根据淬火硬度来调整回火温度。在通常情况下,经PAG淬火液淬火的钢件其回火温度通常高于油淬的回火温度、低于水淬的回火温度。对于大批量热处理生产的企业,可取不同炉号的同一钢料、同一规格尺寸的废品件按上一炉的生产工艺进行模拟淬火、回火试验,为制定合适的热处理生产工艺提供依据,可保证产品容易达到技术要求,可避免批量产品不合格而重复热处理。

钢件淬火后应及时入炉保温回火,以免产生裂纹,未及时回火而产生大批量裂纹报废的实例是很多的。

(3)淬火硬度

与油淬相比,在一定浓度下,工件经PAG淬火液淬火后的硬度比油淬高5~10HRC。淬火硬度的提高虽然有利于保证和提高金相组织级别,但却带来了产生淬火裂纹的危险性。对于一定尺寸的中碳低合金调质钢,为了保证金相组织合格,其淬火硬度应通过调整淬火温度、浓度、水温、搅拌烈度等因素控制到某种钢的半马氏体硬度加3~5HRC为好,不必去追求过高的硬度,以免带来产生淬火裂纹的隐患。在网带炉、铸链炉、推杆炉等连续式热处理生产线上,阶梯式的淬火加热工艺,既可保证金相组织合格(按GB13320-91标准评级)又可减少变形和开裂,但要注意防止淬火产生的水蒸气进入炉内而使工件氧化脱碳。

5.钢件“危险尺寸”的影响

一般情况下,不同成分的钢件都存在淬某种介质的淬裂“危险尺寸”,遇到此类情况,应特别注意采取措施,如预热、较低温度淬火(对金相组织要求不严的工件可采取“亚温淬火”)、预冷、提高PAG的浓度、提高液温、缩短冷却时间、及时回火等工艺措施。

6.工件裂纹的检查

采用PAG液淬火的工件通常应100%地进行磁性探伤检查,特别是每炉批产品的首件应及早进行探伤检查,确定无淬火裂纹后,才能批量淬火,以免造成不可挽救的损失(有些表面裂纹较浅,可机加工掉)。对于锻件毛坯热处理后喷丸并探伤后(纵向和轴向两个方向),还应进行机械加工后的二次探伤检查和相关的加载模拟试验。

7.减少PAG淬火液的带出量

采用PAG淬火液淬火后,工件表面带有一层PAG膜,造成淬火液消耗增大(PAG浓度、出水温度、PAG原料聚醚种类等因素影响钢件的带出量),建议在淬火槽旁增设一个热清水回收槽,将淬火出来的工件快速放入该槽中短时清洗或喷淋清洗回收后再回火,需要时将用清洗槽中回收且有一定PAG残液的水补加到淬火槽中,这样可明显降低PAG淬火液的消耗。

PAG淬火液的维护管理

1.浓度的监测

正常生产中应将淬火液的有效浓度控制在规定值的±0.5%之内。当淬火液污染较为严重时,用折光仪测量有较大偏差,应定期(3~6个月)测量淬火液的运动粘度值,用于校正折光仪计算浓度时的相乘系数(向小的方向修正)。也可采用加热分离和过滤技术,用重量法测量浓度并结合检测冷却特性,对其进行监控。

2.污染及防止措施

常见淬火液污染可分为油类污染、不溶固体颗粒污染和溶水性污染等三大类,应视情况分别加以处理。

(1)油类污染 一般情况下,漂浮在液面上的少量油污并不影响淬火液的冷却特性,但可为厌氧细菌的繁殖创造条件,易使淬火液变臭(若淬火液变臭,则降低PH值为8.0以下,可通过添加PH调整剂和杀菌剂并静止48小时后,清除槽底的沉淀污物即可恢复正常),只要经常用干净的报纸或吸附性的物质将油污吸掉即可。如果淬火液中混入可溶性油类,则与淬火液形成乳化液则会严重影响淬火液的冷却特性,可不同程度地增加低温冷速,引起工件的淬火开裂,应该避免。

(2)不溶固体颗粒污染 主要来源于工件淬火时带入的氧化皮,对淬火液的冷却特性影响不大,应定期过滤或捞渣。悬浮的固体颗粒往往会增大淬火液的折光率,造成大的测量误差。

(3)溶水性污染 如果盐、碱、酸等外来污染物进入淬火液,可改变淬火液的颜色、折光率,对淬火液的冷却特性有不同程度的影响(有些可溶物可改变PAG聚合物膜的形成特性),应尽量避免。如果受到此类污染,可采用加热提纯的方法,利用PAG的逆溶性使受污染的溶液恢复正常。

3.特殊情况的处理

(1)在热处理工艺规程中应规定,如果较长时间没有使用淬火液(尤其是在气候炎热、潮湿的霉雨季节),应每间隔3~5天对淬火液进行循环搅动1~2h,并控制该液的PH值为9.0~10.0(加入少量的弱碱性物质,能调整PH值),以增强淬火液自身的抗腐败能力。企业中的热处理检验部门应根据产品热处理工艺规程中的有关要求对其进行监督。

(2)在室外的PAG淬火液循环储液池应增设防雨棚,以避免雨水稀释和空气中的灰尘污染淬火液。

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