/
Author: Люты В.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления машиностроение справочник металлургия технология машиностроения холодильное оборудование закалка металла
ISBN: 5-229-00526-2
Year: 1990
Text
в. л юты
ЗАКАЛОЧНЫЕ
СРЕДЫ
в
Prof, dr hob. inz. Waclaw Luty
chlodziwa
hartownicze
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne
Warszawa 1986
в. л юты
ЗАКАЛОЧНЫЕ
СРЕДЫ
етмиваи
Перевод с польского
канд. техн, наук Г.Н.МЕХЕДА
Под редакцией
докт. техн, наук, проф. С. Б. МАСЛЕНКОВА
ЧЕЛЯБИНСК «МЕТАЛЛУРГИЯ» ЧЕЛЯБИНСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1990
1*
УДК 621.784.6.06
Рецензент докт. техн, наук В. Н. Зикеев
УДК 621.784.6.06
Закалочные среды: Справ, изд. Люты В., Под ред. Масленкова С. Б!
/Пер. с польск. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение.!
1990. — 192 с.
Рассмотрены влияние скорости охлаждения на фазовые преврайе!
ния, структуру и свойства стали при ее закалке. Описаны способы
измерения скорости охлаждения, прокаливаемое™ стали и ее опреде^
ление, механизм теплообмена и методика определения охлаждающей
способности закалочных сред. Приведены основные критерии выбора
закалочных сред.
Для инженерно-технических работников металлургической и ма-
шиностроительной промышленности. Ил. 145. Табл. 34. Библиогр список:
I18 назв. г
2608000000—115
Л_________________65__90
040 [01_90]
ISBN 5-229-00526-2 (рус.)
ISBN 83-204-0767-2 (польск.)
Copyright by Wydawnictwa Naucowo-Techniczne Warszawa, 1986
© Перевод на русский язык,. Издательство «Металлургия», 1990
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию.................................7
Предисловие................................................... 8
1,1. Влияние скорости охлаждения на фазовые превращения пере-
охлажденного аустенита ....................................... 9
1.2. Старые и новые диаграммы превращений переохлажденного
аустенита....................................................11
1.3. Критическая скорость охлаждения и ее определение.........16
1.4. Методы объемной закалки..................................20
1.5. Влияние закалки на свойства стали........................23
1.6. Прокаливаемость..........................................25
1.7. Закалочные напряжения и деформации 27
1.8. Влияние геометрии, величины сечения и состояния поверхности
закаливаемых деталей на скорость охлаждения...................37
2. Механизм теплообмена и методика определения охлаждающей спо-
собности закалочных сред......................................39
2.1. Требования к закалочным охлаждающим средам...............39
2.2. Общая классификация охлаждающих сред и условий их контакта
с поверхностью................................................40
2.3. Механизм теплообмена во время охлаждения.................40
2.4. Прямые лабораторные методы определения охлаждающей
способности.............................................. . . 46
2.4.1. Общие основы........................................ .46
2.4.2. Французский метод серебряного цилиндрического образца . 48
2.4.3. Английский метод цилиндрического образца из сплава
инконель 600 ................................................. 54
2.4.4. Магнитный метод (никелевого шарика)....................58
2.5. Косвенные методы определения охлаждающей способности . . 60
2.6. Определение интенсивности охлаждения и закалки в промыш-
ленных условиях .............................................61
2.6.1. Метод Гроссмана.......................................62
2.6.2. Французский метод (CETIM).............................67
2.6.3. Метон QTA Вюннинга.....................................68
2.6.4. Me? ч температурного градиента Лишчича.................72
3. Водные охлаждающие среды..................................74
3.1. Вода как закалочная охлаждающая среда...................74
3.1.1. Общая характеристика..................................74
3.1.2. Влияние температуры воды на ее охлаждающую способность . 75
3.1.3. Влияние интенсивности циркуляции......................77
3.1.4. Влияние загрязнений....................................78
3.2. Водные растворы неорганических кислот и щелочей..........79
3.3. Водно-масляные эмульсии..................................84
3.4. Водные растворы полимеров . . \..........................86
3.4.1. Общая характеристика ..................................87
3.4.2. Характеристики некоторых зарубежных полимерных охлаждаю-
щих сред.......................................................94
3.4.3. Охлаждающие полимерные среды ПНР.......................99
3.4.4. Эксплуатация полимерных закалочных ванн...............103
4. Минеральные закалочные масла.............................104
4.1. Фракционный состав и общая характеристика свойств 105
5
три закалочных
•4.2. Классификация и общее описание разновидност 107
масел.................................................. .110
4.3. Физико-химические свойства............................ .115
4.4. Термокинетические свойства............. техНологнческие
4.5. Влияние температуры и циркуляции масла на его
свойства.................................................... ]21
4.6. Загрязнение закалочных масел водой 123
4.7. Процессы старения в маслах 124
4.8. Высокотемпературные масла............................ 126
4.9. Вакуумные закалочные масла........................ п не
4.10. Сравнение свойств закалочных масел, производимых в Поль ,
с некоторыми зарубежными............................... .
4.11. Пожароопасность и средства предупреждения . ос
5. Охлаждение в расплавленных солях и щелочно-соляных ваннах 130
5.1. Общая характеристика...................................., о
5.2. Соли селитры.............................................138
5.3. Охлаждение в расплавленных щелочах и щелочно-соляных ван
нах...........................................................142
5.4. Основы техники безопасности при работе с ваннами .... 144
6. Охлаждение в газовых и диспергированных средах..............145
6.1. Теоретические основы охлаждения в газах...................145
6.2. Закалка на воздухе........................................146
6.3. Газовая закалка в вакуумных печах......................149
6.4. Закалка во взвешенных средах...........................155
6.4.1. Общая характеристика взвешенных сред.................155
6.4.2. Образование взвешенных сред..........................155
6.4.3. Термокинетические свойства взвешенных сред...157
6.4.4. Лабораторные испытания и промышленное применение . . .162
7. Основы выбора закалочных сред............................165
7.1. Общие принципы........................................ 166
7.2. Прокаливаемость и кинетика фазовых превращений как кри-
выбора охлаждающих сред.....................................167
7.3. Выбор охлаждающих сред, исходя из их термокинетических харак-
теристик и интенсивности закалки ...................... 171
7.4. Выбор охлаждающих сред, исходя из типа закалочных устройств 176
7.5. Перспективы развития технологии охлаждения.............179
Библиографический список....................................182
Предметный указатель........................................187
6
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Структура и свойства стали определяются химическим составом и тем-
пературно-временными параметрами нагрева и охлаждения. Наиболее
изученными вопросами на сегодня являются^ связь химического состава
со структурой. Нагрев и охлаждение, несмотря на то, что мы постоянно
применяем их в своей практике, изучены недостаточно, укажем хотя
бы на роль точечных дефектов-вакансий, а также выявленное в иссле-
дованиях последних лет такое новое явление, как возникновение не-
равновесных сегрегаций по границам зерен. Наиболее слабое место в
технологии термической обработки — технология охлаждения. А имен-
но в ней кроются большие резервы управления структурой и свойствами
металла в готовых изделиях. В зависимости от условий работы деталей
мы должны получить однородную структуру или, напротив, заданный
градиент структур и связанных с ним свойств. Важное значение, напри-
мер, для усталостной прочности, имеют поверхностные напряжения.
Высокие объемные напряжения повышают склонность к образованию
трещин. Эти характеристики в первую очередь определяются техноло-
гией охлаждения. С этой точки зрения книга Вацлава Люты представля-
ет большой интерес как работа, обобщающая широкий мировой опыт.
В ней рассматриваются практически все аспекты проблемы, включая и
поиск новых охлаждающих сред и технологий. Наряду с теоретическими
вопросами книга содержит много практически важных сведений. Она
будет полезна как студентам технологических факультетов, так и ин-
женерам и научным работникам, занимающимся технологией терми-
ческой обработки сталей.
С. Б. Масленков.
7
... ПРЕДИСЛОВИЕ
„ , „ инструмента зави-ч
Эксплуатационные характеристики деталей машин и дВуХ главных
сят от правильного выбора и соблюдения параметров. J Ус'тенизацню 1
технологических процессов: аустенизации и'охлаждения. > конт-
проводят обычно в заданных заранее и подлежащих тшате. к(,нтроля
ролю условиях, в то время как возможности регулирования огпан'и-
условий охлаждения при современном уровне техники весьм' к 1
чены. Между тем, рациональное охлаждение, т. е. охлаждение, с
ствующее кинетике фазовых превращений данной марки стали,
площади сечения и другим требованиям, в конечном счете определяет
такие свойства закаленных деталей, как твердость поверхности и ед
распределение по сечению, вид и значение остаточных напряжении,
оказывающих значительное влияние на механические свойства (в осо-
бенности на усталостную прочность), величину закалочных напряжений
и тем самым стоимость окончательной обработки, склонность к обра-
зованию трещин и т. д.
В рассмотренной ситуации вполне обоснованным является проявляю-
щийся в последнее время заметный интерес исследователей к пробле-
мам технологии охлаждения. Здесь рассматривают следующие основ-
ные вопросы:
лабораторные методы определения термокинетических и техноло-
гических свойств различных типов закалочных сред;
методы измерения скорости охлаждения в промышленных зака-
лочных установках, расчет распределения температуры по сечению
закаленных деталей, а также установление корреляции между условиями
охлаждения, твердостью и распределением напряжений;
разработку новых типов закалочных сред на основе минеральных
масел, водных растворов полимеров, газовых и жидких сред, а также
сред для бейнитной закалки;
выяснение физико-химических явлений, протекающих в процессе
теплообмена в различного вида средах;
работу над развитием конструкции охлаждающих устройств с уче-
том возможности регулировки скорости охлаждения;
разработку научных основ выбора охлаждающих сред.
Круг рассматриваемых вопросов свидетельствует о том, что тех-
нология охлаждения является самым слабым участком в технологиче-
ском процессе термической обработки. Одной из причин запаздывания
в развитии этой области техники было до недавнего времени, по мнению
автора, отсутствие координации исследований и обмена опытом в
международном масштабе. Эта причина была устранена благодаря
созданию в 1978 году Международной федерацией по термической
обработке материалов специального комитета, занимающегося науч-
ными и технологическими аспектами закалки.
