钢材热处理时,淬火油中含有水分是对正常淬火操作的最大危害 ,也是造成火灾的隐患。但在实际生产中似乎并未引起人们的足够重视 ,质量和火灾事故不时有所发生。本文作者先对油中含水的危害结合冷却曲线进行分析 ,并介绍水含量的定性和定量两种测量方法。最后就可能造成油中含水的原因进行分析 ,并对需要采取的对策提出建议。
1，油中含有水分的危害
淬火油中含有水分主要有以下三个方面的危害。
1） 恶化冷却性能
图1 常规淬火油含有水分
图 2 快速淬火油含有水分
油中含有水分影响油的冷却性能。一般地讲使常规淬火油冷速有所加大 ,而对快速淬火油 ,因水会溶解其中的速冷剂 ,反使其冷速有所下降。图 1和图2分别是按照国际标准用的 ivf冷速测定仪测定的含
水的常规淬火油和快速淬火油的冷速(测定条件油温60℃)。
图 3是在不搅拌时 ,对另种快速淬火油不同水分含量的测量。
图 3 油中含水的冷速比较
由图可见 ,在高温阶段 ,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 。而在低温的对流阶段 ,其冷速情况恰好相反 ,含有水分的快速淬火油的冷速快于不含水的。由图可见 ,油中含水不仅使油冷速大小有变化 ,而且因蒸汽膜阶段延长使最大冷速向下移动。造成这种现象的原因是 ,速冷剂增加冷速是通过缩短淬火油冷却过程中的蒸汽膜阶段 ,促使沸腾冷却阶段及早到来而实现的。在含有水分特别是在水分含量较高的情况下 ,速冷剂会因溶解于水而失去作用 ,延长了蒸汽膜阶段。在对流阶段 ,由于没有搅拌 ,所以热传递的“虹吸”作用减少 ,冷速的快慢主要取决于介质本身的热传递能力 ,水的传热能力(比热、热传导等)远较油大 ,所以含有水分的油的冷却速度就快于不含水的。蒸汽膜阶段延长 ,最大冷速下移 ,对流冷速加大 ,这些对工件的淬硬性和变形都有很大的不良影响。图 4所示的主动伞齿轮轴 ,采用 20CrMoTi 钢制造 ,渗碳后在盐炉局部加热到 860℃油冷淬火 ,轴承颈先是出现软点 ,后出现大块不硬。金相观察结果发现 ,出现大块珠光体组织。经调查 ,该厂的水油槽相邻，经常进行水淬油冷 ,造成油中含有约 3 %的水分致使蒸汽膜阶段延长 ,导致珠光体生成 ,在蒸发去除水分后 ,这一问题得到顺利解决。在同一油槽中进行Φ15× 300mm的高强度螺栓淬火 ,淬火变形很大 ,径向跳动达到 0，10～0，30 mm ,在去除水分后其变形也减少到 0，12 mm以下
图4 主动螺伞轴
2）增加外溢和火灾危险
油中含有水分 ,受热汽化造成体积急剧增加 ,出现突沸 ,这显然增大了火灾危害 ,如果水分含量较大和油已经形成分层状态 ,在缺乏循环的状况下 ,水的突然汽化可能会造成爆炸。但实际上这种可能性并不大 ,因为淬火时介质一般都处于搅拌状态 ,水和油很难形成分层状态 ,但产生突沸然后造成火灾的可能性还是比较大的 ,特别在连续淬火 ,油温较高情况下更是如此。在油槽和加热室相连的密封式炉中淬火更应引起注意 ,因为突沸引起体积增大 ,使淬火油很有可能接触到高温加热炉体 ,造成火灾。
油中含水出现泡沫不仅与水含量、在油中所处状态(大小及分布)及油槽温度高低有关 ,而且与淬火油品质也相关。例如在同样含有 2 %水分时 ,有的油在100℃即开始起泡 ,而高品质油到 110℃才起泡。其主要原因是淬火油中所用的添加剂表面活性不同。
3）加速油的老化
油中含有水后会加速油的老化。其原因主要是 :
①油中含有水分时 ,会使油中添加剂乳化 、沉降或水解失去效用。油中含有减缓老化的抗氧化剂、增加冷速的速冷剂和增加表面光亮度的光亮剂 。如前所述 ,速冷剂一旦不能发挥作用 ,就会影响油冷却性能。抗氧化剂的失效自然会加速油的老化 。光亮剂的损耗以及油的老化会降低工件淬火后的表面光亮度。实践证明 ,油中的水分只要达到 0，03 %时就会降低钢特别是铬钢的表面淬火光亮度 。所以对表面质量要求高的工件的淬火 ,更要注意监测油中水分的
含量 ,在表面质量出现恶化征兆时 ,应检查淬火油中是否含有水分。
②在油中乳化态的水和温度作用下 ,碳粒(黑)会发生水解进而与金属粒屑反应生成金属碳化物粉粒金属碳化物粉会因氧化生成酸 ,促使油泥形成 ,使油老化加速。
2,油中水分含量的检测
