Mechanisms and Process Control for Quenching with Aqueous Polymer Solutions∗ Translated title: Mechanismen und Prozesssteuerung beim Abschrecken mit wässrigen Polymerlösungen

Abstract

Beginning in the middle of the last century aqueous polymer solutions like polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyalkylene glycol (PAG) have been used for immersion quenching because of their unique features and quenching characteristics. Known problems of quenching in polymer solutions are process reproducibility and work safety due to spontaneous reforming of polymer films and almost explosive vapor layers collapse. The boiling and quenching process within polymer solutions and their mechanisms are investigated here. In quasi-steady experiments a newly developed in-line sensor measures the local concentration in the vicinity of a fixed vapor bubble depending on the distance to the phase boundary. These experiments show that the polymer concentration increases with decreasing distance to the vapor bubble surface. Rheological investigations on polymer solutions show that a higher polymer concentration especially increases the solution viscosity considerably. In a typical immersion quenching process with polymer solutions, in the initial phase of the quenching process individual vapor bubbles are formed on the surface of the immersed hot specimen. The high solution viscosity keeps the vapor bubbles on the surface leading to bubble growth and coagulation. Thus, the formation of a vapor layer is promoted. Along with the stabilization of the vapor phase by a concentrated polymer skin a stable vapor layer may emerge. Within the progress of the quenching process, this vapor layer may repeatedly collapse in an explosive like manner. A major influence of this process is the type of polymer (chain length), the polymer concentration and the liquid solution temperature. These effects are also investigated on a larger application-oriented scale setup. Cooling curves and global electric conductance measurements as well as sound and video recordings during specimen quenching in polymer solutions are used to locate vapor layers and their collapses. The experiments show that these effects can be influenced by suitable flow conditions around the specimen.

Kurzfassung

Seit der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts werden wässrige Polymerlösungen wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Polyalkylenglycol (PAG) aufgrund ihrer einzigartigen Merkmale und Abschreckeigenschaften in Abschreckbädern eingesetzt. Bekannte Probleme beim Abschrecken in Polymerlösungen sind die Prozessreproduzierbarkeit sowie die Arbeitssicherheit aufgrund der spontanen Neubildung von Polymerfilmen und des beinahe explosionsartig ablaufenden Dampffilmzusammenbruchs. In dieser Arbeit werden die Siedephasen sowie der Abschreckprozess in Polymerlösungen und deren Wirkungsmechanismen untersucht. In quasi-stationären Versuchen misst ein neu entwickelter Inline-Sensor die lokale Konzentration in unmittelbarer Nähe einer festen Dampfblase in Abhängigkeit vom Abstand zur Phasengrenzfläche. Diese Versuche zeigen, dass die Polyemerkonzentration mit abnehmendem Abstand zur Oberfläche der Dampfblase zunimmt. Rheologische Untersuchungen von Polymerlösungen haben ergeben, dass mit einer höheren Polymerkonzentration vor allem eine deutliche Erhöhung der Lösungsviskosität einher geht. In einem typischen Tauchkühlprozess mit Polymerlösungen bilden sich in der Anfangsphase des Abschreckprozesses einzelne Dampfblasen auf der Oberfläche der eingetauchten heißen Probe. Durch die hohe Viskosität der Lösung bleiben die Dampfblasen an der Oberfläche, was in der Folge zu Blasenwachstum und Koagulation führt. Dadurch wird die Bildung einer Dampfschicht gefördert. Während der Stabilisierung der Dampfphase durch eine konzentrierte Polymerhaut kann gleichzeitig eine stabile Dampfschicht entstehen. Im Laufe des Abschreckprozesses kann diese Dampfschicht dann immer wieder explosionsartig zusammenbrechen. Wesentlichen Einfluss auf diesen Prozess haben vor allem die Art des Polymers (Kettenlänge), die Polymerkonzentration und die Temperatur der flüssigen Lösung. Diese Zusammenhänge werden auch im Rahmen einer größeren, anwendungsorientierten Versuchsanordnung untersucht. Kühlkurven und elektrische Leitfähigkeitsmessungen sowie Ton- und Videoaufzeichnungen während des Abschreckens von Proben in Polymerlösungen werden zur Lokalisierung von Dampfschichten und deren Zusammenbruch herangezogen. Die Versuche zeigen, dass diese Effekte durch geeignete Strömungsverhältnisse rund um die Probe beeinflusst werden können.