90

Cơ chế làm nguội của dung dịch tôi poly vinyl pyrrolidone và poly alkylene glycol

The cooling mechanism of aqueous poly vinyl pyrrolidone and poly alkylene glycol quenchants

TRẦN THỊ XUÂN1, VŨ ĐÌNH TOẠI1,*
1.Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội

*Email: toai.vudinh@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 11/5/2020, Ngày duyệt đăng: 24/6/2020

TÓM TẮT

Dung dịch tôi polyme poly vinyl pyrrolidone (PVP) và poly alkylene glycol (PAG) hiện đang được nghiên cứu và ứng dung rộng rãi trong công nghệ nhiệt luyện. Tốc độ nguội của dung dịch tôi polyme ngoài phụ thuộc vào nồng độ polyme trong dung dịch, tốc độ khuấy và nhiệt độ của bể tôi còn phụ thuộc vào khối lượng phân tử, các tính chất vật lý và hóa học của mỗi loại polyme. Trong đó các thông số về độ nhớt, nhiệt dung riêng và hiện tượng hòa tan ngược của dung dịch tôi polyme có mối quan hệ và ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ nguội của môi trường tôi. Trong bài báo này, đã nghiên cứu cơ chế làm nguội, độ nhớt, nhiệt dung riêng và tốc độ nguội của 2 dung dịch tôi polyme 3 %PVP và 3 %PAG. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt dung riêng của dung dịch PVP và dung dịch PAG ở cùng nồng độ khác nhau không nhiều (xấp xỉ 1 %), nhưng độ nhớt của dung dịch 3 %PVP lại lớn hơn 62 % so với dung dịch 3 %PAG. Đồng thời, hiện tượng hòa tan ngược trong dung dịch polyme PAG làm tăng tốc độ nguội của dung dịch tôi ở cả 3 giai đoạn của quá trình làm nguội. Tốc độ nguội của dung dịch tôi polyme được xác định theo tiêu chuẩn ISO 9950:1995, kết quả cho thấy tốc độ nguội ở 300 °C của dung dịch 3 %PVP là 25 °C/s nhỏ hơn 55 % so với dung dịch 3 %PAG và tốc độ nguội lớn nhất của dung dịch 3 %PVP đạt được tại nhiệt độ nằm trong vùng austenite kém ổn định nhất (575 °C). Như vậy, cùng nồng độ 3 % dung dịch PVP có tốc độ nguội nhỏ hơn dung dịch PAG nên trong quá trình tôi sẽ giảm được ứng suất và biến dạng của chi tiết.

Từ khóa: poly vinyl pyrrolidone, poly alkylene glycol, môi trường tôi polyme, tốc độ nguội

ABSTRACT

Aqueous poly vinyl pyrrolidone (PVP) and poly alkylene glycol (PAG) quenchants have been currently studied and widely applied in heat treatment technology. The cooling rate of polymer quenching solution depends not only on the concentration of polymers in solution, stirring speed and the temperature of the quenching tank, but also on the molecular weight, physical and chemical properties of each type of polymer. The parameters of viscosity, specific heat and reverse solubility phenomenon of polymer solution – all directly affect the cooling rate of quenching media. In this paper, the research focuses on the cooling mechanism, viscosity, specific heat and cooling rate of the 3 %PVP and 3 %PAG quenchants. The results showed that the specific heat of PVP and PAG solutions at the same concentration was not much different with each other (approximately 1 %. However, the viscosity of the 3 %PVP quenchant was 62 % greater than that of the 3 %PAG quenchant. At the same time, the reverse solubility phenomenon in the 3 %PAG solution increases the cooling rate of quenching media in all 3 stages of the cooling process. The cooling rate of the polymer quenching solution was determined by ISO 9950:1995, the result showed that the cooling rate at 300 °C for 3 %PVP solution was 250 °C/s – less than 55 % compared to 3 %PAG solution and maximum cooling rate of 3 %PVP solution which was achieved at the temperature within the least stable austenitee zone (575 °C). Therefore with the same concentration of 3 %, the PVP solution has a cooling rate smaller than the PAG solution, so during the quenching process, it will reduce the stress and distortion of the part.