Количество охлаждающих сред относительно мало, а знание основ
рационального охлаждения и его влияния на качество изделий
машиностроительной промышленности неудовлетворительно. Отсюда
возникла идея обобщения накопленного мирового опыта, основной
целью которого является распространение информации о последних
достижениях в этой области.
За поддержку этой инициативы со стороны дирекции Института
точной механики в Варшаве, а также решение научно-технического
издательства издать книгу выражаю сердечную благодарность.
8
1. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ
ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА СТАЛИ, ДЕФОРМАЦИЮ
И ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕТАЛИ
Несмотря на то, что читатель этой книги может быть знаком с теоре-
тическими основами термической обработки стали, мы приведем в пер-
вой главе некоторые основные сведения о фазовых превращениях пере-
охлажденного аустенита, прокаливаемости, а также внутренних напря-
жениях и деформациях, сопутствующих закалке. Эти явления имеют
непосредственную связь с процессом охлаждения, что создает необходи-
мость обращения к ним в последующих главах, в которых рассмотрены
различные виды охлаждающих сред и результаты влияния различных
условий охлаждения.
1.1. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ
НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА
Нагрев стали до сверхкритических температур и образование тем самым
аустенита, а затем последующее охлаждение с соответствующей ско-
ростью составляет сущность многих видов термической обработки, в
том числе и закалки. В связи с этим зависимость превращения аустенита
в другие структуры от скорости охлаждения и температуры протекания
этих превращений (степени переохлаждения) оказывает основополагаю-
щее влияние на эксплуатационные свойства изделий после термической
обработки.
Аустенит является твердым раствором углерода и легирующих
элементов в у-железе. Он может быть обозначен какЕеу(С). Во время
медленного охлаждения аустенит превращается в перлит, состоящий
из феррита и цементита, что можно записать в виде
Fev(C)—>Feo + Fe3C.
Продукты этого превращения значительно отличаются содержа-
нием углерода между собой, а также в сравнении с исходным аусте-
нитом. Отсюда следует, что это превращение требует диффузионного
перемещения углерода и может протекать только в такой температур-
ной области и при таких скоростях охлаждения, которые не подавляют
диффузию.
Таким образом, перлитное превращение является превращением
с диффузионным механизмом протекания, а степень дисперсности
структурных составляющих и тем самым механические свойства за-
висят от скорости охлаждения или температуры изотермического
превращения.
Если аустенит охлажден с такой большой скоростью, что ни
углерод, ни тем более металлические элементы не смогут переме-
щаться диффузионным путем и аллотропическая разновидность Fev
должна превратиться в устойчивую при низких температурах Fett- фазу
бездиффузионно, то такое превращение может быть записано в виде
FeT(C)->Fe0(C).
Из этой записи следует, что после превращения углерод остался
в твердом растворе, однако не в виде Fev, а в виде Fea. Так как
9
пересыщения
грагональной
FeQ в равновесном состоянии почти .не растворяет углерод
римость углерода 0,02 °/0 при 727 °C и 0,01 % »РИ к
пературе), то решетка Ее,/ деформируется из-за
ее атомами углерода. Такая a-фаза с объемной
решеткой и растворенным в ней углеродом носит название мар-
тенсита. Это превращение требует так называемых сверхкрити-
ческих скоростей охлаждения, а процесс такой термической обработки
носит название закалки.
Превращение протекает в определенной для каждой марки стали
и химического состава аустенита температурной области, начало
которой обозначается символом Ms , а температура конца превра-
щения символом Mf'. Температура М/ для многих марок стали лежит
значительно ниже 0 °C, что приводит к тому, что в этих сталях
после закалки остается определенное количество аустенита, называе-
мого остаточным.
При промежуточных скоростях охлаждения аустенита, лежащих
между скоростями, вызывающими перлитное превращение и мартен-
ситное, протекают превращения частично диффузионные и частично
бездиффузионные. Такая структура, состоящая из высокодисперсного
цементита и феррита, а также, возможно, некоторого количества
Рис. 1.1. Влияние скорости ох-
лаждения на температуры фа-
зовых превращений и вид мик-
роструктуры в доэвтектоидных
сталях:
Л — аустенит, F — феррит, Р — пер-
лит. В — бейнит, М — мартенсит. —
нижняя критическая скорость. —
верхняя критическая скорость
Рис. 1.2. Влияние содержания
углерода в углеродистых ста-
лях на положение температур-
ной области мартенситного
превращения
1 В отечественной литературе приняты такие обозначения: Мн — температура начала
мартенситного превращения, ,МК — температура конца превращался. Прим. ред.
10
мартенсита и остаточного аустенита носит название бейнита, а само
превращение называется промежуточным или бейнитным.
Описанная зависимость вида превращения переохлажденного
аустенита от скорости охлаждения, а также положение критических
температур и структур, являющихся продуктом этих превращений,
в доэвтектоидных сталях схематически представлена на рис. 1.1.
Нижняя критическая скорость иыг является наименьшей скоростью
охлаждения, при которой небольшое количество аустенита превраща-
ется в бейнит, а доминирующей структурой является высокодисперс-
ный перлит. После превышения верхней критической скорости v^d
единственным превращением будет бездиффузионное мартенситное
превращение. В бейнитной области диффузионное и бездиффузионное
превращение протекают одновременно, что означает, что часть аусте-
нита превращается по одному механизму, а остальная часть — по
другому.
В заэвтектоидных сталях превращение протекает подобным об-
разом, как на рис. 1,1, однако отсутствует ферритная область между
превращениями Аг3 и Лг(, а в области бейнитного и мартенситного
превращения в структуре наблюдается определенное количество оста-
точного аустенита и свободных карбидов. Положение температур на-
чала мартенситного превращения Ms и приблизительного его конца
Mj зависит в основном от содержания углерода в стали (рис. 1.2).
Некоторые легирующие элементы (Мп, Ст, Ni, Мо) значительно
снижают эти температуры.
1.2. СТАРЫЕ И НОВЫЕ ДИАГРАММЫ
ПРЕВРАЩЕНИЙ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА
Равновесная двойная система Fe—Fe3C не дает информации о кине-
тике превращений переохлажденного аустенита, так как в ней не
учтен фактор времени. Наиболее полные данные о зависимости струк-
туры и твердости от таких параметров, как температура и время
термической обработки отдельных марок стали, дают кинетические
диаграммы фазовых превращений. Так как влияние фактора темпера-
туры значительно сильнее, чем времени, для температуры применяют
логарифмическую шкалу. Такого вида диаграммы, называемые диа-
граммами ВТП (время — температура — превращение), были построе-
ны двух видов: ВТП—для изотермических условий протекания пре-
вращения, а также ВТПС,— для превращения при непрерывном
охлаждении.
Из диаграмм ВТП можно определить время, после истечения кото-
рого начинается и оканчивается фазовое превращение переохлаж-
денного аустенита в случае, когда оно протекает при постоянной
температуре (изотермической). Эти графики позволяют определить
температурную область наименьшей стабильности аустенита и тем
самым определяют необходимую скорость охлаждения, которая по-
зволяет предупредить перлитное диффузионное превращение и обес-
печивает образование мартенситной структуры. Для образования
этой структуры необходимо также охлаждение до температуры ниже
Ms, причем количество мартенсита не зависит от времени выдержки
при данной температуре, зато оно зависит от ее значения. Поэтому
на диаграммах обозначают содержание мартенсита при различных
температурах. Иногда на диаграммах наносят на отдельных кривых
процент превращенного аустенита, а также твердость после пре-
вращения.
11
для углеродистых
На рис. 1.3. приведены диаграммы этого тип эвтектоидной,
сталей с содержанием углерода, свойственным д н коцца пре-
доэвтектоидной и заэвтектоидной стали. Время нач есеченИя го-
вращения отсчитывают путем проектирования точек Р на шкале
ризонтальных температурных линий с кривыми превраш
времени.
г, с
Рис. 1.3. Диаграммы ВТП, дл»
углеродистых сталей:
А — эвтектоидная; б — доэвтектоид-
ная; в — заэвтектоидная
На диаграммах ВТПС приведен ход фазовых превращений во врем»
непрерывного охлаждения с различными скоростями. С этой целью
кроме линий начала и конца фазовых превращений (положение эти:
линий другое, чем на диаграммах ВТП), нанесен ряд кривых, пред-
ставляющих различные скорости охлаждения.
12
На рис. 1.4. дано сравнение диаграмм ВТП и ВТП, для одной
и той же стали с химическим составом, отвечающим стали 45Х [1].
Цифры на кривых превращений — процент превращения, а цифры
в кружках — твердость HRC (при самой малой скорости охлаждения
НВ)' На диаграммах ВТПС, называемых также анизотермическими
диаграммами, температуры начала и конца превращения, а также
отвечающее им время отсчитывают путем проектирования точек
пересечения кривых скорости охлаждения с граничными линиями об-
ластей сосуществования аустенита с продуктами его превращения.
Рис. 1.4. Сравнение ди-
аграмм:
а — ВТП; 6 — АТПС для стали
состава, близкого к стали 45Х
(по Веверу. Рози)
Если кривая скорости охлаждения пересекает область различных
структур, то это значит, что в результате превращения образуется
смесь этих структур. Их процентная доля обычно приводится на
диаграммах соответствующих кривых охлаждения.
Практическое использование диаграмм ВТПС для прогнозирова-
ния структур и твердости в сечении круглых прутков или других
профилей требует определения скорости охлаждения в этих сечениях.
13
Принимая во внимание зависимость скорости охлаждения от многих
факторов, кроме величины' сечения, проблему можно решить либо
расчетным путем при принятии многих упрощающих допущений, либо
экспериментальными методами. Такого рода данные можно наити
во многих опубликованных работах.
