Механизм закалки

Классификация закалочных сред

С точки зрения механизма теплообмена охлаждающие среды обычно разделяются на две группы:

1. Среды без изменения агрегатного состояния в процессе охлаждения изделий (воздух, твердые металлы, расплавленные металлы, соли и др.);

2. Среды с изменением агрегатного состояния в процессе охлаждения изделий (масло, вода, водные растворы солей, щелочей, кислот и др.).

Известно, что на основании анализа кривых охлаждения (рис. 1.1) центра образца традиционно выделяют (условно) три этапа (стадии) процесса охлаждения в средах с изменяющимся агрегатным состоянием:

Рисунок 1.1 - Кривая охлаждения металла в закалочных средах, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе закалки (Петраш Л. В.)

1-я стадия 2-я стадия 3-я стадия

1 стадия - пленочное кипение ( участок I на рис. 11), замедленное охлаждение, имеющее различную протяженность для различных сред;

2 стадия - пузырьковое (ядерное) кипение (участок II), наиболее интенсивное охлаждение, для различных сред имеет различную протяженность и температурный интервал;

3 стадия - конвективный теплообмен (участок III), характеризующаяся замедленным охлаждением металла в конце процесса закалки.

В действительности между этими стадиями существуют переходные процессы, но для упрощения излагаемого материала эти стадии не рассматриваются.

В практике наиболее часто для закалки или ускоренного охлаждения изделий в процессе термообработки используют такие среды:

· вода при различных температурах, но при этом стабильность свойств (равномерность охлаждения и т.д.) закаливаемого металла обеспечивается в случае, если температура ванны находится в пределах до 35…40⁰С или свыше 90⁰С (до кипения – см. рис. 1.2);

· различные сорта масел, отличающиеся температурой вспышки (вязкостью и др. параметрами), при температурах от 20⁰С и до»260-300⁰С;

· водные растворы солей при различных температурах;

· расплавы металлов (для изотермических обработок);

· расплавы солей и щелочей (в основном для изотермического процесса охлаждения - при температурах от 150⁰С до 600⁰С);

· водные растворы масел (эмульсолы);

· водные растворы полимеров;

· диспергированный водный поток;

· поток воды под большим давлением;

· водо-воздушный поток;

· воздушный поток (охлаждение вентиляторным воздухом - так часто называют этот процесс в технической литературе);

· поток инертных газов (аргон, азот и т.д.) - наиболее часто используется при охлаждении в вакуумных печах.

Наиболее распространенными закалочными средами в промышленных условиях являются вода с температурой до 35-40°С и различные сорта масел.

Вода с указанной температурой используется при термообработке крупногабаритных изделий с целью интенсификации процесса охлаждения или для закалки сталей с малой устойчивостью аустенита при переохлаждении. Стадия пленочного кипения при закалке металлов в холодной воде очень короткая (рис. 1.1). При этом процесс охлаждения металла в холодной воде характеризуется высокой интенсивностью отбора тепла от нагретого металла, как в области высоких температур, так и низких (т.е. в области мартенситного превращения). Но максимум теплосъема от закаливаемого изделия для воды приходится на температуру металла»280-300ºС. В этом температурном интервале металлы находятся в упругом состоянии, но дислокации еще имеют возможность перемещаться, что приводит к частичной релаксации возникающих напряжений. Считается, что пороговой температурой начала перемещения дислокаций в металле, а соответственно и возможностью релаксации возникающих структурных и термических напряжений, является температура от 250ºС и выше.

Совершенно иной вид имеет кривая охлаждения металла в воде (в координатах «коэффициент теплоотдачи – температура поверхности закаливаемого металла») с температурой ³90ºС (рис. 1.3). Поэтому закалочные среды, у которых на кривой охлаждения максимум отбора тепла от металла сдвинут в сторону температур металла выше 300ºС, обычно не приводят к растрескиванию и сильному короблению деталей.

Рис.1.2 – Кривые изменения скорости охлаждения серебряного шарика в воде с различной температурой (Петраш Л.В.)

Для горячей воды характерна длительная стадия пленочного кипения (примерно от начала охлаждения и до температуры металла поверхности детали 200-160 º С). При этом переход от стадии пленочного к пузырьковому кипения происходит резким скачком, что особенно хорошо видно на графиках зависимости «коэффициент теплоотдачи-температура поверхности металла».

Смена кризиса кипения характеризуется резким возрастанием градиента температуры по сечению изделия, а соответственно возникновением высокого уровня напряжений, т.е. наблюдается эффект термоудара. Именно этим объясняется факт коробления изделий, а для средне- и высокоуглеродистых сталей и растрескивания металла изделий при закалке в горячей воде (³90ºС).

Рис. 1.3 - Кривые изменения коэффициента теплоотдачи при охлаждении металла в воде с различной температурой (Петраш Л.В.)

Низкотемпературный переход от стадии пленочного кипения к пузырьковому характерен и для некоторых других сред (водо-воздушный поток; полимерные среды и др.). На рис. 1.4 приведены сравнительные кривые охлаждения металла в различных средах, из которых наглядно видна разница в интенсивности охлаждения изделий и температурные интервалы максимального теплоотбора от металла для этих сред.

