Стадия 3

Стадия 2

Стабильность и, следовательно, продолжительность этой полимерной пленки зависят от температуры, концентрации и степени перемешивания раствора.

По мере охлаждения поверхности металла детали устойчивая полимерная пленка оседает и холодная закалочная среда входит в контакт с металлической поверхностью изделия, начинается стадия пузырькового кипения с высоким отводом тепла (максимальная скорость охлаждения).

Температура металла детали снижается и активный период кипения заканчивается (стадия пузырькового кипения переходит в конвективный теплообмен), охлаждение замедляется и теплоотвод от металла происходит за счет теплопроводности и конвективной теплопередачи к жидкости. Когда температуры поверхности падают ниже температуры инверсии, полимер повторно формирует однородный раствор.

Влияние перемешивания - Перемешивание имеет существенное влияние на характеристики закалки металлоизделий во всех полимерных закалочных средах. Это гарантирует однородность и равномерность охлаждения в пределах закалочной ванны и также повышает скорость охлаждения за счет уменьшения продолжительности 1-го этапа охлаждения - стадии пленочного кипения и увеличения скорости охлаждения. Перемешивание имеет сравнительно небольшое влияние на скорость охлаждения на этапе конвективного кипения, но целесообразно для обеспечения равномерности охлаждения.

Ко второй подгруппе относятся пленкообразующие полимерные закалочные среды. При высокой температуре металла поверхности закаливаемой детали полимер растворен в воде, а пленка, образующаяся на поверхности охлаждаемого металла, стабилизирует паровую рубашку в конце процесса хлаждения (оседает на поверхность детали), тем самым замедляя скорость охлаждения в нижнем (мартенситном) интервале температур. Следовательно, с изменением концентрации компонентов закалочных сред на основе водо-растворимых полимеров можно подобрать для деталей из различных марок сталей такие скорости охлаждения, которые обеспечивают необходимую прокаливаемость, твердость, уровень остаточных напряжений и другие характеристики механических свойств.

На предприятиях гражданского и оборонного комплексов стран СНГ было апробировано много различных полимерных сред, но все они обладают индивидуальной охлаждающей способностью и не могут претендовать на такую универсальность, как масла.

В качестве недостатков водных растворов полимеров в литературе и на практике отмечается значительная зависимость охлаждающей способности от концентрации добавок и температуры ванны. Не рекомендуется применять водные растворы полимеров с температурой раствора выше 40-45ºС. Существенную сложность представляет и процесс определения и корректировки концентрации полимера в растворе. Существенным недостатком полимерных закалочных сред является наличие максимума теплоотбора в области температур закаливаемого металла ≈200-250ºС, что может приводить к повышенному уровню остаточных напряжений в металле деталей после закалки.

В практике используются также и водные растворы эмульсолов представляющих собой смесь масел и поверхностно активных веществ – эмульгаторов.

Процесс теплообмена в средах с изменяющимся агрегатным состоянием происходит в условиях, когда температура охлаждаемого тела выше температуры кипения охлаждающей среды и в процессе термической обработки на границе “металл - охлаждающая среда” происходит процесс кипения. Охлаждение металлоизделий в таких средах имеет неравномерный характер с ярко выраженными максимумами скорости охлаждения в определенные периоды процесса охлаждения (рис.1.4), которые во многом определяют качество закаленного металла и его напряженное состояние. При этом для воды местонахождения таких максимумов определяется ее температурой в процессе закалки (рис. 1.2), а в случае использования солевых растворов – концентрацией солей в растворе и температурой раствора (рис.1.7). Одним из эффективных направлений повышения равномерности, интенсивности охлаждения металла в высокотемпературной области при смещении максимума теплосъема в сторону температур охлаждаемого металла выше 350°С, является использование в качестве охлаждающих сред водных растворов хлоридов, имеющих ту особенность, что при охлаждении металлоизделий в водных растворах хлоридов наблюдается один максимум теплового потока (рис. 1.8).

Рис. 1.7 - Изменение интенсивности охлаждения металла при закалке металлоизделий в водных растворах хлоридов с 20% концентрацией NaCl при различных температурах ванны (Петраш Л. В.)

Рис. 1.8 – Зависимость теплового потока (q) от времени для водного раствора хлорида магния (бишофита) при температуре 220°С (а) и воды при температуре 200°С (б) (Кобаско Н. И.).

Это свидетельствует о существовании только двух стадий закалочного охлаждения - пузырькового режима кипения и конвективного теплообмена.