1 10 100 (цифры у кривых), закаленных
с, мин в воде (а) и в масле (б) [2]
Рис. 1.6. Способы отсчета температур (а),* критического времени (б)
на графиках
14
Расстояние от поверхности, мн
Рис. 1.7. Диаграмма для определения
времени охлаждения в температурной
области 800—500 °C стальных прутков
диаметром 50—200 (цифры у кривых,
мм), охлажденных в воде (а) и в масле
(6) в зависимости от расстояния от
поверхности. Штриховая линия — кри-
вая охлаждения в середине прутков [3]
На рис. 1.5 в каче-
стве примера приве-
дены [2] кривые ох-
лаждения средних
частей прутков раз-
личных диаметров
после закалки в воде
и масле. Более про-
стая и обычно доста-
точная процедура со-
стоит в определении
из диаграммы ВТП
так называемого кри-
тического времени
Км. К/ и КР (рис.
1.6), т. е. времени
охлаждения в темпе-
ратурной области
800—500 °C, что по-
зволяет избежать
структуры перлита
Кп> феррита Кр или
бейнита Км- Нанесе-
ние этих критических
точек на графики ско-
рости охлаждения
прутков различных
диаметров позволяет
определить диамет-
ры, при которых мож-
но избежать образо-
вания нежелательных
структур.
Конструкторам
часто требуется
иметь заданные свой-
ства (структуры) не
во всем сечении, а
лишь на определен-
ном расстоянии от
поверхности. Из
рис. 1.7 можно опре-
делить искомое вре-
мя охлаждения
на любом расстоянии от поверхности, например, на половине радиуса,
и на этой основе с помощью диаграммы ВТПС прогнозировать струк-
туру и твердость в этой области после закалки в воде или масле.
1 Руппа непрерывных тонких линий определяет время охлаждения
в зависимости от расстояния от поверхности до оси прутков (штри-
15
ховая линия). На правой вертикальной оси нанесена также . а
скорости охлаждения, обозначающая расстояние от торцовой поверх-
ности образца для исследования прокаливаемости по методу Джо-
мини1. Это позволяет в сочетании с диаграммами прокаливаемости
определять распределение твердости по сечению после закалки.
Описанные ранее диаграммы ВТП и ВТПС, разработанные для ма
лых образцов с помощью лабораторных методов (в основном дила-
тометрических) и опубликованные во многих странах в виде атласов,
обеспечили большой прогресс в создании научных основ термической
обработки. Они позволяют также сравнивать кинетику фазовых пре-
вращений в разных марках стали. Самые последние исследования
многих авторов, например, К. Е. Телнинга [4], показали, однако
что процессы зарождения и роста фаз, а тем самым и результаты
закалки на практике зависят от кинетики охлаждения во всей темпе-
ратурной области и по всему сечению образца. Вследствие этого они
могут далеко отклоняться от условий охлаждения образцов, применя-
емых при построении диаграмм. Поэтому практическая ценность этих
диаграмм, называемых в настоящее время диаграммами старого
поколения, оценивается скептически.
Исходя их этого, Аткинс [5] и другие разработали диаграммы
превращений нового поколения при использовании методов, учитыва-
ющих существующие на практике условия непрерывного охлаждения
На диаграммах этого типа (рис. 1.8) обозначены области фазовых
превращений при охлаждении прутков различных диаметров в разных
охлаждающих средах и даже на определенных расстояниях от оси.
На рис. 1.8 эти расстояния 0,8/? и 0. Диаграммы этого вида имеют
значительно большую практическую ценность по сравнению с диа-
граммами старого поколения. Они могут также в сочетании с диаграм-
мами прокаливаемости служить научной основой выбора охлаждающих
сред, что будет рассмотрено в главе 7.
1.3. КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ
И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Под понятием критическая скорость охлаждения применительно к бей-
нитной или мартенситной структуре мы понимаем такую наименьшую
скорость охлаждения, при которой появляются небольшие количества
мартенсита, но доминирующей структурой является бейнит (это
так называемая нижняя критическая скорость vka или ив), или
при которой исчезает бейнитная или перлитная структура, а доми-
нирует мартенситная структура (верхняя критическая
скорость — Vkq или им). Сформулированные таким образом понятия
критических скоростей охлаждения объяснены схематично на рис. 1.1
и 1.6. На термокинетическом графике действительных превращений в
стали 45Х (рис. 1.4, б) кривая охлаждения, в результате которой •
получают твердость HRC60, обозначена им, в то время как кривая,
отвечающая твердости HRC44, обозначена од.
В углеродистых сталях с содержанием углерода, близким к эв- 1
тектоидному или заэвтектоидному, бейнитные превращения при не- 1
прерывном охлаждении не протекают. В этих случаях можно говорить I
только об одной критической скорости охлаждения, которой является |
им- Кривая охлаждения, обозначаемая как им на диаграмме термо- I
кинетических превращений, является для этих сталей касательной!
1 Метод Джомини соответствует отечественному методу торцовой закалки. Прим. ред. 1
16
Рис. 1.8. Диаграммы фазовых превращений нового поколения для
прутков из стали с содержанием 0,27 % С, 0,31 % Si, 1,17 °/о Мп,
0,48 %Сг, 0,0013% В, закаленных в воде и в масле [4]:
о — вода, 0,8 R; б — вода; середина прутка; в — масло. 0,8 R; г — масло, середина прутка
к линии начала перлитного превращения при температуре, соответ-
ствующей наименьшей устойчивости аустенита (около 550 °C).
Численное определение приблизительных значений критических
величин скоростей охлаждения для отдельных марок стали может
быть сделано путем снятия с диаграммы ВТПС параметров времени
и температуры, отвечающих точке встречи кривой охлаждения, каса-
тельной к линии начала превращения, а также путем деления разницы
температуры на отсчитанное время. Критическая скорость является
мерилом устойчивости переохлажденного аустенита в бейнитной или
перлитной температурной области. Эта устойчивость зависит, прежде
2 Зак. 3245 17
всего, от химического состава, на нее влияют также степень одно^-
родности и величина зерна аустенита. Из приведенных зависимостей
вытекает, что даже для одной и той же марки стали критическая ско-
рость охлаждения может колебаться в широких пределах. Таким об-
разом, ее значение, определенное с помощью одной термокинетическои
диаграммы, является приблизительной величиной.
На рис. 1.9 (по данным Вебера и Розе) показано влияние со
держания углерода в аустените на критическую скорость охлаждения
vm-
Чм.К/с
ис. 1.9. Влияние содержания углерода
аустените на критическую скорость
охлаждения Им (по Веберу и Рози)
В литературе можно найти описание многочисленных методов
подсчета критической скорости охлаждения, в основном исходя из,
химического состава стали с возможным учетом величины зерна аусте-
нита. Авторы этих методик приводят статистическую обработку урав-
нений корреляционных зависимостей vM и ид от химического состава.
Постоянные и коэффициенты в этих уравнениях были получены экспе-
риментальным путем. Анализ большого количества диаграмм ВТПС для
конструкционных сталей, показал связь между критической скоростью
и химическим составом стали в виде уравнения [6|.
Ign = К—[А (®/0С)+В (%Mn)+£)(%Ni)+£(°/0Сг) + F (%Мо)+РдГ],
где v — критическая скорость охлаждения, обеспечивающая полу-
чение мартенситной структуры (ом), бейнитной (л'и)или смешанной
(у5овм): К — постоянная, зависящая от вида структуры после закалки;
А, В, D, Е, F — коэффициенты для отдельных легирующих элементов;
Ра — коэффициент, характеризующий величину зерна аустенита; Г —
температура аустенизации, °C.
Численные значения упоминаемых постоянных (табл. 1.1) были
определены для стали следующего химического состава:
С <0,5 %; Мп<1,75°/0; Ni< 3 %; Сг<2,25%;
Mo < 1,0 % (Мп + Ni + Ст + Мо) <5 °/о.
Г. В. Склюев [7] использовал приведенное выше уравнение не
только для подсчета критических скоростей для различных марок
конструкционных сталей, но и для так называемых критических диа-
метров, понятие э которых схематически объяснено на рис. 1.10.
18
ТАБЛИЦА 1.1.
ВЕЛИЧИНЫ ПОСТОЯННЫХ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ РАСЧЕТА
КРИТИЧЕСКИХ СКОРОСТЕЙ ОХЛАЖДЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
СТАЛЕЙ [б)
К А (С) В (Мп 1 D (Ni) £ (CD F (Mo) Рл Разброс Igo 2а
lgy« 9,81 4,62 1,10 0,54 0,50 0,60 0,0018 0,49
IgVB 10,17 3,80 1,07 0,70 0,57 1,58 0,0032 0,60
IgPoOBM 8,50 4,13 0,86 0,57 0,41 0,94 0,0012 0,41
Рис. 1.10. Зависимость толщины закален-
ного слоя от критической скорости охлаж-
дения и критического диаметра. ЗС — за-
каленный слой
Однако для того, чтобы определить критический диаметр, необходимо
знать не только критическую скорость охлаждения, но и зависимость
скорости охлаждения в данной среде от диаметра прутков.
Такую зависимость для температурной области 800—600 °C
(рис. 1.11) подсчитал с помощью ЭВМ Ф. Хенгерер [8]. Зная крити-
ческую скорость, легко по рис. 1.11 определить (приблизительно)
значение критического диаметра. В таблице 1.2 приведены примерные
результаты такого рода расчетов для двух марок стали. В логариф-
мических таблицах можно найти, что, например, для стали 34ХНМ
значению lgue = 3,12 отвечает критическая скорость 1320 К/с.
ТАБЛИЦА 1.2.
ПРИМЕРНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОДСЧЕТА СКОРОСТИ
И КРИТИЧЕСКИХ ДИАМЕТРОВ [7)
Сталь Структура в середине прутка
.мартенсит 50% 50% мартенсита 4- бейнита бейнит
Dkr.
мм lgoM Dkr. мм Igo.M мм
40 5,65 15 — — —
40Х 5,25 17 4,97 20 4,69 50
зохнм 4,23 60 3,78 120 3,12 320
2‘
19
Рис. 1.11. Средние скорости ох
лаждения в температурной об
ласти 800—600 °C в середин!