Большое распространение в качестве закалочных сред, в которых изделия не коробятся и не трещат в процессе охлаждения, получили различные сорта масел. Важнейшей особенностью охлаждающих масел является достаточно высокая скорость охлаждения в интервале температур превращения аустенита в перлит (от температур критических точек и до»550ºС) и низкая скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (рис. 1.4, 1.5). При этом главной особенностью масел является то, что максимум теплосъема от закаливаемого металла сдвинут (по сравнению с холодной водой) до температуры поверхности детали 400-500ºС, в зависимости от сорта масла (Рис. 1.4, 1.5). Этот интервал температур обычно лежит выше температуры точки мартенситного превращения, что позволяет существенно снизить вероятность трещинообразования и коробления.

Рис. 1.4 – Сравнительные кривые объемного охлаждения металла в различных жидких закалочных средах (Петраш Л. В.)

Наряду с положительными свойствами масла обладают рядом недостатков. Это задымленность помещения во время работы, сложность регенерации отработанных масел для повторного их использования, пожароопасность, необходимость уплачивать налоги за загрязнение окружающей среды и т.д.. При закалке больших серий деталей масляная ванна нагревается, что изменяет условия охлаждения детали (пятнистая закалка либо недостаточная прокаливаемость) и требует охлаждения масла, т.е. для обеспечения стабильности охлаждения требуются эффективные системы стабилизации температурного режима ванны. При нагреве масляной ванны увеличивается выделение паров, а при отпуске деталей после закалки в масло происходит выгорание остатков масла на поверхности металла, что ухудшает санитарную обстановку на рабочем месте (пары масел и продукты его сгорания обладают канцерогенными свойствами) и возрастает опасность возникновения пожара.

Рис. 1.5 - Изменение коэффициента теплоотдачи для воды (1) и масла (2-5) в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности металла.

2,3,4,5 – кривые интенсивности охлаждения в различных маслах (Петраш Л.В.)

После закалки детали необходимо подвергать обязательной промывке. Сложности у предприятий возникают и при утилизации промасленной окалины из закалочных баков. Высокая стоимость нефти и нефтяных масел, используемых в процессе термической обработки, а также все вышеизложенные недостатки, присущие процессу закалки изделий в масло, заставляют ученых и производственников искать водные охлаждающие среды, способные заменить закалочные масла по основным параметрам.

В странах СНГ и за рубежом ведутся исследования с целью создания закалочных жидкостей, сочетающих положительные свойства масла и воды. Главное место среди них занимают водные растворы полимеров. Каждая из известных закалочных жидкостей имеет свои преимущества и недостатки.

Опыт использования многих закалочных жидкостей убеждает, что экономически и технологически целесообразно решение проблемы замены масла для охлаждения металлоизделий при термообработке будет достигнута при использовании не одной, а нескольких закалочных жидкостей в одном термическом отделении. Эти жидкости должны отличаться друг от друга по охлаждающей способности, которую можно будет контролировать и изменять в заданных пределах, что позволит сделать технологический процесс термообработки более гибкими по стоимости, технологичности и другим качествам.

В Англии, Франции, Германии, США, Бельгии, Японии и других странах запатентованы закалочные среды на водной основе с добавлением органических веществ и минеральных солей (в литературе их называют водные полимерные закалочные среды). Широко применяются такие среды как «Аква-пласт», «Акваквенч», «Османил Е₂», «Водол 1, 2, 3», «Юкон А и Е», «УЗСП», AQUATENSID, FEROQUENCH 2000 и ряд других.

(Водная полимерная закалочная жидкость (ВПЗЖ)- водный раствор, содержащий водный растворимый полимер; обычно poly- (гликоль алкилена), poly (этиловый оксазолин), poly (solium акрилат) и поликристаллический кремний (виниловый pyrrolidone)

Механизм процесса охлаждения в растворах полимеров основан на понижении или повышении растворимости полимера в процессе нагрева закалочной среды. По этому признаку различают две группы закалочных сред.

К первой группе относятся среды, в которых растворимость полимера уменьшается с повышением температуры (обратную растворимость в воде) и при соприкосновении с нагретым металлом полимер выпадает из раствора, образуя на поверхности металла осадочный слой. Этот слой, как правило, замедляет процесс теплообмена жидкости с металлом и снижает скорость охлаждения металла. Образовавшийся осадок растворяется в закалочной жидкости при снижении температуры поверхности закаливаемого металла.

Например,закалочная среда «ПОЛИАЛКИЛЕНГЛИКОЛЬ»

Полиалкиленгликоли показывают обратную растворимость в воде. Они являются полностью растворимыми при комнатной температуре, но нерастворимыми при повышенных температурах. Обратная температура растворимости может располагаться от 60°C до 90°C в зависимости от химической состава.полимера.

Феномен обратной растворимости изменяет условный, трехступенчатый механизм (рис. 1.1) закалки и дает большее разнообразие скорости охлаждения в зависимости от концентрации полимера в воде.

Стадия 1 - Когда горячее изделие опускается в закалочную среду (водный раствор полиалкиленгликоль), раствор в непосредственной близости от поверхности детали нагрет до температуры выше температуры обратной растворимости. Полимер становится нерастворимым, и однородная плотная полимерная пленка обволакивает поверхность. Это - период медленного охлаждения, аналогичный фазе пленочного кипения при закалке в жидких средах, изменяющих свое агрегатное состояние.

Дата добавления: 2014-10-23