Так, например, водные растворы природного минерала бишофита, содержащего преимущественно хлористый магний, используются, в основном, для закалки конструкционных и инструментальных марок сталей в баках открытого типа. Среда обеспечивает интенсивное охлаждение в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, а в интервале температур мартенситного превращения охлаждает со скоростью в 6…23 раза меньше, чем вода. Среда может использоваться в широком диапазоне температур.

Эффективна при закалке крупногабаритных изделий. При этом с повышением температуры ванны происходит смещение максимума теплосъема в сторону более высоких температур закаливаемого металла (рис. 3.9).

1 - температура ванны +20ºС; 2 - +40ºС; 3 - +80ºС

Рис. 1.9 - Изменение интенсивности охлаждения (по плотности теплового потока) от температуры поверхности металла и смещение максимума теплосъема при закалке деталей в водном растворе хлорида магния (бишофит) при изменении температуры ванны (Кобаско Н.И.).

В качестве недостатков водного раствора бишофита можно отметить повышенную коррозионную активность и в связи с этим, необходимость применения ингибиторов коррозии, а также выделение газообразного хлористого водорода при интенсивной термической нагрузке.

Анализ эксплуатации известных и апробированных в промышленных условиях охлаждающих сред на водной основе показывает, что они не являются такими универсальными, как вода и масло. В каждом конкретном случае необходимо подбирать оптимальный состав, концентрацию ингредиентов в водной охлаждающей среде и температуру ее эксплуатации для определенного химического состава сталей и габаритов и конфигурации изделий. Этот принцип относится ко всем закалочным средам, но особенно тщательно он должен соблюдаться при выборе нетрадиционных сред. Водные растворы хлоридов могут эффективно использоваться при закалке изделий из мало-, среднеуглеродистых сталей, которые после термической обработки подвергаются механической обработке или промывке для предупреждения коррозии. Таким образом, работы по указанным направлениям были и является актуальными и в настоящее время, что и предопределяет целесообразность их постоянного развития. Это связано с тем, что термическая обработка была и остается критерием оценки наукоемкости и качества производимой продукции. С повышением требований к физико-механическим свойствам металлоизделий ответственного назначения объем термической обработки в технологической цепочки их изготовления постоянно увеличивается. Эта тенденция прослеживается во всех промышленно развитых странах на протяжении многих десятилетий.

При использовании в качестве охлаждающей среды воды необходимо помнить о приемлемых температурных интервалах, в которых можно использовать воду для обеспечения стабильности и равномерности охлаждения металла (рис. 1.10).

Рис. 1.10 – Равномерность охлаждения металла по значениям предела прочности по ширине полосы в зависимости от температуры закалочной среды. Цифры у кривых – температура охлаждающей воды, ^оС.

Рекомендуемая литература:

1. Петраш А.В. Закалочные среды.- М.: Машгиз, 1954, 112 с.

2.Люты В. Закалочные среды. Справочник. Пер.с польского,-Челябинск, Металлургия. Челябинское отделение, 1990.-192с

Рис. Иллюстрация влияния концентрации закалочного вещества на вид кривой охлаждения для поликристаллического кремния (гликоль алкилена) при 30⁰ C и перемешивания со скоростью 0.5 м/с

Рис. Иллюстрации влияния изменения температуры раствора на вид кривой охлаждения для 15 % водного раствора поликристаллического кремния (гликоль алкилена) при перемешивания со скоростью 0.5 м/с

Рис. Иллюстрации влияния изменения степени турбулизации на вид кривой охлаждения для 15 % водного раствора поликристаллического кремния (алкилен гликоль) при перемешивания ванны с различной скоростью (м/с).

Рис. Детали термозонда раздельно и в сборке (международный стандарт)

Допуски: по длине образца + 0,1мм, по диаметру образца + 0,05мм.

1. Допуски: по длине образца + 0,1мм, по диаметру образца + 0,05мм.

100 – максимальная глубина сверления.

Минимальная глубина сверления – 80 мм.

Допуски: по длине образца + 0,1мм; по диаметру образца + 0,05м

Рис.. Этот ряд фотографий обьясняет различные стадии технологии закалки в полимере PAG.

1 – момент погружения – тонкая пленка полимера оседает на поверхности образца;

2 – после 15 секунд – пленка становится активной;

3 – после 25 секунд – кипение охватывает всю поверхность;

4 – после 35 секунд – кипение исчезает и начинается конвективная фаза;

5 – после 60 секунд – полимер начинает повторно растворятся в растворе;

6 – после 75 секунд – пленка полностью повторно растворилась и тепло удаляется исключительно конвекцией.

Дата добавления: 2014-10-23