鋼材熱處理時,淬火油中含有水分是對正常淬火操作的最大危害 ,也是造成火災(zāi)的隱患。但在實際生產(chǎn)中似乎并未引起人們的足夠重視 ,質(zhì)量和火災(zāi)事故不時有所發(fā)生。本文作者先對油中含水的危害結(jié)合冷卻曲線進(jìn)行分析 ,并介紹水含量的定性和定量兩種測量方法。最后就可能造成油中含水的原因進(jìn)行分析 ,并對需要采取的對策提出建議。
1，油中含有水分的危害
淬火油中含有水分主要有以下三個方面的危害。
1） 惡化冷卻性能
圖1 常規(guī)淬火油含有水分
圖 2 快速淬火油含有水分
油中含有水分影響油的冷卻性能。一般地講使常規(guī)淬火油冷速有所加大 ,而對快速淬火油 ,因水會溶解其中的速冷劑 ,反使其冷速有所下降。圖 1和圖2分別是按照國際標(biāo)準(zhǔn)用的 ivf冷速測定儀測定的含
水的常規(guī)淬火油和快速淬火油的冷速(測定條件油溫60℃)。
圖 3是在不攪拌時 ,對另種快速淬火油不同水分含量的測量。
圖 3 油中含水的冷速比較
由圖可見 ,在高溫階段 ,含有水分的快速淬火油冷速低于不含有水分的快速淬火油 。而在低溫的對流階段 ,其冷速情況恰好相反 ,含有水分的快速淬火油的冷速快于不含水的。由圖可見 ,油中含水不僅使油冷速大小有變化 ,而且因蒸汽膜階段延長使最大冷速向下移動。造成這種現(xiàn)象的原因是 ,速冷劑增加冷速是通過縮短淬火油冷卻過程中的蒸汽膜階段 ,促使沸騰冷卻階段及早到來而實現(xiàn)的。在含有水分特別是在水分含量較高的情況下 ,速冷劑會因溶解于水而失去作用 ,延長了蒸汽膜階段。在對流階段 ,由于沒有攪拌 ,所以熱傳遞的“虹吸”作用減少 ,冷速的快慢主要取決于介質(zhì)本身的熱傳遞能力 ,水的傳熱能力(比熱、熱傳導(dǎo)等)遠(yuǎn)較油大 ,所以含有水分的油的冷卻速度就快于不含水的。蒸汽膜階段延長 ,最大冷速下移 ,對流冷速加大 ,這些對工件的淬硬性和變形都有很大的不良影響。圖 4所示的主動傘齒輪軸 ,采用 20CrMoTi 鋼制造 ,滲碳后在鹽爐局部加熱到 860℃油冷淬火 ,軸承頸先是出現(xiàn)軟點 ,后出現(xiàn)大塊不硬。金相觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,出現(xiàn)大塊珠光體組織。經(jīng)調(diào)查 ,該廠的水油槽相鄰，經(jīng)常進(jìn)行水淬油冷 ,造成油中含有約 3 %的水分致使蒸汽膜階段延長 ,導(dǎo)致珠光體生成 ,在蒸發(fā)去除水分后 ,這一問題得到順利解決。在同一油槽中進(jìn)行Φ15× 300mm的高強(qiáng)度螺栓淬火 ,淬火變形很大 ,徑向跳動達(dá)到 0，10～0，30 mm ,在去除水分后其變形也減少到 0，12 mm以下
圖4 主動螺傘軸
2）增加外溢和火災(zāi)危險
油中含有水分 ,受熱汽化造成體積急劇增加 ,出現(xiàn)突沸 ,這顯然增大了火災(zāi)危害 ,如果水分含量較大和油已經(jīng)形成分層狀態(tài) ,在缺乏循環(huán)的狀況下 ,水的突然汽化可能會造成爆炸。但實際上這種可能性并不大 ,因為淬火時介質(zhì)一般都處于攪拌狀態(tài) ,水和油很難形成分層狀態(tài) ,但產(chǎn)生突沸然后造成火災(zāi)的可能性還是比較大的 ,特別在連續(xù)淬火 ,油溫較高情況下更是如此。在油槽和加熱室相連的密封式爐中淬火更應(yīng)引起注意 ,因為突沸引起體積增大 ,使淬火油很有可能接觸到高溫加熱爐體 ,造成火災(zāi)。
油中含水出現(xiàn)泡沫不僅與水含量、在油中所處狀態(tài)(大小及分布)及油槽溫度高低有關(guān) ,而且與淬火油品質(zhì)也相關(guān)。例如在同樣含有 2 %水分時 ,有的油在100℃即開始起泡 ,而高品質(zhì)油到 110℃才起泡。其主要原因是淬火油中所用的添加劑表面活性不同。
3）加速油的老化
油中含有水后會加速油的老化。其原因主要是 :
①油中含有水分時 ,會使油中添加劑乳化 、沉降或水解失去效用。油中含有減緩老化的抗氧化劑、增加冷速的速冷劑和增加表面光亮度的光亮劑 。如前所述 ,速冷劑一旦不能發(fā)揮作用 ,就會影響油冷卻性能。抗氧化劑的失效自然會加速油的老化 。光亮劑的損耗以及油的老化會降低工件淬火后的表面光亮度。實踐證明 ,油中的水分只要達(dá)到 0，03 %時就會降低鋼特別是鉻鋼的表面淬火光亮度 。所以對表面質(zhì)量要求高的工件的淬火 ,更要注意監(jiān)測油中水分的
含量 ,在表面質(zhì)量出現(xiàn)惡化征兆時 ,應(yīng)檢查淬火油中是否含有水分。