Keywords: poly vinyl pyrrolidone, poly alkylene glycol, polymer quenchant, cooling rate.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình tôi, chất lượng của sản phẩm tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội. Trong đó tốc độ làm nguội là yếu tố quan trọng được quyết định bởi môi trường làm nguội (thường gọi là môi trường tôi). Môi trường làm nguội cần phải có tốc độ nguội bằng hoặc lớn hơn tốc độ nguội tới hạn của thép để khi làm nguội thép không chuyển sang tổ chức có độ cứng thấp như ferit, peclit [1, 2]. Mặt khác môi trường tôi phải có tốc độ nguội đủ nhỏ để không gây ra ứng suất nhiệt lớn làm tăng nguy cơ gây biến dạng, nứt vỡ chi tiết, nhất là trong vùng chuyển biến mactensit. Do đó việc lựa chọn ra một môi trường tôi tối ưu là rất cần thiết đối với một loại vật liệu cụ thể có hình dáng và kích thước xác định.

Dung dịch polyme poly vinyl pyrrolidone (PVP) được bắt đầu nghiên cứu như một môi trường tôi từ năm 1975 và được đánh giá là môi trường tôi ổn định hơn so với dầu [3].

Dung dịch poly alkylene glycol (PAG) được nghiên cứu như một môi trường tôi vào năm 1960. PAG còn có tên gọi khác là poly alkylene oxide viết tắt là PAO. Khác với dung dịch PVP, trong dung dịch PAG có hiện tượng hòa tan ngược trong khoảng nhiệt độ từ 60 °C đến 85 °C. Trong khoảng nhiệt độ này, liên kết hydro của chuỗi polyme trong nước bị phá hủy, chuỗi polyme co cụm, cuộn lại và tách ra khỏi dung dịch tạo vẩn đục màu trắng. Ngoài nhiệt độ trên chuỗi polyme lại hòa tan vào nước thành một thể đồng nhất [4 – 6]. Nhiệt độ hòa tan ngược của dung dịch PAG phụ thuộc vào tỷ lệ etylene oxide/propylene oxide trong chuỗi polyme. Thông thường, khi tăng tỷ phần propylene oxide trong chuỗi polyme thì nhiệt độ hòa tan ngược sẽ giảm [7, 8].

Cơ chế truyền nhiệt khi tôi của dung dịch poly- me PVP và PAG bao gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn chăn hơi (giai đoạn sôi màng), giai đoạn sôi bong bóng và giai đoạn đối lưu (giai đoạn làm mát chất lỏng) [1, 9, 10] (hình 1).

Hình 1. Đường nguội và đường cong tốc độ nguội của dung dịch tôi [9]
Giai đoạn chăn hơi hay giai đoạn sôi màng: Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình làm nguội, được đánh dấu từ điểm E đến điểm D trên hình 1. Khi chi tiết được nhúng vào trong dung dịch tôi, dung dịch làm nguội sẽ thấm ướt bề mặt kim loại. Vì nhiệt độ chi tiết rất cao nên ngay lập tức lớp dung dịch tiếp xúc với bề mặt chi tiết bị hóa hơi, hình thành lớp màng hơi bao quanh chi tiết gọi là chăn hơi. Sự hình thành lớp màng hơi bao quanh chi tiết được đặc trưng bởi hiện tượng Leidenfrost. Vì hơi có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ nên lớp màng hơi hoạt động như một lớp cách nhiệt, truyền nhiệt chủ yếu bởi bức xạ qua màng hơi. Do đó, trong giai đoạn này quá trình làm nguội xảy ra với tốc độ nguội chậm. Đối với dung dịch làm nguội polyme, giai đoạn này được bổ sung thêm sự hình thành một lớp màng giàu polyme, lớp màng này bao bọc quanh lớp chăn hơi và làm cho màng hơi ổn định hơn so với khi tôi trong nước. Lớp màng hơi này phát triển và được duy trì khi nguồn nhiệt từ bên trong của một phần bề mặt chi tiết vượt quá tổng lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi dung dịch tôi và duy trì pha hơi. Nhiệt độ mà màng hơi bắt đầu được duy trì gọi là nhiệt độ đặc trưng của chất lỏng hay gọi là nhiệt độ Leidenfrost. 

