PAG水溶性淬火介质的使用

PAG淬火液使用淬火剂30度10%浓度曲线图PAG淬火液,是由聚烷撑二醇(Polyaleneglycol)聚合物加添加剂中的水溶剂的水溶性淬火介质.聚烷撑二醇是一种环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物,简称PAG.PAG淬火剂是当前国内外使用得最普遍和使用效果最好的水性淬火介质。

这类淬火介质在上世纪80年代中期开始进入我国热处理行业。

因为实际生产应用效果良好，很快就在一定范围内推广开。

但也出过这样一类问题：一些工厂开始时用得好，有的甚至发表了文章。

但过了不久，采用的相同的浓度，却有少量工件淬裂；继续用下去，淬裂的比例还逐渐增多。

找不到淬裂的原因，最终不得不停用。

究其原因，是不了解PAG淬火液在使用中的变化规律，因而没能采取相应的应对措施。

淬火液中的PAG聚合物本身相当稳定，在一般的使用条件下几乎不会被氧化分解，也不会和遇到的酸碱物质发生反应。

那么，问题出在什么地方？后来，经过研究发现，上面谈到的问题，实质上是使用中的有效浓度的测定方法问题。

PAG淬火剂是以PAG聚合物为主，加上其它提供辅助性能的添加剂而制成的。

在工件淬火过程中，工件周围的液温一旦升到溶液的浊点以上，PAG聚合物就从溶液中脱溶出来，以细小液珠形式悬浮在淬火液中。

悬浮的PAG液珠一接触到红热工件，就靠其非常好的润湿性粘附到工件表面上，成富水的包膜把工件包裹起来。

PAG淬火介质就是靠这种包膜来调节水的冷却速度，避免工件发生淬火开裂的。

工件冷却下来后，黏附在工件上的聚合物又会回溶到淬火液中。

回溶需要时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就将工件从淬火液中取出。

这样，工件带出的液体中PAG聚合物含量往往高于所用淬火液中的含量。

长期、大量工件淬火后，淬火液中PAG的相对浓度就必然逐渐降低，而其它添加剂组份的浓度却逐渐相对升高。

因为只有PAG才有调节水的冷却特性的作用，它的浓度降低就相应降低了淬火液调节冷却特性的能力。

由于一般工厂都采用折光仪来测定淬火液的总浓度，所以，在相同浓度上，使用久了的PAG淬火液冷却速度更快，成为引起淬裂的原因。

195中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2019.05 （下）1 课题背景淬火介质主要有水及无机物水溶液、有机聚合物水溶液以及油3类。

水及无机物水溶液主要应用于碳素钢的淬火，有机聚合物水溶液和油类淬火液主要应用于合金钢的淬火。

我司淬火介质有水和机械油2种，水主要用于抽油机从动轴等45号钢的淬火，机械油主要应用于合金钢及球墨铸铁件的淬火。

由于机械油淬火时产生的油烟较大，工人的劳动条件差，劳动强度大，淬火成本较高，要定期进行更换，否则调质件的淬火硬度不均，淬透层深度达不到工艺要求。

而PAG 水溶性淬火剂由于具有特有的逆溶性、浓度可以调节、热稳定性好、长期使用不变质、有效寿命长，无毒、无烟、无火焰、健康环保、综合成本低等优点，而被国内外越来越多的热处理生产厂家应用。

为了提高调质件的质量，降低热处理生产的成本，改善工人的劳动强度和劳动条件，我司决定采用PAG 淬火工艺代替机械油淬火工艺。

2 主要研究内容2.1 PAG 淬火剂应用研究试验的主要内容PAG 淬火剂工艺参数的确定、工艺规程的编制、调质处理后的组织和硬度能否达到工艺要求和设计要求。

2.2 主要技术路线项目的可行性调研和论证→工艺参数的选择→工艺规程的编制→操作人员和技术人员的培训→PAG 淬火剂调质处理应用试验→质量检测→工艺参数的修正→工艺规程的修改→投入生产应用。

2.3 工作机理PAG 水溶性淬火剂是靠其独有的逆溶性、良好的润湿性来控制工件的冷却速度。

（1）逆溶性。

该淬火介质配制的淬火液随淬火液温度升高，溶于水的百分比降低，直至浊点温度PAG 的组分瞬间脱离出来，由于淬火液只有在红热的附近才能达到浊点的温度（≥71℃），所以工件被脱溶出的富含水的PAG 包围，包热处理生产中PAG 淬火剂的应用研究肖柳（大庆装备集团吉林分公司，吉林 松原 138000）摘要：本文研究了PAG 水溶性淬火剂的工作机理及其在实际生产中体现出的优于机械油淬火剂的优良特性。

PAG是英文名称的缩写，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，工作在淬火时，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，该膜就越厚，溶液从工件吸热的能力就越差。