②在油中乳化態(tài)的水和溫度作用下 ,碳粒(黑)會發(fā)生水解進(jìn)而與金屬粒屑反應(yīng)生成金屬碳化物粉粒金屬碳化物粉會因氧化生成酸 ,促使油泥形成 ,使油老化加速。
2,油中水分含量的檢測
實踐證明 ,油中含水在 0，03 %時開始對鋼淬火后的表面的光亮度有影響 ,在含水 0，05 %以上時 ,將使工件淬火變形量增加 ,含水量達(dá)到 0，10 %左右時就有可能使工件淬火出現(xiàn)裂紋 ,在含水量為 1 %以上時就有起泡、突沸的危險。一般地講 ,在油中含水超過 0，02 %時 ,就要引起注意。
油中水分的測定包括定性和定量兩種方法：
1）定性的方法
將所取得的樣品 (注意樣品一定要有代表性 ,若不能確定 ,需多點取樣) ,搖勻后倒入干燥試管 ,樣品數(shù)量約占試管體積的 1/ 3～2/ 3。然后用試管夾夾住試管 ,用酒精燈或其它熱源在試管底部加熱 (使試管與水平面呈 45°角,管口不要對人 ）如果樣品中含有少量水 則在油樣溫度高至冒煙前 就會聽到“噼啪”的爆裂聲 ,說明油樣中至少含有 0，01 %的水。油樣中的水通常會在試管口附近冷凝少量水珠 。油樣中若含有大于 1 %的水量 ,將導(dǎo)致油樣翻泡甚至爆沸。
定性的辦法既可以在實驗室測量 ,也可以在現(xiàn)場測量。一般可先在現(xiàn)場測量 ,如果現(xiàn)場測量含有水分 ,然后取樣再到實驗室進(jìn)行定量測量 。另外 ,現(xiàn)場測量 ,可從不同的位置取樣 ,驗證樣品是否有代表性。
2）定量的方法
油中水分的定量測定 ,一般需要在實驗室進(jìn)行 ,
其測量原理如下 :
將樣品(樣品的量要足夠 ,即其中的含水量要達(dá)到 0，5～10 ml 和經(jīng)過脫水處理的二甲苯或沸程為 90～120℃的石油醚放在燒瓶中蒸餾 ,然后在燒瓶上部通過冷凝接受水分。
設(shè)水分質(zhì)量百分含量為 X: X = V/ G× 100 %
式中 : V為收集到水的體積; G為樣品的質(zhì)量( g)。有時 油中含有低分子醇類 (如乙二醇) ,它們會進(jìn)入水中 ,測定結(jié)果可按照下式進(jìn)行修正：X = (100 - R. R/ 0. 63) × V/ G
式中 : R. R為所收集到的水的折光儀讀數(shù) ; X, G, V的含義同前。
3，油中含有水分的處理對策
對于油中含有水分 ,首先要查明原因 ,采取措施徹底根絕。空氣中的冷凝水有可能冷凝到油中 ,但實際上 ,冷凝雖然隨著各地的濕度不同而異 ,但在達(dá)到平衡時最多約為 0，04 %。所以 ,在水分含量稍大時 ,要認(rèn)真查找其它原因。
其他可能的原因主要有 :
①熱交換器漏入。一般工廠的淬火油都是用水來冷卻的。鐵制 冷卻管隨著時間推移會因銹蝕而泄露。另外 ,水在 30～40℃范圍內(nèi) ,易出垢沉積 ,堵塞管道。在灌洗管道 (一般都是用腐蝕性介質(zhì)如鹽酸 )時容易造成管道泄漏。
②其他與淬火油槽緊鄰部件中的水分瀉入 。例如 ,多用爐上部空冷電機(jī)的冷卻水的瀉入 ,有部件使用水基介質(zhì)作為工作介質(zhì) ,如抗燃液壓液等 ,混入到油中 ;
③工件帶入水分。如采用水淬油冷淬火方法 ,工件從水槽中帶入的水分及采用水基清洗劑工件從清洗液等中所帶入的水分等。
④淬火油儲存不當(dāng)或淬火油質(zhì)量不合格含有水分。圖 5 含水油樣趕水前后的冷速對比
⑤其它意外事故 ,例如漏雨或撲救火等情形。油中含有水分會造成諸多不良影響 。
因此對油中水分要設(shè)法去除。通常有以下幾個方法。
①加熱脫水。如果油閃點允許 ,將含有水分的淬火油加熱到100～120℃,并開動攪拌約 1 h直到氣泡消失。但要注意由于油在使用過程中的氧化和分解 ,輕質(zhì)餾分增多 ,閃點下降 ,最好在加熱前測定閃點 ,加熱溫度要比閃點低至少 30～50℃。
②沉淀脫水使油靜止較長時間 ,水分會沉積在油槽底部 ,然后將其從底部排除 ,但這要取決于油槽的設(shè)計。一般的多用爐的油槽底部可以排水 ,并有相應(yīng)的水分感測指示器。
③離心脫水
水油比重不同 ,故可在離心力作用下脫除水分 。該方法在廢油再生處理上經(jīng)常使用。
④過濾脫水
利用過濾介質(zhì)如黏土的吸附作用 ,吸收油中水分。但在過濾掉水分的同時 ,也可能把油中的有效添加劑過濾掉 ,應(yīng)注意精選過濾介質(zhì)并與油品供應(yīng)商聯(lián)系。油進(jìn)行脫水處理后應(yīng)該進(jìn)行冷卻性能測試 ,圖 5所示的冷卻曲線是含 0，25 %的水在經(jīng)過加熱脫水后測定的冷卻曲線
圖5含水油樣趕水前后的冷速對比
由圖可見 ,趕水后其高溫冷速有所加快 ,而對流冷速卻減緩了 ,這對于保證淬硬和減少變形和開裂將不無好處。
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