Giai đoạn sôi bong bóng: Khi nhiệt độ của chi tiết giảm xuống dưới nhiệt độ Leidenfrost của chất lỏng thì màng hơi bắt đầu bị phá vỡ và dung dịch làm nguội lại thấm ướt bề mặt vật tôi (giai đoạn D – A), khi đó giai đoạn sôi bong bóng bắt đầu xảy ra. Tốc độ nguội tăng nhanh và đạt được lớn nhất tại điểm C. Trong giai đoạn này, khả năng trao đổi nhiệt là lớn nhất do sự hình thành và tách rời của hàng trăm các bong bóng nhỏ từ bề mặt vật tôi trong mỗi giây. Ngay khi giai đoạn này bắt đầu, hệ số trao đổi nhiệt giữa chi tiết và môi trường tăng nhanh và đạt được giá trị lớn nhất. Quá trình sôi diễn ra ổn định và đồng đều trên các phần của chi tiết. Trong suốt giai đoạn này, nhiệt độ bề mặt của chi tiết giảm xuống đáng kể nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng. Quá trình sôi bong bóng vẫn diễn ra, bề mặt chi tiết được làm nguội thêm, dòng nhiệt từ bề mặt chi tiết ngừng tăng và sau đó giảm dần. Trong thời gian này, tại một số điểm trên bề mặt chi tiết, nhiệt độ giảm xuống gần bằng nhiệt độ sôi của chất lỏng thì dòng nhiệt từ bề mặt chi tiết không đủ để duy trì quá trình sôi bóng bóng sẽ chuyển sang giai đoạn làm nguội đối lưu.

Giai đoạn đối lưu – giai đoạn làm mát chất lỏng: Khi giai đoạn sôi bong bóng kết thúc, nhiệt độ bề mặt chi tiết tiếp tục giảm xuống thấp hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng. Tốc độ nguội của giai đoạn này là nhỏ nhất trong ba giai đoạn và phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ khuấy, độ nhớt của dung dịch tôi. Dung dịch có độ nhớt càng cao, tốc độ khuấy càng nhỏ thì thì truyền nhiệt đối lưu càng kém, do đó tốc độ nguội trong chi tiết càng nhỏ. Vì ở giai đoạn này trong thép xảy ra chuyển biến austenit thành mactensit nên tốc độ nguội trong giai đoạn này càng thấp sẽ càng tốt để giảm thiểu biến dạng và nứt vỡ chi tiết.

Trong bài báo, nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các tính chất vật lý, hóa học như hiện tượng hòa tan ngược, nhiệt dung riêng và độ nhớt của hai loại dung dịch polyme 3 %PVP và 3 %PAG đến cơ chế và tốc độ nguội làm nguội khi tôi.

2. THỰC NGHIỆM

2.1.Dung dịch polyme dùng trong nghiên cứu

Trong nghiên cứu đã sử dụng môi trường tôi là dung dịch polyme PVP và PAG trong nước với cùng nồng độ là 3 %. PVP được tổng hợp từ vinyl pyrrolidone theo phản ứng ở hình 2. Khối lượng phân tử PVP trong khoảng 2.500 ÷ 3.000.000 g/mol [11, 12].

Hình 2. Tổng hợp PVP từ vinyl pyrrolidone

PAG được tạo thành từ 2 monome là PO và EO thường có 2 loại chính ứng với tỷ lệ EO/PO lần lượt là 50:50 và 75:25 với khối lượng phân tử polyme PAG nằm trong khoảng từ 300 đến 15000 g/mol [55]. PAG được tổng hợp từ etylen oxide (EO) và propylene oxide (PO) như mô tả trên hình 3.

Hình 3. Tổng hợp PAG từ EO và PO

2.2. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch tôi

Trong nghiên cứu, nhiệt dung riêng của chất lỏng được tính theo công thức (1):

Cdd = m1 × C1 + m2 × C2  (1)

trong đó m1, m2 lần lượt là tỉ phần phần trăm khối lượng của polyme và của nước; còn C1, C2 tương ứng là nhiệt dung riêng của polyme và của nước. Ở đây nhiệt dung riêng của polyme PVP và PAG tương ứng là 3.088 kJ/kg.K và 2.017 kJ/kg.K.

2.3. Phương pháp đo độ nhớt của dung dịch tôi polyme

Trong nghiên cứu này, đã tiến hành đo độ nhớt động lực học của dung dịch tôi polyme bằng thiết bị DV-E Viscometer của hãng BROOKFIELD – USA với các thông số như bảng 1.