实践证明 ,油中含水在 0，03 %时开始对钢淬火后的表面的光亮度有影响 ,在含水 0，05 %以上时 ,将使工件淬火变形量增加 ,含水量达到 0，10 %左右时就有可能使工件淬火出现裂纹 ,在含水量为 1 %以上时就有起泡、突沸的危险。一般地讲 ,在油中含水超过 0，02 %时 ,就要引起注意。
油中水分的测定包括定性和定量两种方法：
1）定性的方法
将所取得的样品 (注意样品一定要有代表性 ,若不能确定 ,需多点取样) ,摇匀后倒入干燥试管 ,样品数量约占试管体积的 1/ 3～2/ 3。然后用试管夹夹住试管 ,用酒精灯或其它热源在试管底部加热 (使试管与水平面呈 45°角,管口不要对人 ）如果样品中含有少量水 则在油样温度高至冒烟前 就会听到“噼啪”的爆裂声 ,说明油样中至少含有 0，01 %的水。油样中的水通常会在试管口附近冷凝少量水珠 。油样中若含有大于 1 %的水量 ,将导致油样翻泡甚至爆沸。
定性的办法既可以在实验室测量 ,也可以在现场测量。一般可先在现场测量 ,如果现场测量含有水分 ,然后取样再到实验室进行定量测量 。另外 ,现场测量 ,可从不同的位置取样 ,验证样品是否有代表性。
2）定量的方法
油中水分的定量测定 ,一般需要在实验室进行 ,
其测量原理如下 :
将样品(样品的量要足够 ,即其中的含水量要达到 0，5～10 ml 和经过脱水处理的二甲苯或沸程为 90～120℃的石油醚放在烧瓶中蒸馏 ,然后在烧瓶上部通过冷凝接受水分。
设水分质量百分含量为 X: X = V/ G× 100 %
式中 : V为收集到水的体积; G为样品的质量( g)。有时 油中含有低分子醇类 (如乙二醇) ,它们会进入水中 ,测定结果可按照下式进行修正：X = (100 - R. R/ 0. 63) × V/ G
式中 : R. R为所收集到的水的折光仪读数 ; X, G, V的含义同前。
3，油中含有水分的处理对策
对于油中含有水分 ,首先要查明原因 ,采取措施彻底根绝。空气中的冷凝水有可能冷凝到油中 ,但实际上 ,冷凝虽然随着各地的湿度不同而异 ,但在达到平衡时最多约为 0，04 %。所以 ,在水分含量稍大时 ,要认真查找其它原因。
其他可能的原因主要有 :
①热交换器漏入。一般工厂的淬火油都是用水来冷却的。铁制 冷却管随着时间推移会因锈蚀而泄露。另外 ,水在 30～40℃范围内 ,易出垢沉积 ,堵塞管道。在灌洗管道 (一般都是用腐蚀性介质如盐酸 )时容易造成管道泄漏。
②其他与淬火油槽紧邻部件中的水分泻入 。例如 ,多用炉上部空冷电机的冷却水的泻入 ,有部件使用水基介质作为工作介质 ,如抗燃液压液等 ,混入到油中 ;
③工件带入水分。如采用水淬油冷淬火方法 ,工件从水槽中带入的水分及采用水基清洗剂工件从清洗液等中所带入的水分等。
④淬火油储存不当或淬火油质量不合格含有水分。图 5 含水油样赶水前后的冷速对比
⑤其它意外事故 ,例如漏雨或扑救火等情形。油中含有水分会造成诸多不良影响 。
因此对油中水分要设法去除。通常有以下几个方法。
①加热脱水。如果油闪点允许 ,将含有水分的淬火油加热到100～120℃,并开动搅拌约 1 h直到气泡消失。但要注意由于油在使用过程中的氧化和分解 ,轻质馏分增多 ,闪点下降 ,最好在加热前测定闪点 ,加热温度要比闪点低至少 30～50℃。
②沉淀脱水使油静止较长时间 ,水分会沉积在油槽底部 ,然后将其从底部排除 ,但这要取决于油槽的设计。一般的多用炉的油槽底部可以排水 ,并有相应的水分感测指示器。
③离心脱水
水油比重不同 ,故可在离心力作用下脱除水分 。该方法在废油再生处理上经常使用。
④过滤脱水
利用过滤介质如黏土的吸附作用 ,吸收油中水分。但在过滤掉水分的同时 ,也可能把油中的有效添加剂过滤掉 ,应注意精选过滤介质并与油品供应商联系。油进行脱水处理后应该进行冷却性能测试 ,图 5所示的冷却曲线是含 0，25 %的水在经过加热脱水后测定的冷却曲线
图5含水油样赶水前后的冷速对比
由图可见 ,赶水后其高温冷速有所加快 ,而对流冷速却减缓了 ,这对于保证淬硬和减少变形和开裂将不无好处。
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