стальных прутков в зависимо
сти от их диаметра во врем)
охлаждения на воздухе (/)
и в масле (2) [8]
1.4. МЕТОДЫ ОБЪЕМНОЙ ЗАКАЛКИ
Образование в результате закалки мартенситной, бейнитной ил
смешанной структуры при одновременном выполнении требовани
в отношении внутренних напряжений и закалочных напряжений треб}
ет выбора соответствующей закалочной среды, а также способа пре
ведения процесса закалки. С этой точки зрения различают три ochoj
ные разновидности объемной закалки, заключающейся в аустенизаци
и охлаждении путем полного погружения детали в охлаждающу!
среду:
закалку на мартенсит при непрерывном охлаждении;
ступенчатую закалку на мартенсит;
закалку на бейнит при изотермическом превращении.
На рис. 1.12 показана разница в ходе охлаждения во врем
закалки с.помощью этих методов.
Из-за простоты исполнения и менее сложных требований к закг
лочным средам наиболее часто применяется обычная закалка на ма[
тенсит (рис. 1.12, а).
Основное условие, которому должна отвечать при этом способ
закалки охлаждающая среда, это обеспечение большей скорост
охлаждения, чем критическая скорость, по крайней мере для верхнег
слоя закаливаемого материала, а иногда также и в середине сечения
как это показано на рис. 1.Г2. Если скорость охлаждения серединь
будет меньше критической верхней или нижней скорости (это озна
чает, что кривая охлаждения пересечет область бейнитного или пер
литного превращения, на соответствующем участке этого сечения н
произойдет полного или частичного мартенситного превращения. Рас
сматривая положение кривых охлаждения по отношению к облает
фазовых превращений, следует помнить о следующем:
в этом случае надежны только, диаграммы ВТПС (в особенност
нового поколения), а не ВТП,;
20
Рис. 1.12. Кривые охлаждения поверхности р и средней части
s прутков, нанесенные на диаграммы ВТПС (а) и ВТП, (б)
для стали 40Х, иллюстрирующие различные виды объемной
закалки:
1 — ступенчатая закалка на мартенсит; 2 — изотермическая закалка с частич-
ным бейнитным превращением; 3 — изотермическая закалка с полным бейнитным
превращением
положение области превращений зависит не только от химического
состава стали, но также и от всех факторов, оказывающих влияние
на прокаливаемость (например, температура и время выдержки при
аустенизации, величина зерна);
положение кривых охлаждения зависит от многих факторов, отно-
сящихся как к самой охлаждающей среде (вид, температура, переме-
щение), так и охлаждаемого материала (теплофизические свойства,
размер сечения, состояние поверхности).
В результате ступенчатой закалки, как и обычной, получается
мартенсит как основная структурная составляющая. Процесс закалки
здесь, однако, не непрерывный, а разделен на три этапа (рис. 1.12,6,
кривая 1):
закалка в горячей ванне с температуры аустенизации до темпе-
ратуры выше на 20—40 °C Ms, и лишь в отдельных случаях несколько
ниже Ms:
выдержка в горячей ванне в течение времени, необходимого для
выравнивания температуры по всему сечению детали, но не больше
времени устойчивости аустенита (обычно от нескольких секунд до
нескольких минут);
медленное охлаждение (обычно на воздухе) до комнатной темпе-
ратуры.
Основным преимуществом ступенчатой закалки, определяющим
область ее применения, является значительное снижение термических
напряжений и структурных деформаций. Уменьшение термических на-
пряжений вызвано меньшим перепадом температур по сечению, а
также облегченными условиями для пластической деформации аусте-
нитной фазы во время первого этапа1 охлаждения. Причиной уменьше-
ния структурных напряжений является почти одновременно протекаю-
щее мартенситное превращение по всему объему (даже в разных се-
чениях) вследствие медленного охлаждения на третьем этапе.
Детали машин и инструмент после ступенчатой закалки требуют
отпуска в таких же условиях, как и после обычной закалки. Основным
ограничением ступенчатой закалки является снижение скорости охлаж-
дения на первом этапе (до температуры, близкой Ms). Так как эта
скорость не может быть меньше критической, то в результате этого
сталь или должна иметь повышенную прокаливаемость или сечение
Должно быть меньше, чем в случае обычной закалки. В связи с этим
был введен видоизмененный способ ступенчатой закалки, который за-
ключается в снижении температуры горячей ванны до уровня на
несколько градусов ниже температуры Ms. Это позволяет расширить
область применения этого вида закалки, однако при этом возрастает
деформация металла.
В таблице 1.3 приведены примерные температуры горячих ванн,
применяемых при ступенчатой закалке некоторых марок стали [9J.
В отличие от обычной и ступенчатой закалки в результате закалки
с изотермическим превращением получают структуру полностью или
преимущественно бейнитную (рис. 1.12,6, кривая 2 и 3). Для уста-
новления параметров этого способа закалки достаточны диаграммы
ВТП/, а не ВТПС. Основными параметрами изотермической закалки
являются: охлаждение со скоростью, предупреждающей диффузионное
перлитное превращение и выдержка при температуре бейнитного пре-
вращения в течение времени, обеспечивающего получение преимуще-
ственно этой структуры.
ТАБЛИЦА 1.3
ТЕМПЕРАТУРЫ АУСТЕНИЗАЦИИ И ГОРЯЧЕЙ ВАННЫ
ДЛЯ СТУПЕНЧАТОЙ ЗАКАЛКИ НЕКОТОРЫХ СТАЛЕЙ
Сталь Температура Температура горячей панны, ЛС
аустенизации.------------------------------
“С масляной соляной
25 870 135 —
70 840 180 —
30Г2 840 180 —
ЗОХМ 840 — 200—260
40ХМ 840 150 —
40ХМ 830 — 230—275
40ХНМ 815 — 230—275
ШХ15 860 190 —
ШХ15 840 — . 180—240
37ХГНМ 830 — 230—275
Из перечисленных условий охлаждения и изотермического пре-
вращения вытекают основные ограничения этого метода закалки.
Условие минимальной скорости охлаждения в горячей ванне ограни-
чивает применение сталей теми, для которых инкубационное время
перлитного превращения не меньше, чем 1 с, размеры сечения до
таких значений, при которых в середине скорость охлаждения будет
еще достаточно большой (ориентировочно около 5 мм для углеродис-
тых сталей и до 20 мм и больше для легированных сталей). На
скорость охлаждения значительное влияние оказывает также темпе-
ратура и тип охлаждающей среды. В практически применяемой тем-
пературной области охладителя в промышленных условиях размер
сечения является доминирующим фактором.
Дальнейшим ограничением метода, хотя и не таким значительным,
как скорость охлаждения, является длительность изотермического
бейнитного превращения. Если же это превращение длится дольше,
чем 1 ч, то при серийном производстве возникают большие трудно-
сти, связанные как с конструированием оборудования, так и с эко-
номичностью процесса. При штучном производстве применяют иногда
марки стали, время превращения в которых достигает нескольких
часов. В большинстве случаев это время, однако, не превышает
1 ч. Температура горячих ванн при изотермической закалке, как
правило, выше, чем при ступенчатой закалке (таблица 1.4.). Сущест-
22
венным преимуществом бейнитного превращения является возмож-
ность устранения процесса отпуска, и уменьшение тем самым расхода
энергии.
ТАБЛИЦА 1.4.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ [|0|
Гайки Сталь Толщина стенки, мм Температура превращения, (~). °с HRC
Гайки 45 до 6 -450 -30—45
Звенья цепи Тарельчатые пружи- ны, упругие проклад- 50 ок. 3 -360 -42—45
К И 65 0,5—3 -300 -45—52
Детали цепных пил Детали пишущих ма- 65 1—2 —280 -50-55
шинок 55—80 0,5—2 -320 -40—45
Пружинные втулки 90 1—2 -220 -45—50
Стержни, оправки Спиральные сверла с 40Х Ф <5 -320 -43—48
твердосплавными
пластинками1 34ХНМ 50Х Ф < 15 -350 -42—48
Хвостовики сверл калятся изотермически. После напайки твердосплавных плиток, из
теменных карбидов обычная закалка приводит к растрескиванию паяного слоя.
1.5. ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Обычная и ступенчатая закалка на мартенсит приводит, прежде всего,
к значительному увеличению твердости, которая почти исключительно
зависит от содержания углерода в стали и степени закалки, т. е.
доли мартенсита в структуре (рис. 1.13). В случае высокоуглеродистых
HRC
кс. 1.13, Влияние содержания углерода
твердость после закалки при различном
-одержании мартенсита в структуре (циф-
ры у кривых) по Ходжу и Орески
сталей (инструментальных) таким путем достигают высокого сопро-
тивления истиранию. В случае среднеуглеродистых сталей (конструк-
ционных термически улучшаемых) высокий отпуск мартенсита с об-
разованием структуры сорбита обеспечивает оптимальное сочетание
высокого предела прочности и упругости с хорошими пластическими
“Воиствами (удлинение, сужение, ударная вязкость). Условием дости-
жения оптимальных свойств после термического улучшения является
23
высокая твердость после закалки, которая характеризуется чист(
мартенситной структурой или по крайней мере небольшим количество»
других структур в основе. Прочностные свойства сорбита, за исклю
чением ударной вязкости, в конструкционных сталях зависят почт;
исключительно от содержания углерода и параметров отпуска. Ко
личественная оценка содержания мартенсита в структуре обычно очен
затруднена и неточна; в практике достаточно точной мерой являете-
определение твердости, что в сочетании с диаграммами ВТПС ил
показанными на рис. 1.13, позволяет оценить степень прокаливаемости
Ориентировочные значения механических свойств высокоотпущен
ных конструкционных углеродистых и малолегированных сталей при
ведены на рис. 1.14. Из принятого на этом рисунке значения о,
как независимого переменного, легко с помощью соответствующи
таблиц или графиков перейти на единицы твердости. Следует, однако
помнить, что механические свойства в термически улучшенном состоя
нии в значительной степени зависят от количества мартенсита поел
закалки и, следовательно, от размера сечения, прокаливаемости
интенсивности охлаждения при закалке. В таблице 1.5 приведен кон
кретный пример изменения механических свойств стали 35ХМ по
влиянием закалки и отпуска.