Bảng 1. Thông số của thiết bị DV-E Viscometer

TT Các thông số Giá trị
1 Thang đo 1 – 2.000.000 cP
2 Tốc độ mô-men xoắn 0,3 – 100 vòng/phút
3 Điều chỉnh tốc độ 18 cấp
4 Độ chính xác ±1,0 %
5 Độ lặp lại ±0,2 %

Để bảo đảm độ chính xác, đã thực hiện đo liên tục 5 lần tại cùng một mẫu trên cùng một nhiệt độ rồi lấy giá trị trung bình.

2.4 Phương pháp phân tích cơ chế làm nguội của dung dịch polyme

Để phân tích cơ chế làm nguội trong các loại dung dịch tôi polyme 3 %PVP và 3 %PAG, trong nghiên cứu này đã sử dụng mẫu thép, thiết bị quay video và cốc đựng dung dịch làm nguội với các thông số và hình ảnh được nêu trong bảng 2 và hình 4.

Hình 4. Hình ảnh mẫu đã được nung nóng đến nhiệt độ 850 oC và chuẩn bị nhúng vào cốc đựng dung dịch tôi polyme

Bảng 2. Thiết bị và thông số phân tích

TT Thiết bị Thông số
1 Thiết bị quay video Full HD 1080p (1920×1080 pixel)
 2  Hình dạng và kích thước mẫu Chế tạo từ hợp kim inconel 600, hình trụ với kích thước: đường kính x chiều cao = 9×45 mm
3 Cốc đựng dung dịch polyme Bằng thủy tinh với thể tích 300 ml

Các bước ghi hình khảo sát cơ chế làm nguội gồm:

Bước 1: Mẫu inconel 600 được nung nóng trong lò đến nhiệt độ 850 °C và giữ nhiệt trong thời gian 10 phút.

Bước 2: Sau đó mẫu được gắp ra và ngay lập tức được nhúng vào trong cốc chứa dung dịch đã được pha chế polyme theo các nồng độ khác nhau và ở nhiệt độ 25 o . Trong quá trình mẫu được làm nguội trong dung dịch thì thiết bị quay video luôn ở trạng thái hoạt động để ghi lại các hình ảnh cơ chế làm nguội.

Bước 3: Trích xuất các hình ảnh làm nguội tương ứng với các mốc thời gian làm nguội từ video nhận được ở bước 2

2.5. Phương pháp xác định tốc độ nguội của dung dịch tôi

Tốc độ nguội của dung dịch tôi thường được xác định thông qua đường nguội (đường cong nhiệt độ – thời gian) đo được. Sơ đồ thí nghiệm để xác định đường nguội của một môi trường tôi được thực hiên theo tiêu chuẩn ISO 9950:1995. Sơ đồ thí nghiệm được thể hiện rõ trên hình 5 bao gồm: lò nung điện trở; bộ dây cặp nhiệt kiểu K với một đầu được gắn vào tâm của mẫu chuẩn trên hình 6; đầu còn lại được kết nối với thiết bị đo – ghi đường nguội (USB – 4718); bể tôi chứa dung dịch làm nguội. Mẫu sau khi đã gắn dây cặp nhiệt được đặt vào trong lò nhiệt luyện để nung tới nhiệt độ 850 °C. Sau khi mẫu đạt nhiệt độ 850 °C, gắp mẫu ra khỏi lò và nhúng nhanh vào dung dịch làm nguội. Thiết bị ghi nhiệt độ USB-4718 được kết nối với máy tính đã cài sẵn phần mềm Wave Scan để đo và vẽ biểu đồ nhiệt độ – thời gian. Dựa trên phần mềm Wave Scan, nhiệt độ tại tâm của mẫu chuẩn tại từng thời điểm được ghi lại liên tục. Kết quả là ta nhận được đồ thị biểu diễn sự thay đổi của nhiệt độ theo thời gian (đường nguội) và bảng excel các giá trị nhiệt độ – thời gian tương ứng.

Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xác định tốc độ nguội của dung dịch tôi
Hình 6. Mẫu chuẩn dùng để đo đường nguội của dung dịch tôi

 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Cơ chế làm nguội khi tôi trong dung dịch 3 %PVP và 3 %PAG

Hình 7. Cơ chế làm nguội khi tôi mẫu inconel 600 hình trụ kích thước Φ 9 x 45 mm trong dung dịch 3 %PVP

Hình 7 là ảnh mẫu nghiên cứu ở các thời điểm làm nguội khác nhau trong dung dịch 3 %PVP. Ngay sau khi nhúng chi tiết vào trong dung dịch tôi, bề mặt chi tiết được thấm ướt dung dịch và lập tức nước bị bay hơi, tạo ra xung quanh chi tiết một màng hơi rất đồng đều. Màng hơi được duy trì trong thời gian dài do có lớp dung dịch polyme nồng độ cao bao quanh chi tiết, gói gọn chăn hơi làm màng hơi ổn định hơn. Đến thời điểm 13 s tính từ lúc chi tiết nhúng vào dung dịch tôi, tại phần đáy của mẫu chuẩn xuất hiện các bong bóng sôi đầu tiên. Sau đó, khoảng 15 s thì màng hơi bị phá vỡ hoàn toàn, sôi bong bóng lan rộng trên khắp bề mặt chi tiết. Trong giai đoạn này tốc độ nguội của mẫu chuẩn đạt được lớn nhất. Sau khoảng 60 s phần đáy của chi tiết bắt đầu chuyển sang giai đoạn làm nguội đối lưu. Vì trong dung dịch polyme PVP không có hiện tượng hòa tan ngược, nên sau khi kết thúc giai đoạn sôi bong bóng trên bề mặt mẫu chuẩn tồn tại lớp màng PVP, chính lớp màng này làm tốc độ nguội trong giai đoạn đối lưu giảm mạnh. Sau khi kết thúc giai đoạn đối lưu, màng PVP vẫn bám trên bề mặt chi tiết và được đưa ra khỏi dung dịch tôi. Điều này cũng là nguyên nhân dẫn đến nồng độ PVP trong dung dịch tôi giảm sau mỗi lần tôi. Vì vậy cần chú ý bổ sung định kỳ PVP vào dung dịch tôi để đảm bảo tốc độ nguội như ban đầu.

Hình 8. Cơ chế làm nguội khi tôi mẫu inconel 600 hình trụ kích thước Φ 9 x 45 mm trong dung dịch 3 %PAG

Như đã được đề cập ở phần 1, ở polyme PAG có hiện tượng hòa tan ngược trong khoảng nhiệt độ từ 60 đến 85 °C. Cũng do hiện tượng này mà quá trình làm nguội khi tôi trong dung dịch PAG ở cả ba giai đoạn màng hơi, sôi bong bóng và đối lưu cũng khác nhiều so với dung dịch PVP. Hình 8 mô tả cơ chế làm nguội khi tôi mẫu chuẩn hình trụ bằng inconel 600 với kích thước Φ 9 x 45 mm trong dung dịch 3 %PAG. Kết quả cho thấy, khi nhúng mẫu vào trong dung dịch 3 %PAG, dung dịch thấm ướt bề mặt mẫu và lập tức nước hóa hơi, tạo ra lớp màng hơi nước bao quanh chi tiết. Mặt khác tại ngay sát lớp màng hơi do có sự bay hơi của nước nên hình thành một lớp dung dịch polyme với nồng độ cao hơn bao quanh màng hơi, gói gọn màng hơi làm màng hơi ổn định hơn hay giai đoạn màng hơi được kéo dài. Quan sát hình ảnh mẫu tại thời điểm 2 s ta thấy lớp màng hơi bao bọc toàn bộ chi tiết đồng đều, do đó gradient nhiệt độ tại các điểm trên mẫu tương đối giống nhau làm giảm sự chênh lệch về ứng suất và cơ tính đạt được giữa các vùng trên chi tiết. Màng hơi tồn tại khoảng 3 s thì bị sụp đổ hoàn toàn, quá trình làm nguội chuyển sang giai đoạn sôi bong bóng. Do PAG có hiện tượng hòa tan ngược, nên khi dung dịch tôi bị nung nóng lên, chuỗi polyme có hiện tượng co cụm lại và xuất hiện các kết tủa polyme màu khói trắng bao quanh chi tiết. Thời gian nhúng càng lâu thì lớp polyme kết tủa càng dày do sự nóng lên của lớp dung dịch bên ngoài, làm giảm độ nhớt của dung dịch và tốc độ nguội tăng dần. Như quan sát trên hình, ta thấy lớp polyme bao quanh chi tiết rất đồng đều, làm cho tốc độ nguội đồng đều trên toàn bộ bề mặt chi tiết. Do đó, khi tôi mẫu trong dung dịch PAG được đánh giá là môi trường tôi ít gây ứng suất, biến dạng. Sau khoảng 52 s, phần đáy của mẫu không còn sôi bong bóng và bắt đầu chuyển sang giai đoạn làm nguội đối lưu.