这就是PAG降低低温区冷却能力的机制，即控制PAG的浓度就可以控制PAG 溶质膜的厚度，从而得到比较理想的低温区冷却能力。

引起紧固件淬火开裂的主要原因是在钢开始发生马氏体转变（MS）点及在此以下的温度范围冷却过快。

由于这样的原因，水溶性淬火介质通常就以零件冷却到300℃时的冷却速度来表示该淬火液的冷却特征。

考虑到高强度紧固件多数选用中碳结构钢的MS点在300℃附近，故选用好富顿AQ251等PAG类淬火液。

简单说，它在300℃冷却速度低，其防止螺栓淬裂的能力就强，而在300℃冷却速度高，其淬硬能力也高，当然螺栓淬裂倾向大。

PAG淬火液的使用特点是冷却特性可调，浓度测控容易。

由于液温对冷却特性影响较大，使用PAG淬火液时，应当配备完整的循环冷却系统，以便在使用中调节液温50℃以下正常使用。

浓度一定时，液温升高冷却速度会降低。

为了获得尽可能前后一致的淬火冷却效果，应当将淬火介质的温度控制在更窄的范围25℃--35℃，如果由于天气原因，严格控制液温有困难，也可以通过改变浓度来调节淬火冷却速度。

比如，夏天气温高，冷却系统一时不能将淬火液温度降到规定范围，可以向其中多加些自来水，以便提高淬火冷却速度；冬天液温过低，可以靠通入高温水蒸汽加热淬火液或通过提高浓度来降低淬火冷却速度。

一些含碳量低≤0.20%-0.35%的碳素结构钢，淬透性差且形状简单的螺栓、螺母的调质淬火，往往可以用自来水，可以节省生产成本。

研究报告项目名称: PAG水溶性淬火介质热稳定性、环保与冷却特性研究合同编号:承研方: 中国科学技术大学项目负责人: 彭良明编制日期: 二零一零年十月三十一日目录一、研究内容与目标 (3)二、研究成果 (3)(一) 淬透性(圆柱形工件淬透临界直径) 测定 (3)(二)、高纯PAG化学热稳定性测定及环保特性评价 (4)1. 三种高纯PAG及其15%水溶液外观比较 (4)2. 三种高纯PAG差热-热重(DSC-TG) 分析 (5)3. 三种高纯PAG化学热稳定性的气相色谱-质谱联用(GS-MS)分析 (8)(三)、三种PAG水溶液对合金钢淬火冷却特性评价 (12)1. 不同淬火介质对三种相同直径合金钢工件的冷却特性 (12)2. 15%SA-PAG水溶液对相同直径不同材质工件淬火时冷却特性比较 (15)3. 工件直径对15%SA-PAG水溶液冷却特性的影响 (16)4. 搅拌对15%SA-PAG水溶液冷却特性的影响 (18)5. 同浓度不同生产厂家PAG冷却特性比较 (19)(四)、淬火介质冷却特性参数物理含义 (20)(五)、不同淬火介质对三种合金钢淬火及回火后组织比较 (21)(六)、水、PAG淬火介质对不同材质铝合金的淬火冷却试验 (23)1. 水、15%SA-PAG水溶液对两种铝合金淬火的冷却特性 (23)2. 不同淬火介质对2A12、ZL114A两种铝合金淬火后组织比较 (25)三、结论 (30)1. 关于三种合金钢的淬透性 (30)2. 关于三种PAG物理、化学及热稳定性与环保特性 (30)3. 关于PAG水溶液冷却特性 (31)一、研究内容与目标1. 高纯PAG化学热稳定性测定及环保特性评价；2.不同浓度PAG水溶性淬火介质关于合金钢(30CrMnSiA、40CrNiMoA、2Cr13) 等材料的淬火冷却特性比较研究(与水、油比较)，建立相应的应用工艺规范。

二、研究成果(一) 淬透性(圆柱形工件淬透临界直径) 测定钢的淬透性是指刚在淬火时能够获得马氏体组织的倾向，它是钢的一种固有属性。

烟台水溶性PAG淬火液烟台水溶性PAG淬火液由聚醚类高分子材料添加多种表面活性剂制成，与水可配成多种浓度，具有不同冷却特性的水性淬火液，无毒无害，不燃烧，无油烟，无火灾危险，使用安全，经济环保，广泛应用于各种工件的感应淬火、渗碳、碳氮共渗淬火、整体淬火、铝合金固溶处理等热处理作业。