Изотермическая закалка по сравнению с обычным термически
улучшением позволяет получать более высокие пластические свойств;
ударную вязкость и другие свойства, что показано в таблице 1.6 и
на рис. 1.15. Бейнитная структура характеризуется также малой чув-
ствительностью к надрезу, что повышает усталостную прочность де-
талей машин, например, пружин. Однако из-за меньшего предела уп-
ругости бейнита по сравнению с отпущенным мартенситом от изотер-
мически закаленных пружин требуется большая твердость..
ТАБЛИЦА 1.5
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА СТАЛИ 35XMJIII______________
ТвдТермйГской Структура _________________________:_____
обработки НВ о0,002, МПа оЬ, МПа а. % °/о кси... кДж/м2
Отжиг при 550 °С + Феррит + 190 380 640 23 53 680
охлаждение с печью перлит
Закалка с 850 °C + Мартен- 560 1210 1950 9 30 340
охлаждение в масле СИТ
Закалка с 850 °C + Сорбит 320 940 1000 15 58 620
20
V,7
00 h
300
200
100
50 г
00 h
НВ
ООО
800
600
20
10
1200 ^150
1000
30
700 900 11OO 1300 б0, МПа
£ 1/1,7,
30
100 |-
50 -
6Г 250
&00^ 200^
ТАБЛИЦА 1.6.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
С СОДЕРЖАНИЕМ 0.8 % С
ПОСЛЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ И ОБЫЧНОГО УЛУЧШЕНИЯ (10|
Вид термической обработки
Величина изотермическая закалка улучшение
Ов, МПа 1800 1800
V. °/о 46 • 26
KCU, кДж/м2 5,10 1,90
Угол загиба (max) 150 45
Рис. 1.15. Зависимость ударной вя:
кости стали 37ХС от твердости [12J
1 — после изотермической закалки; 2 — пос!
обычного термического улучшения
о_______I I
900 1100 1300 1500
бд.нпа
Рис. 1.14. Приблизи-
тельные зависимости
между механически-
ми свойствами тер-
мически улучшенных
конструкционных уг-
леродистых и мало-
легированных ста-
лей:
а — по Паттону; б — по
Арчеру
1.6. ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ
Понятие. В металловедении под прокаливаемостью понимают глубину
распространения закаленной зоны при закалке. Однако это опреде-
ление учитывает только зависимость распределения твердости по
сечению от скорости охлаждения, в то же время упускает другое
важное свойство стали, каким является максимально достижимая
твердость после закалки, т. е. упрочнение. В международном стан-
дарте стран Западной Европы (Евростандарт 52-65, 1965 г.) под
прокаливаемостью понимают склонность стали к повышению твердости
по глубине сечения — упрочняемость стали. Поэтому в этих странах
разделяют понятия закаливаемость и прокаливаемость.
Шаабер приводит следующие уточненные определения этих поня-
тий [13]:
закаливаемость — это податливость стали к закалке, выра-
женная зависимостью прироста твердости в результате закалки от
условий аустенизации и скорости охлаждения;
упрочняемость — это склонность стали к упрочнению, вы-
раженная достигаемой максимальной твердостью после закалки при
определенных условиях аустенизации;
прокаливаемость — это склонность стали к закалке, вы-
раженная зависимостью прироста твердости в результате закалки от
скорости охлаждения1.
1 Под глубиной прок атнаемости условно понимают расстояние от охлаждаемой по-
верхности до слоя, где содержание мартенсита снижается до 50 %.
25
24
Мерилом прокаливаемости стали является критическая скоррсть
охлаждения или критический диаметр1 (рис. 1.10). Сталь, характе-
ризующая меньшей критической скоростью охлаждения, прокаливается
глубже при одинаковых диаметре или толщине прутка и скорости
охлаждения.
Основными факторами прокаливаемости являются: химический
состав аустенита (содержание легирующих элементов, углерода), сте-
пень его однородности, а также величина зерна аустенита, ^прочняе-
мость зависит не только от содержания углерода (рис. 1.13), но и от
степени закалки (содержания мартенсита в структуре). На рис. 1.16
схематически показано различие понятий упрочняемости и прокали-
ваемости.
Рис. 1.16. Схема, поясняющая прока-
ливаемость и упрочняемость:
/ — распределение твердости в углеродистой
стали А; 2 — распределение твердости в леги-
рованной стали В такой же прокаливаемости,
что и в стали А, но с меньшим содержанием
углерода и тем самым меньшей упрочняемостью;
5 — толщина закаленного слоя
Методы определения. Наиболее широко распространенным во
многих странах стандартизированным методом определения прока-
ливаемости конструкционных сталей является так называемый метод
закалки с торца, разработанный Джомини. Схема метода показана
на рис. 1.17.
Рис. 1.17. Схема установки для определения прокаливаемости ме-
тодом закалки с торца по Джомини:
/ — закаливаемый образец; 2 — сопло; 3 — сосуд; 4 — держатель образца; 5
крышка; 6 — кран для регулирования высоты подъема водяной струн
' Под критическим диаметром понимают максимальное сечение, которое в данной
охлаждающей среде прокаливается насквозь.
26
Определение прокаливаемости состоит в охлаждении струей воды
торцовой поверхности цилиндрического образца после предварительной
ее аустенизации в определенных условиях, а также замера твердости
вдоль сошлифованных противоположных образующих в функции рас-
стояния от охлажденного торца. Основные требования метода при-
ведены ниже:
Длина образца
Диаметр образца
Время нагрева образца
Время переноса образца из печи
к прибору
Температура охлаждающей воды
100±5 мм
25±0,5 мм
30 ±5 мин
5 с (max)
5±30°С
Расстояние от обреза сопла до торца
образца 12,5±0,5мм
Высота струн воды от уровня сопла 65± 10 мм
Диаметр выходного отверстия сопла 12,5±0,5 мм
Глубина сошлнфовки образующих 0,4 мм
Наиболее характерной чертой испытаний Джомини является
уменьшающаяся с определенной закономерностью скорость охлажде-
ния вдоль оси образца от торцовой поверхности до фланца, с помощью
которого закреплен образец. Эта закономерность нелинейного харак-
тера. Она определяет скорость охлаждения и зависимую от нее твер-
дость в каждой точке вдоль оси.
Расстояние от торца образца, определенное в миллиметрах, явля-
?тся своеобразным масштабом скорости охлаждения и является не-
зависимой переменной на графике прокаливаемости (рис. 1.18).
Такой график характеризует прокаливаемость стали, из которой из-
отовлен образец.
Рис. 1.18. Кривая прокаливаемости по Джомини. J — рассто-
яние от торца образца
Принимая во внимание тот факт, что химический состав и другие
металлургические особенности определенной марки стали колеблются
в определенных пределах и оказывают значительное влияние на
прокаливаемость, для характеристики стали принята не только одна
кРивая прокаливаемости, но и полоса разброса твердости в функции
Расстояния от торца образцов, отобранных из многих плавок (полоса
прокаливаемости).
27
Критический диаметр. Для многих практических целей и прежд
всего для сравнения прокаливаемости различных марок стали очен
удобным количественным показателем этого свойства служит так на
зываемый критический диаметр. Под этим термином понимают диамет
прутка, при котором после закалки в среде с определенной охлаждак
щей способностью (интенсивностью охлаждения) получают в осево
части сечения структуры с определенным количеством мартенситг
но не меньше, чем 50 %. Критический диаметр обозначается символов
Ок, в то время как по отношению к конкретно принятому содержа
нию мартенсита в сердцевине символом D и индексом, указывающи
это содержание, например, Dao.
Особое значение имеет полумартенситный критический диаме:
£>so. так как его легко определяют экспериментальным путем,
кроме того, что еще важнее, в большинстве случаев практическое
применения 50 %-ное содержание мартенсита в середине сечени
достаточно. Величина критического диаметра в значительной степе
ни зависит от интенсивности охлаждения, а следовательно, от вид
охлаждающей среды и многих факторов, оказывающих влияние н
эту интенсивность. Первым, наиболее широко распространенным
до настоящего времени широко применяемым показателем интенсив
ности охлаждения является коэффициент Гроссмана. Описание ме
тодики определения этого коэффициента, его недостатки, а такж
описание самых современных методов приведены в главе 2. Крит»
ческий диаметр для случая бесконечно большой скорости охлаждени
поверхности (Н = оо ) носит название идеального критического диа
метра.
Критический диаметр можно определить экспериментальны!
путем (наиболее трудоемкий метод), графически или расчетным пу
тем. В последние годы опубликовано много работ по расчету крити
ческих диаметров, а также кривых и полос прокаливаемости, исход
из химического состава, величины зерна аустенита и различны
экспериментальных коэффициентов. В этих расчетах, использующи
вычислительную технику, достигают хорошую сходимость с экспери
ментальными результатами. '
В графическом методе определения критических диаметров ил
распределения твердости по сечению прутков после закалки
различных охлаждающих средах используют полученную аналитиче
ским или экспериментальным путем корреляцию между скоростям
охлаждения вдоль оси образца при закалке с торца и твердость!
по сечению прутков различных диаметров (рис. 1.19). Допущенш
что этим скоростям охлаждения соответствует также твердость поел
закалки, позволяет определять распределение твердости вдол
торцового образца. Это допущение обеспечивает также рациональны
выбор стали для деталей машин, исходя из критерия закаливаемого
1.7. ЗАКАЛОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
Различные технологические процессы и среди них пластическая де
формация при температуре ниже температуры рекристаллизации, тс
карная обработка и, в особенности, термическая обработка вызываю
образование в металлических деталях напряжений, которые в отлй
чие от напряжений, вызванных внешними силами, носят названи
внутренних или остаточных напряжений. С точки зрения дальност:
действия различают напряжения первого рода (макронапряжения)
второго рода (микронапряжения) и третьего рода (субмикро
Расстояние от торца образца, мм
Рис. 1.19. Корреляция скорости охлаждения образцов для торцового
охлаждения со скоростью охлаждения в сечении прутков, охлаждае-
мых в воде (а) и в масле (б):
1 — поверхность; 2 — сердцевина
напряжения). В этой работе будут рассматриваться исключительно
напряжения первого рода, так как они являются основным источником
размерных изменений, деформаций, а иногда и трещин. Величина
и распределение закалочных напряжений и деформаций является
одной из существенных проблем термической обработки из-за их
большого влияния на стоимость обработки, а также эксплуатационные
свойства готовых изделий.