 Kết quả về cơ chế làm nguội của dung dịch PAG được so sánh với dung dịch PVP ta thấy có điểm giống và khác nhau. Điểm giống ở đây là trong cả 3 giai đoạn của quá trình làm nguội cả hai dung dịch tôi đều chịu ảnh hưởng của lớp dung dịch với nồng độ polyme cao hơn, chính lớp dung dịch này đã gói gọn màng hơi làm giai đoạn màng hơi diễn ra lâu hơn. Mặt khác, do ảnh hưởng của lớp dung dịch có nồng độ polyme cao bao quanh chi tiết, nên sự truyền nhiệt từ các điểm trên chi tiết ra môi trường tôi giảm và đồng đều hơn, hạn chế sự chênh lệch nhiệt độ, ứng suất, tổ chức và cơ tính giữa các vùng trên chi tiết. Điểm khác nhau là do các tính chất vật lý của 2 loại polyme này quyết định. Polyme PVP không có hiện tượng hòa tan ngược, do đó trong suốt quá trình làm nguội không có sự kết tủa polyme trong dung dịch nên bề mặt chi tiết luôn tồn tại lớp màng PVP làm gradient nhiệt độ từ chi tiết ra môi trường thoải hơn và tốc độ nguội giảm so với các dung dịch tôi PAG. Đối với dung dịch PAG, do có hiện tượng hòa tan ngược dưới tác dụng của nhiệt độ làm lớp dung dịch polyme nồng độ cao bao quanh chi tiết hình thành rồi lại bị kết tủa lại dung dịch, nên lớp màng polyme mỏng, hiệu quả cách nhiệt không cao và tốc độ nguội trong cả 3 giai đoạn lớn hơn trong dung dịch PVP. Đặc biệt là giai đoạn đối lưu lại chịu ảnh hưởng nhiều và rõ rệt hơn. Trong giai đoạn này nhiệt độ chi tiết đã giảm xuống gần đến khoảng nhiệt độ hòa tan ngược của PAG nên ngay tại vùng xung quanh chi tiết, polyme cũng bị kết tủa khỏi dung dịch, làm cho dung dịch có độ nhớt giảm, dẫn đến tốc độ nguội tăng trong giai đoạn này.

3.2. Ảnh hưởng của polyme đến nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch tôi

Nhiệt dung riêng của môi trường tôi

Nhiệt độ của môi trường tôi ảnh hưởng lớn đến tốc độ nguội của chi tiết tôi. Mặt khác, một trong những thông số tác động đến sự nóng lên của dung dịch tôi dưới tác dụng của nhiệt độ là nhiệt dung riêng của chất lỏng đó. Khi nhiệt dung riêng của một chất lỏng càng lớn thì dung dịch đó càng ít bị nung nóng hơn dưới cùng một nguồn nhiệt tác dụng.

Áp dụng công thức (1), đã tính được nhiệt dung riêng của các dung dịch 3 %PVP và 3 %PAG. Kết quả tính xem trong bảng 3. Trong đó các giá trị nhiệt dung riêng được lấy như sau:

C2 = CH2O = 4,180 kJ/kg.K
CPVP = 3,088 kJ/kg.K
CPAG = 2,017 kJ/kg.K.

Bảng 3. Nhiệt dung riêng của dung dịch polyme 3 %PVP và 3 %PAG

Nồng độ (%) Nhiệt dung riêng (kJ/kg.K)  
Dung dịch PVP Dung dịch PAG
3 4,136 4,094

Từ kết quả nhận được ta thấy, ở cùng một nồng độ polyme thì nhiệt dung riêng của dung dịch tôi 3 %PVP lớn hơn một chút (xấp xỉ 1 %) so với dung dịch tôi 3 %PAG. Do đó trong quá trình tôi với một lượng sản phẩm xác định và với chế độ tôi như nhau thì sự gia tăng nhiệt độ của dung dịch tôi 3 %PAG sẽ lớn hơn khoảng 1 % so với dung dịch tôi 3 %PVP.