烟台水溶性PAG淬火液对水有逆溶性，加热水性PAG淬火液至74℃逆溶点析出，可消除淬裂和软点，淬火后表面硬度高且均匀，淬硬层深，适用范围广。

调节水性PAG淬火液浓度，可获得水和油之间不同的冷却能力，减少工件变形量和开裂。

水溶性PAG淬火液具有良好的防锈效果，淬火时清洁环保，不易老化变质，使用寿命长，有效改善工作环境，提高零件的淬火质量，降低生产成本，是一种成熟的热处理淬火介质。

本品克服了水冷却速度快，油品冷却速度慢，防止水淬开裂，淬火效果差且易燃等缺点。

项目技术指标外观(原液) 浅黄色透明液体PH值9.50水溶性74℃逆溶析出，74℃以下溶于水防锈性≥5%具有良好的防锈性密度(15.6℃,g/cm3) 1.078粘度(40℃，Cst)原液280±20 水溶液(37.8℃，Cst)5% 1.1710% 1.9020% 4.3130% 8.50采用符合ISO9950标准的IVF冷却速度测试仪测得不同浓度THIF-502水性PAG淬火液与水的冷却速度值对比如下表：淬火介质温度最大冷速（℃/S）300℃冷速（℃/S）水35℃221 102.4水性PAG淬火液5% 35℃205 87.9 10% 35℃170 61.4 20% 35℃129 36.8K油50℃101 14.0G油50℃92 6.52#机油50℃73 11.5 由上表可见，20%浓度以下的THIF-502水性PAG淬火液冷却速度介于水油间。

烟台水性PAG淬火液适用于锻钢，铸铁，铸钢以及冲压件等的淬火；渗碳钢20CrMo、20Cr、20CrMnTi等的渗碳淬火；碳素钢A3、08、10、35、45、55、35K等整体淬火或连续淬火；弹簧钢55CrSi、65Mn、50CrV、60Si2Mn等的整体淬火；磨具钢5CrMnMo、5CrNiMo、H13等的整体淬火；中低碳合金钢30CrMo、34CrNiMO、35CrMo、40Cr、40MnB、40CrNiMo、42CrMo、50CrNiMo等整体淬火或连续淬火；不锈钢1Cr13、2Cr13等的整体淬火；原来使用水淬油冷的淬火工艺可使用水性淬火液替代。

PAG水溶性淬火介质的使用PAG是英文名称的缩写，在英文中PAG有三种写法。

由于中文译名的混乱，尤其译为聚乙二醇更为不规范，由于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，工件四周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。

有很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，只有温度下降很多之后，才能溶回溶液。

PAG淬火介质的优点PAG淬火介质与传统的水和油相比较，有很多优点，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，有利于操纵者身体健康。

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，降低了运行本钱。

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，因此采用折光仪轻易检测它的浓度，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。

PAG淬火液的使用要点PAG淬火剂自1965年获得专利以来，在国外已有40多年的使用经验。

在我国此产品的推广应用也有近20年的历史。

目前，紧固件行业选用的中碳结构钢、低碳合金钢量大，故须采用水溶性PAG淬火介质才能满足技术要求。

针对M16以下的8.8级高强度紧固件，常用材料为中碳结构钢（SWRCH35K、35#、ML35、ML35Mn、45#）。

在淬火时造成变形和开裂缺陷时有发生，原因非常多。

这里仅从PAG淬火剂的使用要点，谈一点实践体会。

1.原材料的质量控制首先，购买正规钢厂生产的原材料（应按冶炼炉号建档），并附有可靠的质量保证书。

其次，对进厂的原材料按炉号进行化学成分、低倍组织、机械性能等项目的复查，合格的材料才能投入使用。

再次，对合格的原材料在各个生产工序（冷镦、搓丝，尤其是热处理）中实行分批分炉管理（剩余的成品料可按化学成分的相近组成混合批）。

在一定条件下实行分炉管理，是确保同一炉号材料，同一尺寸的不同批次紧固件获得性能一致性的先决条件。

2.淬火液浓度的影响在一定液温和搅拌烈度下，根据紧固件的材料、尺寸大小和形状复杂程度，通常使用的浓度范围为3%-10%（冷却特性介于水油之间），具体的浓度值，由实际生产经不同批次的试验后确定。

如：AQ251浓度推荐值，针对中碳结构钢冬季为4.5%—5.5%、夏季为3.5%--4.0%。

浓度低是使用PAG淬火剂产生变形和开裂缺陷最常见的原因之一。

要经常手持糖量折光仪（现场检测PAG淬火剂的浓度，最小PAG 淬火剂分辨刻度以0.02%为佳），为了保证检测的准确性，通常在现场测量淬火液浓度前，用自来水校对该仪器（记下误差值），用测量值减去误差值后乘以该淬火剂的相乘系数，就得到该液的浓度。

正常生产中应将淬火液浓度控制在规定值的±0.5%之内。

淬火剂在使用过程中，由于污染和介质老化等原因，折光系数会降低。

这时应采用冷却介质性能检测仪（如ivf仪、KHR仪等）测定PAG淬火液的冷却速度，对介质进行有效监控，从而保证淬火质量的稳定性。