Основными причинами образования внутренних напряжений и
деформаций при процессах термической обработки являются:
различия в температуре наружного слоя и середины образца во
время нагрева и охлаждения, приводящие к неравномерному расши-
рению объемов металла (термические напряжения);
фазовые превращения и связанные с ними удельные объем-
ные изменения (объем единицы массы), которые из-за различной
скорости охлаждения по сечению протекают неравномерно и в раз-
личной степени (структурные напряжения).
Эти два вида напряжения могут или компенсироваться или ре-
лаксировать за счет пластической деформации. Вышеупомянутые и
Другие источники напряжений и деформаций делают явления на-
столько сложными, что определение даже приблизительных их коли-
чественных значений возможно лишь для деталей простой геометри-
ческой формы.
Механизм возникновения термических и структурных напряжений
Модель возникновения термических напряжений в зависимости от
времени охлаждения и их распределение по сечению при комнатной
температуре представили Розе [14], а также Хогарди и Вода [1—5].
На рис. 1.20 и 1.21 показано на примере валков, охлажденных
8 воде, возникновение и изменение во времени разницы в тем-
28 il | 29
Расстояние от оси прутка, мм
Рис. 1.20. Распределе-
ние температуры в сече-
нии прутка диаметром
35 мм из аустенитной
стали во время охлаж-
дения в воде после оп-
ределенного времени от
начала охлаждения
(цифры у кривых) [15]
Рис. 1-2L Механизм возникновения термических на-
пряжений во время охлаждения стального валка
диаметром 100 мм в воде без учета фазовых пре-
вращений [14]
30
пературе верхнего слоя и сердцевины, а также вызванных этой раз-
ницей термических напряжений. На рис. 1.20 видно, что эта раз-
ница сначала повышается со временем, а затем снижается. При
температуре поверхности около 300—400 °C температура середины
выше 400 °C.
На рис. 1.21 кривые охлаждения поверхностей Р и средней части
R для круга диаметром 100 мм представлены в системе координат
температура — логарифм времени (в соответствии с графиками ВТПС).
Как видно из рис. 1.21, различие в температуре (расстояние между
кривыми R и Р) растет по мере увеличения времени вплоть до точки
W', в которой оно достигает максимальной величины, около 600 °C,
после чего эта разница уменьшается. Эта максимальная разница
вызывает сжатие около 0,5 °/о. Сжатие поверхности, однако, не может
протекать свободно, так как этому препятствует расширенная (разо-
гретая) сердцевина. Это приводит к возникновению растягивающих
напряжений в верхнем слое и сжимающих в середине. Если бы это
напряжение не превышало предела текучести, то его ход во времени
соответствовал бы кривой а. Однако при повышенных температу-
рах обычно возникают пластические деформации и тем самым релак-
сация напряжения, ход которых в зависимости от времени охлажде-
ния представляет кривая б. Заштрихованное поле между кривыми а
и б представляет пластическую деформацию, которая протекает только
до точки W. При температуре середины, обозначенной буквой U,
напряжения достигают нулевого значения, после чего дальнейшее
его снижение вызывает в пластически удлинённом слое сжимающие
напряжения. После достижения комнатной температуры по всему
сечению сердцевина остается под воздействием растягивающих на-
пряжений, а верхний слой — сжимающих (правая нижняя часть
рис. 1.21).
Определение распределения остаточных напряжений затрудняют
значительные изменения удельного объема и размеров, вызываемые
фазовыми превращениями. Как видно из рис. 1.22 и табл. 1.7, где
Л К и Д L всех структур, включая и аустенит, отнесены к темпе-
ратуре 20 °C, изменения размеров после закалки по отношению к
отожженному состоянию увеличиваются по мере повышения содер-
жания углерода. В легированных сталях они достигают 0,8—1 °/о и,
следовательно, превышают напряжения, вызванные термическими
изменениями объема.
Рис. 1.22. Влияние со-
держания углерода на
изменение размеров и
удельный объем в ре-
зультате фазовых пре-
вращений в сравнении
с феррнтно-цементит-
ной смесью [16]:
I — аустенит (20 °C); 2 — фер-
рнт + цементит (структура
сравнения); 3 — 20 % остаточ-
ного аустенита; 4 — 10 % оста-
точного мартенсита; 5 — мар-
тенсит отпуска (0% аустенита);
6 — тетрагональный мартенсит
31
ТАБЛИЦА 1.7
ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА И ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ,
ВЫЗВАННЫЕ ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ В СТАЛЯХ
С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА [17]
Вид превращения или сравнение структур А V. >/, Д L, мм/мм
Перлит—> аустенит Аустенит—> мартенсит Перлит—> мартенсит Аустенит—> нижний бейнит Перлит—> нижний бейнит Аустенит—> верхний бейнит Перлит—> верхний бейнит -4,64-2,21 (%С) 4,64-0,53 (»/оС) 1,68(°/0С) 4,64— 1,43(°/0С) 0,78 (°/0С) 4,64—2,21 (°/0С) 0 —0,0155-0,0074(%С) 0,0155—0,0018 (%С) 0,0056 (°/оС) 0,0155—0,048(%С) 0,0026 (0/оС) 0,0155—0,0074 (%С) 0
Зависимость между изменениями линейных размеров и объемо»
имеет вид ]
д L A d 1Д v ,
L d 3V
Если явления возникновения термических и структурных напря
жений накладываются друг на друга, как это имеет место при закалю
стали, то определяющее значение для знака и величины остаточные
напряжений имеет момент начала изменения знака термических на
пряжений (точка U на рис. 1.21). Из этого следует, что структурны
напряжения могут суммироваться с термическими напряжениями ил!
вычитаться из них в зависимости от величины сечения, скорост!
охлаждения и закаливаемости сталей.
Анализируя различные случаи взаимодействия факторов, влияю
щих на состояние остаточных напряжений, Розе пришел к следую
щим выводам [14]:
фазовые превращения увеличивают термические напряжения
том случае, когда они возникают перед и в верхнем слое после воз
вратной точки U и наоборот;
превращения, протекающие во всем сечении перед или поел
точки U, противодействуют термическим напряжениям, т. е. и
уменьшают;
наибольшие сжимающие напряжения на поверхности и растяги
вающие в середине возникают в том случае, когда превращение
середине протекает до точки U, а на поверхности после этой точк(
Скорость охлаждения, размеры сечения, различия в температур
на поверхности и в середине образца являются основными фактор!
ми, от которых зависит величина, знак и распределение остаточны
напряжений после закалки.
На рис. 1.23 приведен пример влияния размеров сечения легир
ванной стали, содержащей 0,22 %С, 0,7 %Mn, 1 °/оСг, 0,45 %Мо, поел
закалки в воде на распределение напряжений. Как видно из рис. 1.2!
изменение диаметра сечения со 100 на 30 мм приводит к уменьшена
величины сжимающих напряжений в верхнем слое в результате ув<
личения степени прокаливаемости сердцевины, а в полностью зака
32
Рис. 1.23. Влияние размеров сечения на распре-
деление напряжений в прутках после закалки в
воде [14]:
I — график ВТП.- II кривая охлаждения; 11 — превращение а
середине; 111 aiiyipeiiHiiiie напряжения; Р — поверхность,
R — сердцевина
Рис. 1.24. Схема возможного распреде-
ления суммарных термических и струк-
турных напряжений в зависимости от
степени закалки [14]:
I не нагретые части сечения; 2 — участки без
фазовых превращений; 3 — участки сечения после
бейнитного превращения; 4 участки сечения за-
каленной части структуры; Р поверхность, R —
сердцевина
3 Зак. 3245
33
ленном сечении (диаметр 10 мм) наступает изменение знака напряже
ний в верхнем слое сжимающих на растягивающие.
На рис. 1.24 приведены, по данным Розе, различные возможно
сти распределения остаточных термических и структурных напряже
ний по сечению прутков.
Подробный количественный анализ остаточных напряжений
деформаций, вызванных закалкой в средах с различной охлаждаю
щей способностью (определяемой коэффициентом Гроссмана И)1, npi
различных диаметрах прутков из стали с сильно различающими^
точками Ms представил Мурри [18]. На рис. 1.25 показана одна из
многих зависимостей, приведенных в этой работе. Как видно из
рисунка, значение и знак остаточных напряжений в функции от упру
гих деформаций верхнего слоя могут вести себя по-разному в зави-
симости от диаметра прутков, марки стали (положение Ms) и интен
сивности охлаждения.
Рис. 1.25. Упругие деформации в верхнем слое
образцов из стали с предельными значениями
Ms в зависимости от их диаметра после охлаж-
дения в воде, масле и на воздухе’'] 18]:
1 — вода, /7 = 0,04 мм—1; 2 — воздух, /7=0,0008 мм—I; 3 — мас-
ло, Я—0,015 мм—I
Закалочные деформации. Рассмотренные выще явления возник-
новения термических и структурных напряжений являются некоторым
образом естественной и неизбежной причиной различных изменений
и деформаций после закалки. Целью современной технологии терми-
ческой обработки является ограничение этих негативных явлений,
а также возможность определения, по крайней мере, приблизительного
характера и величины размерных изменений и деформаций.
Под влиянием одних лишь термических напряжений в охлаждае-
мых деталях с различными длиной, шириной и толщиной максималь-
ный размер уменьшается, а минимальный — увеличивается. Это по-
ложение, однако, не учитывает деформаций, вызванных более быстрым
охлаждением ребер. В валках — более ранняя усадка областей возле
кромок торцовых поверхностей приводит к вспучиванию средней части
этих поверхностей и уменьшению их диаметра по отношению к ис-
ходному. Напротив, средняя часть валков увеличивается, в особен-
34
пости в том случае, когда их длина больше диаметра. Плоские по-
верхности вспучиваются не только на торцовых поверхностях валков.
Количественные значения рассмотренных изменений не превышают
двух десятых процента.