Độ nhớt của môi trường tôi

Độ nhớt của dung dịch tôi là thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng làm nguội của môi trường tôi. Thông thường độ nhớt của dung dịch càng lớn thì tốc độ nguội của dung dịch càng nhỏ. Đặc biệt ở giai đoạn đối lưu của quá trình làm nguội, độ nhớt của dung dịch tôi ảnh hưởng mạnh đến tốc độ nguội trong giai đoạn này.

Bảng 4 ghi kết quả đo độ nhớt của dung dịch tôi 3 %PVP và 3 %PAG.

Bảng 4. Độ nhớt của dung dịch tôi 3 %PVP và 3 %PAG ở nhiệt độ phòng

Dung dịch tôi PVP 3 % PAG 3 %
Độ nhớt (mPa.s) 9,045 3,444

Kết quả cho thấy, ở cùng nồng độ dung dịch tôi 3 %PVP có độ nhớt lớn hơn rất nhiều (xấp xỉ 62%) so với dung dịch 3 %PAG. Thông thường độ nhớt của dung dịch tăng thì tốc độ nguội của dung dịch giảm. Do đó, đối với dung dịch PAG để đạt được tốc độ nguội nhỏ cần phải hòa tan một lượng polyme lớn hơn so với dung dịch PVP. Mặt khác từ kết quả nhận được ta thấy, dung dịch PVP có độ nhớt lớn nên đạt được tốc độ nguội nhỏ trong vùng chuyển biến mactensit vì tốc độ nguội trong vùng chuyển biến mactensit phụ thuộc rất nhiều vào độ nhớt của dung dịch. Để làm rõ hơn vấn đề này, trong phần tiếp theo sẽ tiến hành xác định đường nguội của các dung dịch tôi 3 %PVP và 3 %PAG.

3.3. Ảnh hưởng của polyme đến tốc độ nguội của dung dịch tôi

Hình 9. Đường cong tốc độ nguội của dung dịch 3 %PVP và 3 %PAG

Hình 9 cho biết tốc độ nguội của các dung dịch polyme 3 %PVP và 3 %PAG, trong đó CRmax và CR300 lần lượt là tốc độ nguội lớn nhất và tốc độ nguội tại nhiệt độ 300 °C. Môi trường tôi được coi là lý tưởng khi CRmax đạt được ở nhiệt độ trong vùng chuyển biến ferit/peclit (khoảng từ 550 đến 600 °C) để đảm bảo đường nguội không cắt đường cong chữ C của thép và tốc độ nguội CR300 phải nhỏ tránh làm biến dạng và nứt vỡ chi tiết khi tôi, vì ở nhiệt độ 300 °C thường bắt đầu xảy ra chuyển biến austenit thành mactensit.

Kết quả ở hình 9 cho thấy, tốc độ nguội lớn nhất của dung dịch 3 %PVP khoảng 100 °C/s đạt được tại nhiệt độ 575 °C – nhiệt độ này nằm trong vùng austenit kém ổn định nhất và dễ chuyển biến thành peclite/ferit (điểm mũi đường cong chữ C). Trong khi đó, tốc độ nguội lớn nhất của dung dịch 3 %PAG khoảng 125 °C/s đạt được tại nhiệt độ 650 °C và tốc độ nguội tại nhiệt độ 575 °C xấp xỉ 123 °C/s. So sánh tốc độ nguội ở cùng nhiệt độ là 575 °C ta thấy, dung dịch 3 %PVP nhỏ hơn khoảng 19 % so với dung dịch 3 %PAG.

Kết quả đo được cũng cho thấy, CR300 của dung dịch 3 %PVP và 3 %PAG lần lượt là 24 và 50 °C/s. Như vậy ở 300 °C tốc độ nguội của dung dịch 3 %PVP nhỏ hơn 52% so với dung dịch 3 %PAG. Như vậy dung dịch 3 %PVP vừa có CRmax đạt được trong vùng nhiệt độ 550 đến 600 °C, vừa có CR300 nhỏ hơn nhiều so với dung dịch 3 %PAG. Nói cách khác, dung dịch 3 %PVP gần với yêu cầu của một môi trường tôi lý tưởng hơn so với dung dịch 3 %PAG. Với tốc độ nguội nhận được như hình 9 thì dung dịch 3 %PVP có thể được dùng làm môi trường tôi cho thép hợp kim trung bình và cao, hoặc với các chi tiết có hình dạng phức tạp làm giảm ứng suất và biến dạng. Dung dịch 3 %PAG có thể dùng để làm môi trường tôi chi tiết thép hợp kim thấp hoặc thép cacbon cao có hình dạng đơn giản.

