к. т.н., доцент КамПИ
Особенности охлаждающей способности водных растворов полимеров
Основным и наиболее объективным параметром оценки свойств закалочных сред является их охлаждающая способность, характеризуемая зависимостью скорости охлаждения контрольного образца от его температуры. Зависимость позволяет определить температуру смены стадий кипения жидкости на охлаждаемой металлической поверхности и установить температурные интервалы с максимальной и минимальной скоростью охлаждения: Зачастую высокая скорость охлаждения соответствует пузырьковому, а низкая - плёночному кипению и конвективному теплообмену. Такой подход является обоснованным для традиционных закалочных сред воды, масла и водных растворов солей и щелочей. Добавки соли и щёлочи к воде влияют на длительность и температуру смены стадий кипения в таких средах, что и подтверждается во многих трудах учёных [1-2]. Однако все существующие методы определения охлаждающей способности не позволяют в полной мере судить о причинах высоких и малых скоростей охлаждения в закалочных средах на основе водорастворимых полимеров.
Цель работы – комплексные исследования и установление причины аномального изменения охлаждающей способности синтетических закалочных сред на стадии интенсивного теплоотвода.
Результаты работы. Исследованию подвергались водные растворы с различным содержанием полимера – оксиэтилированного алкилфенола (ОЭАФ) и традиционные закалочные среды – вода и масло МЗМ – 16.
Физико-химические и теплофизические свойства водных растворов ОЭАФ оценивали по их плотности, вязкости, охлаждающей способности, температурным интервалам стадии кипения, эндо-экзотермическим эффектам и др. показателям. Установлено, что с увеличением содержания полимера в растворе плотность возрастает и это изменение проходит по линейной зависимости. Иная зависимость наблюдается по вязкости среды. С увеличением содержания ОЭАФ в воде до 15% и повышением температуры среды до 500С вязкость раствора изменяется незначительно и не превышает 4 сСт. Дальнейшее повышение количество полимера в растворе до 50% приводит к резкому увеличению вязкости среды.
Комплексное влияние физико-химических характеристик водных растворов на свойства закалочной среды можно проследить по зависимости их охлаждающей способности. Разработанным методом [3] исследовалась охлаждающая способность воды, масла МЗМ-16 и водных растворов ОЭАФ с антипенными и антикоррозионными добавками. Содержание полимера в растворе изменялось от 0 до 50%.
Установлено, что повышение концентрации полимера в растворе от 5 до 32,5% снижает охлаждающую способность в интервале температур диффузионного превращения с 300°С/с до 120°С/с (рис.1). Дальнейшее увеличение содержания полимера в растворе до 50% уменьшает скорость охлаждения до 90-100°С/с, что ниже, чем у масла МЗМ-16.
В интервале температур 450-100°С исследованные водные растворы по охлаждающей способности занимают промежуточное положение между охлаждающей способностью воды и масла МЗМ-16 (рис.1).
Другой отличительной особенностью охлаждающей способности водных растворов исследуемого полимера по отношению к воде и маслу является наличие двух максимумов скорости охлаждения, один из которых соответствует температуре 6°С, другой – 300°С.
Для объяснения характера такого изменения скорости охлаждения водных растворов ОЭАФ в работе методами испарительного капания и термогравитометрического анализа проведены исследования, установлены температурные интервала стадий кипения и эндо – экзотермические эффекты, протекающие с закалочной средой в процессе её нагрева.
По продолжительности испарения капель жидкости на основе ОЭАФ выявлено, что основные стадии кипения, наблюдаемые у воды, сохраняются и у водные растворов исследуемого полимера. Однако температурный интервал перехода от плёночного кипения к пузырьковому определяется концентрацией раствора (рис.2).
Переход к пузырьковому кипению у 5%-ного раствора наблюдается при более высоких температурах, чем у воды. С повышением концентрации раствора температурный интервал смены стадий кипения уменьшается и смещается в область более низких температур - с 480-400°С для 5%-ного до 350-320°С для 32,5%-ного раствора.
Сравнительные результаты исследований показали, что уменьшение охлаждающей способности растворов ОЭАФ по отношению к воде в интервале температур устойчивого пузырькового кипения связано с повышением времени испарения капли жидкости на этой стадии теплообмена (рис.3).
Качественная оценка кривой охлаждающей способности среды может быть дана при изучении закалочных сред методом термогравитометрического анализа (рис.4).
Особое внимание из результатов заслуживает диференциальная зависимость изменения температуры во времени (ДТА), которая характеризуюет протекающие эндо-экзоэффекты при нагреве закалочной среды до 900°С.
Анализ такой зависимости показывает, что при нагреве закалочной среды -50%-ного раствора ОЭАФ наблюдается два эффекта: эндотермический – в интервале температур 110-180°С и ассиметричный экзотермический – в интервале температур 280-510°С (рис.4).
Эндотермический пик связан с кипением воды, а его конец при 180°С соответствует нижнему кризису кипения – минимальной температуре устойчивого пузырькового кипения. Указанная температура, определенная методом испарительного капания, соответствует 160°С (рис.2).Экзотермический пик с максимумом при 400°С связан с физико-химическим превращением полимерной составляющей закалочного раствора в результате которого изменяется энтальпия реакции сопровождаемая выделением тепла на границе раздела «металлическая поверхность - жидкость».
При сопоставление кривых охлаждения и дифференциальной кривой водного раствора ОЭАФ видно, что снижение охлаждающей способности в температурном интервале 300-600°С именно связано с экзотермическим эффектом, возникающим в процессе окисления полимерной составляющей закалочной среды (рис. 5).На кривой ДТА максимум этого эффекта соответствует 400°С, чем и объясняется снижение до минимального значения скорости охлаждения при температуре 400°С.
Заключение: Характерными и отличительными показателями свойств закалочных сред на основе водорастворимых полимеров являются:
1. Пониженная, по отношению к воде, охлаждающая способность водных растворов ОЭАФ во всём температурном интервале, которая связана с осуществлением теплоотвода через плёнку полимера, осаждённого на поверхности закаливаемого изделия.
2. Резкое снижение скорости охлаждения в интервале С, которое связано с эндотермической реакцией на границе раздела «металл - среда», сопровождающаяся выделением теплоты и уменьшением теплоотвода от поверхности изделия. Эти химические превращения позволяют объяснить минимальную скорость охлаждения при температуре 4000С, а соответственно и наличие двух максимумов на температурной зависимости охлаждающей способности водных растворов ОЭАФ.
Список литературы.
1. Петраш среды. М.-Л, Машгиз,1959,106с.
2. Люты В Закалочные среды. Справочник. Под. ред. Масленкова . с польского, Челябинск, Металлургия, 1990, 192с.
3. А. С. №1 МКИ3, G01N25/03 «Способ определения охлаждающей способности закалочных сред» / и др. , (РФ) - № 000/22/02 заявка 26.08.82., ДСП.
Аннотация.
«Особенности охлаждающей способности
водных растворов полимеров».
Проведены разносторонние исследования свойств синтетической закалочной среды на основе водорастворимого полимера - оксиэтилированного алкилфенола. На основе термогравитометрического анализа и метода испарительного капания представлено обоснование аномального изменения охлаждающей способности среды в температурном интервале С.