Размерные изменения, вызываемые фазовыми превращениями
переохлажденного аустенита в бейнит, особенно в мартенсит,
больше изменений, вызванных термическими напряжениями. В случае
сечений, закаленных насквозь, и из стали с большим содержанием
углерода увеличение размеров может достигать I % и оно будет
равномерно во всех направлениях. Деформации, вызванные термиче-
скими напряжениями, не превышают 0,5 %.
В случае неполной закалки характер деформации обратный по
сравнению с термическими деформациями, а именно: максимальные —
увеличиваются, а минимальные — уменьшаются. Эта тенденция яв-
ляется следствием того, что мартенситное превращение компенсирует
растягивающие напряжения в верхнем слое, в то время когда сердце-
вина еще пластична (имеет высокую температуру), а при более
низких температурах вызывает его растяжение. Если, кроме того,
учитывать более раннее протекание мартенситного превращения в
ребрах и на концах изделий длиной, значительно превышающей по-
перечные размеры, то деформации могут иметь различный характер
в зависимости от содержания углерода, прокаливаемости и скорости
охлаждения.
Кроме термических и структурных напряжений, источником
больших деформаций, а иногда и трещин могут быть разнородные
конструкционные дефекты деталей, несоответствующее качество стали,
неправильное по отношению к форме изделия направление волокон
(прирост размеров после закалки вдоль волокон примерно в три ра-
за больше, чем поперек), неравномерный нагрев и охлаждение и т. п.
Причины чрезмерных деформаций и пути их предупреждения при-
ведены в табл. 1.8, построенной на основе работ (II, 19].
ТАБЛИЦА 1.8.
ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ЧРЕЗМЕРНО БОЛЬШИХ ДЕФОРМАЦИИ
И ЗАКАЛОЧНЫХ ТРЕЩИН, А ТАКЖЕ ПУТИ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
Группа факторов (этап образования) Факторы, способствующие деформации и трещинам Пути предупреждения
1 2 3
Конструкция детали и выбор стали Асимметричное сече- ние, неравномерное распределение массы Отсутствие переход- ных радиусов и рез- кие изменения разме- ров сечения Изменение конструк- ции или изменение асимметрии, избегать большой разницы в се- чениях и односторон- них надрезов Применение предвари- тельной обработки, учитывающей техно- логичность термине-
ской обработки, если
конструкция не допус-
кает радиусов и плав-
ных переходов-
3*
35
Продолжение табл. 1.8
2 3
Качество стали
Недостаточная прока-
ливаемость по отно-
шению к размеру се-
чения и принятого ви-
да закалочного ох-
лаждения
Смешивание марок
стали
Пластическая дефор-
мация
Обработка резанием
Конечная термиче-
ская обработка
Химический состав не
соответствует стан-
дарту, недостаточна
однородность (сегре-
гация, неметалличе-
ские включения)
Поверхностные дефек-
ты металлургического
происхождения (обез-
углероживание, зако-
ны и закаты)
Малая степень укова и
неправильное направ-
ление волокон
I
Перегрев, обжатие,
местные напряжения
Поверхностные дефек
ты (обезуглерожина
ние, трешины, заковы)
Очень сильные подре-
зы, малые припуски,
недостаточная чистота
поверхности
Неправильный способ
вырезки материала по
отношению к направ-
лению волокон
Напряжения, вызван-
ные обдиркой, при не-
правильно выбранных
параметрах и тупым
инструментом
Укладка деталей в пе-
чи, вызывающая де-
формацию под собст-
венной массой, а так-
же неравномерный на-
грев и охлаждение
Рассмотреть вопрос oi
изменении марки ста
ли или способа закал
ки
Ужесточить контроль
улучшить организа
цию складирования
Сузить технически»
условия поставки ме
талла, требовать пас
порт качества металла
Приспособить распо-]
ложение волокон к
форме детали, увели,
чить степень укова дс
3—4
Применить соответст-
вующий отжиг или(
предварительную нор-j
мализацию I
Увеличить припуск на
токарную обработку
ужесточить контроль!
Выполнить требов»
ния по форме и чисто-
те поверхности посл<
черновой обработки ]
Приспособить распр
ложение волокон I
форме детали
Отжиг для снятия ос
таточных напряжений
Конструкцию обору
дования приспособит!
к форме деталей, при
менять между дегаля
ми переложим
36
Продолжение тавл. 1.8
1 2 3
Очень быстрый и не-
равномерный нагрев
по причинам, незави-
симым от укладки де-
талей в печи
Несоответствующая
активность печной ат-
мосферы (окисление,
обезуглероживание,
науглероживание)
Неправильные пара-
метры аустенизации
(температура, время)
Неправильные усло-
вия охлаждения (вид
охлаждающей сре-
ды, ее перемещение, тем
пература, односто-
роннее омывание,
способ погружения)
Очень большой пере-
рыв между закалкой и
и отпуском
Уменьшить скорость
нагрева и перепада
температуры в рабо-
чем пространстве пе-
чи
Привести в соответст-
вие состав атмосферы
и состав стали
Проверить соответст-
вие ? технологической
инструкцией или скор-
ректировать инструк-
цию
Изменить факторы,
определяющие ско-
рость и равномерность
охлаждения таким об-
разом, чтобы они пре-
дупреждали очень
быстрое охлаждение и
трещины
Устранить или умень-
шить до возможного
минимума временной
перерыв в ходе про-
цесса
1.8. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ, ВЕЛИЧИНЫ СЕЧЕНИЯ
И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗАКАЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
НА СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ
Основными факторами, влияющими на скорость охлаждения, являют-
ся: свойства охлаждающей среды, а также размер сечения и геомет-
рическая форма закаливаемой детали. Тепло передается от середины
сечения к поверхности, и лишь только отсюда оно отводится через
охлаждающую среду. Скорость передачи тепла внутри стали относи-
'ельно мала и в основном зависит от теплопроводности и в меньшей
степени от температурного градиента, являющегося результатом ин-
тенсивности охлаждения.
Общую зависимость скорости охлаждения от геометрической фор-
мы определил Френч [20] в виде уравнения
V' = £(25,4- - )",
U"
где V — скорость охлаждения в середине сечения при 720 °C во время
охлаждения с температуры 875 °C, К/с; S — поверхность, м2; W —
объем, м3; k, п — постоянные, зависящие в основном от вида охлаж-
дающей среды.
Средние значения постоянных будут:
Д-1я спокойной воды й = 3,94, п = 1,75;
37
для спокойного масла fe = 3,12, п=1,40;
для спокойного воз-духа fe = 0,31, п= 1,15.
Хотя Френч привел метод определения постоянных я и п для
различных сечений и разных температур закалки, этот метод не
нашел широкого практического применения. Крауз [21] после введе
ния многих коэффициентов, уточняющих формулу Френча, применил
се в сочетании с прокаливаемостью для подсчета твердости с
целью рационального выбора конструкционных сталей.
Влияние размера сечения на скорость охлаждения в середине
и на различных расстояниях от середины прутков показано на рис. 1.5,
1.7 и 1.11. Большое количество данных для стальных прутков различ-
ных диаметров, охлажденных в различных средах, можно найти также
в справочнике [22]. Здесь в качестве примера приведены кривые
охлаждения середины прутков больших диаметров из углеродистых
конструкционных сталей, охлаждаемых в спокойной воде и в обычном
масле (рис. 1.26). € помощью этого рисунка можно определить ско-
рость и приблизительное время охлаждения прутков диаметром
50ч-100 мм в воде и масле.
Рис. 1.26. Кривые охлаждения
прутков из конструкционных
углеродистых сталей в спокой-
ной воде (а) и в спокойном
масле (б) [22]
Кроме отношения поверхности к объему и размеру сечения, ка-
чество поверхности, и, в особенности присутствие на ней слоя ок-
сидов, может оказать заметное, а иногда даже очень значительное
влияние на скорость охлаждения. В соответствии с работой [22]
скорость охлаждения детали из углеродистых сталей в растворах
полвинильного спирта является в случае окисленной поверхности
значительно большей по сравнению с неокисленными участками, на-
греваемыми в защитной атмосфере. Охлаждение в масле углеродистой
стали с оксидным слоем толщиной ~0,07 мм и аустенитной стали со
слоем оксидов толщиной ~0,12 мм протекало быстрее по сравнению
с неокисленной сталью. В случае, когда на углеродистой стали тол-
щина слоя оксидов превышает 0,12 мм, скорость охлаждения будет
меньше по сравнению со сталью, без оксидов.
С точки зрения механизма теплообмена в жидких средах с точ-
кой кипения ниже температуры закалки рассмотренные явления по-
нятны, так как тонкие слои оксидов способствуют зарождению пузырь-
ков газа. В то же время толстый слой оксидов действует изолирую-
ще, вследствие чего уменьшается скорость охлаждения. Некоторые
авторы обращают также внимание на то, что на окисленных поверх-
ностях процесс пузырькового и пленочного кипения очень нестаби-
лен, что приводит к значительным колебаниям скорости охлаждения.
38
~^== 2. МЕХАНИЗМ ТЕПЛООБМЕНА
~ - И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД
2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ЗАКАЛОЧНЫМ ОХЛАЖДАЮЩИМ СРЕДАМ
Основным условием, которому должны отвечать все закалочные сре-
ды, является способность воспринимать тепло со скоростью не мень-
шей критической скорости охлаждения по крайней мере в верхнем
слое, а во многих случаях на заданном участке или по всему сечению.
Выполнение этого условия имеет целью предупредить диффузионные
превращения переохлажденного аустенита, т. е. получить преимуще-
ственно мартенситную структуру или по крайней мере структуру нижне-
го бейнита. Однако это условие следует трактовать как необходимое,
но недостаточное. От современных охлаждающих сред требуется еще
и много других свойств, а именно:
не вызывать чрезмерных закалочных деформаций, зависящих от
кинетики охлаждения во всей температурной области и, в особенности,
от достаточно малой его скорости при температурах ниже Ms;
обладать эксплуатационной стойкостью и иметь высокое сопро-
тивление термическому разложению и окислению;
не реагировать с поверхностью закаливаемых деталей и резерву-
аров охлаждающих сред, а в случае закалки в защитной атмосфере
также и с этой атмосферой;
иметь достаточно малую упругость пара в случае закалки в ва-
куумных агрегатах;
соответствовать требованиям токсичности, возгораемости, защиты
природной среды и чистоты рабочего места;
образовывать легко устраняемые остатки с поверхности деталей
путем мойки или отпаривания;
иметь малую удельную стоимость (на единицу продукции).