4. KẾT LUẬN

Trong dung dịch tôi 3 %PAG có hiện tượng hòa tan ngược, hiện tượng này xảy ra làm giảm độ nhớt của dung dịch do đó tốc độ nguội tăng đặc biệt trong giai đoạn đối lưu, dung dịch 3 %PAG có tốc độ nguội lớn hơn 55 % so với dung dịch 3 %PVP. Cũng do hiện tượng trên nên màng hơi bị phá vỡ nhanh, dẫn đến tốc độ nguội trong giai đoạn đối lưu tăng, đường nguội đo được dốc hơn so với dung dịch 3 %PVP ở cùng nồng độ. Nói các khác tốc độ nguội trong cả 3 giai đoạn của dung dịch PAG lớn hơn so với dung dịch PVP ở cùng nồng độ.

Nhiệt dung riêng của dung dịch 3 %PAG và dung dịch 3 %PVP khác nhau rất nhỏ (dung dịch 3 %PAG nhỏ hơn xấp xỉ 1%). Như vậy ở cùng một nồng độ dung dịch PVP ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ hơn so với dung dịch PAG. Hay dung dịch PVP có tốc độ nguội ổn định hơn theo nhiệt độ.

Dung dịch polyme 3 %PVP có độ nhớt lớn hơn dung dịch 3 %PAG rất nhiều (xấp xỉ khoảng 62%). Độ nhớt ảnh hưởng rất lớn đến cơ chế làm nguội theo 3 giai đoạn của môi trường tôi. Đặc biệt ở giai đoạn đối lưu (giai đoạn xảy ra chuyển biến mactensite), tốc độ nguội phụ thuộc phần lớn vào độ nhớt, nên dung dịch 3 %PVP sẽ có tốc độ nguội nhỏ hơn so với dung dịch 3 %PAG ở cùng nồng độ. Do vậy, khi tôi thép trong dung dịch 3 %PVP sẽ giảm được ứng suất tổ chức, do đó làm giảm biến dạng và ứng suất dư tồn tại trên chi tiết sau tôi.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Charles Bates, George E. Totten, Robert L. Brennan; Quenching of steel, ASM Handbook Committee, Vol. 4, 1991, pp. 160-194
  2. K. D. H. Bhadeshia and R. W. K. Honeycombe; Steels microstructure and properties, Elsevier Ltd, 2006
  3. Koudil, R. Ikkene, and M. Mouzali; Cooling Capacity Optimization: Calculation of Hardening Power of Aqueous Solution Based on Poly (N-Vinyl-2-Pyrrolidone, Journal of Materials Engineering and Performance 23(2), 2013, pp. 1-9
  4. E. Totten, Polymer Quenchants: The Basics, Adv. Mater. Process., 137(3), 1990, p 5153-5155
  5. Chen, W. Zhang, Ch Gao, Bo Liao, and J. Pan; The Effects of Probe Geometric Shape on the Cooling Rate Curves Obtained from Different Quenchants, Solid State Phenom., 118, 2006, p 227-231
  6. Paul L. Matlock, William L. Brown, and Nye A. Clinton; Polyalkylene Glycols, Union Carbide Corporation Tarrytown, New York, 1999
  7. S. Allen, A. J. Fletcher and S. King; On the quenching characteristics of Polyankylene Glycol slutions in water, Department of metals and materials Engineering Sheffield City Polytechnic, Pond street, Sheffiedl (U.K.), 1987
  8. S. Mackenzie and G. E Totten; Aluminum Quenching Technology: A Review, Materials Science Forum, 2000, pp. 589-594
  9. Gopalan Ramesh and Narayan Kotekar Prabhu; Review of thermo-physical properties, wetting and heat transfer characteristics of nanofluids and their applicability in industrial quench heat treatment, Nanoscale Research Letters, 2011, 6:334
  10. Rondeau D., The effects of part orientation and fluid flow on heat transfer around a cylinder, Materials Science and Engineering, Worcester Polytechnic Institute: Worcester, 2004
  11. Https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB4209342.htm, 2020
  12. http://ragitesting.com/resourcePortfolio/wp-content/uploads/2014/09/ASH-PC8091_PVP _Brochure _ VF.pdf, 2020

Leave a Reply

Your email address will not be published.