От тепловых свойств охлаждающих сред, а также механизма и
кинетики теплообмена зависит твердость поверхности и ее распреде-
ление по сечению, а также величина и распределение термических
и структурных напряжений. Эти напряжения, в свою очередь,
определяют величину и характер закалочных деформаций. Малая
скорость охлаждения в области температуры мартенситного превра-
щения желательна потому, что, приводя к небольшому температурному
градиенту даже при разных сечениях, благоприятствует почти одно-
родному протеканию этого превращения по всему объему детали и
тем самым уменьшает структурные напряжения.
Эксплуатационная устойчивость, т. е. отсутствие больших и
неблагоприятных изменений технологических свойств после длитель-
ного периода эксплуатации охлаждающей среды обеспечивает ста-
бильность и малый разброс свойств в закаленной детали, а также
Уменьшает расход, а следовательно, и стоимость охлаждающей
среды на единицу продукции. Эта стоимость зависит не только от
стоимости охлаждающей среды и его эксплуатационной стойкости,
но и от величины потерь, связанных с выносом с деталями и испа-
рениями. На эти затраты большое влияние оказывают вязкость и
Упругость паров при рабочей температуре ванны.
_ Чистота поверхности и легкость устранения остатков охлаждаю-
щей среды имеет в случае большого количества закаливаемых дета-
39
лей в современных агрегатах с защитными средами существенное
значение, потому что некоторые поверхности не подлежат после
закалки и отпуска никакой механической чистовой обработке.
2.2. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД
И УСЛОВИИ ИХ КОНТАКТА С ПОВЕРХНОСТЬЮ
В качестве критерия для деления охлаждающих сред на группы мож
но принять их агрегатное состояние. Наибольшую группу составляю'
жидкие среды, меньшую — газообразные и еще меньшую — твердые
Дисперсные среды, состоящие из порошковых твердых тел, приведен
ных во взвешенное состояние газовым потоком, а также водяным
туманом, можно, исходя их этого критерия, отнести к группе смешан
ных сред.
Группу жидких охлаждающих сред делят на три подгруппы: во
дяные охлаждающие среды; масляные, а также расплавленные сол1
и металлы. С точки зрения механизма теплообмена, рассмотренной
более подробно в последующем разделе этой главы, некоторые авторг
делят охлаждающие среды только на две группы, т. е. текучие (с
температурой кипения ниже температуры закалки, водные и масля-
ные охлаждающие среды) и такие, в которых во время закалки не
наступает изменение агрегатного состояния (например, расплавлен-
ные соли, металлы, газы). Такое деление полностью обосновано связью
между кинетикой охлаждения и кинетикой фазовых превращений
Пррцесс кипения, приводящий к поглощению значительного количест-
ва тепла, ускоряет охлаждение в определенной температурной области,,
которая может, по крайней мере, частично совпадать с температурной
областью малой устойчивости переохлажденного аустенита. Такое
перекрытие этих температурных областей облегчает приспособление
кинетики охлаждения к кинетике фазовых превращений и поэтому
оно нежелательно. В каждой подгруппе или группе охлаждающих
сред различают много разновидностей, физические свойства которых
определяют область их применения.
В табл. 2.1, построенной по предложению Лахтина [23], приве-
дены наиболее часто применяемые охлаждающие среды, деление ко
торых произведено исходя их вышеприведенных критериев. В таблиц.)
учтены также условия контакта охлаждающей среды с поверхностью
и ее перемещения, оказывающие большое-влияние на скорость охлаж-
дения.
ним скорость охлаждения в зависимости от времени, а также тем-
ературы поверхности существенно отличаются. Поэтому упоминаемое
( предыдущем разделе деление охлаждающих сред на две основные
руппы, т. е. на охлаждающие среды с температурой кипения ниже
емпературы закалки (ТЮ<Т„) и охлаждающие среды, не подлежащие
(зменению агрегатного состояния в температурной области охлаж-
щния, имеет свое физическое обоснование.
В математическом представлении перенос тепла через единицу
/оверхности описывается законом Ньютона, в соответствии с которым
/ = а[Гр — Тм]. 4
де (/ — плотность теплового потока, Вт/м2; а — коэффициент тепло-
/ередачи, Вт/(м2-К); — температура поверхности, °C; Tcltl — тем-
лература охлаждающей среды, °C.
Однако с помощью этой общей зависимости невозможно подсчи-
гать плотность теплового потока q, так как величина а зависит от
шогих факторов, таких, как температура, размер сечения, а также
корость протекания охлаждающей среды и ее физические свойства.
1ринимая определенные краевые условия и зная физические свойства
хлаждающей среды, можно подсчитать коэффициенты переноса
число Рейнольдса, Прандтля и Нуссельта) и отсюда коэффициент
еплопередачи, хотя более часто его величину определяют экспери-
ентально из функции температуры поверхности.
Тепловой поток внутрь охлаждаемого тела описывается известным
ифференциальным уравнением Фурье, решение которого при приня-
ых физических свойствах и простых геометрических формах можно
айти в литературе по теории теплопередачш+ДлЯ'Тонкого поверхност-
ого слоя уравнение Фурье принимает вид
dT
= Х----,
dx
t
dT
де-----—температурный градиент, К/м; 1 — коэффициент теплопро-
dx
одности, 1F/(M-K). f
Принимая во внимание то положение, что тепло, воспринимаемое
хлаждающей средой от поверхности, а также поступающее к этой
оверхности изнутри тела, должно быть сбалансированным, уравнение
1ьютона может быть записано в виде
dT
= х--=а(Гр-гсА/).
2.3. МЕХАНИЗМ ТЕПЛООБМЕНА
ВО ВРЕМЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
Теплообмен во время охлаждения деталей машин или инструмента 10Рмы (например, прутков круглого сечения), а также температуры
подлежащих закалке или другим процессам, требующим охлаждения
происходит через поверхность, разграничивающую охлаждаемы!
предмет и охлаждающую среду. Отсюда вытекает, что физически
явления, сопровождающие перенос тепла от тела с более высоко:
температурой к среде, принимающей тепло, протекают одновре
менно вследствие отдачи тепла поверхностью охлаждаемого тела 1
теплопередачи внутри тела в направлении поверхности.
В зависимости от природы охлаждающей среды и в особенности
от того, протекает ли во время охлаждения процесс кипения
асчет распределения температуры внутри тел простой геометрической
оверхности в зависимости от времени может быть выполнен на базе
Равнений Ньютона и Фурье, если принять много упрощающих допу-
щений, например среднего значения коэффициента теплопередачи,
еля круглых прутков уравнение Фурье имеет вид
т dzT I dT
' drz г dr
Щторое после интегрирования
Учению прутка в зависимости
дает распределение температуры по
от времени т
40
41
ТАБЛИЦА 2.1
А ТАКЖЕ УСЛОВИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И КОНТАКТОВ
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД, ПОВЕРХНОСТЬЮ
С ОХЛАЖДАЕМОЙ
Группа охлаждающей среды (агрегатное состояние) Разновидности охлаждающи сред вз вынужденного еремешивання Условия контакта с поверхностью
ламинарное течение направленный поток турбулентный поток напыление
+ + . + 4- +
Жидкие среды Охлаждающие среды 1 Вода Г -F + 4- +
ских соединений 3 Растворы органичс + + 4- +
ских соединений 4 Водно-масляные • эмульсии Водяной туман » 1 среды £ Растительные масла j Обычные минеральны 4- +
+ + +
Охлаждающие на базе масел + + +
+ + 4- +
' масла Минеральные масла улучшающими добав ками 9 Минеральные быстро 4- + + +
+ + + +
охлаждающие масла ; /1) Высокотемпературные минеральные масла ’ соли1 1 Охлаждающие среды +' + +
Расплавленные + + 4- +
и металлы на базе солей 1? Водно-соляные охлаж + -1- +
Газовые охлаждаю- щие среды дающие среды 1 ' Расплавленные метал лы 1 Технический вакуум (г Воздух Нейтральные газы । ч Смесь нейтральны и восстановительны газов Защитные атмосфер( Сжатые газы 2 , Плиты, матрицы, формы (возможно 01 лаждаемые водой) + 4- + +
+ к
4- 4- •
— +
- i~
Охлаждающие —• 4-
твердые тела _ +
Самопроизвольное оз лаждение путем отв +
Газо-твердые фазы » Этот способ охлажде после аустенизации конце большой частоты, плазмой. да тепла вглубь сеч ния1 7/7 Холодные взвешенн! +
охлаждающие среды О Горячие охлаждаю- среды ння имеет место в случае поверхностной закалки тонких слов ггрированным потоком энергии (нагрев индукцинным токо{ электронный нагрев, лазерный). 42 43
T = vi---(R"-r2),
где a — коэффициент тппг>гтсрсдп'1п, м2/с; v — скорость охлаждена
К/ч, r = f(T,r) —текущий радиус падения температуры, м; R— ради
прутка, м.
Приведенные выше математические основы теплопередачи
время охлаждения отражают с определенным приближением явле(
протекающие в охлаждающих средах, не изменяющих агрегатн
состояния в области температур охлаждения; так как только в э
условиях можно принять, что плотность теплового потока прибли
тельно прямо пропорциональна температурному градиенту на пове
пости, а коэффициентом пропорциональности является средний
эффициент теплопередачи.
На этой собственно основе обосновали свою концепцию так
зываемого коэффициента интенсивности охлаждения Гроссман, А
мов и Урбан [24], который в настоящее время широко применяв
(в особенности в США) и будет подробно рассмотрен при описа
практических методов оценки охлаждающей способности закалоч
сред (раздел 2.6.1).АОднакоЭдля часто применяемых в промышлен)
практике водных и масляных охлаждающих сред осиовополагаки
значение в механизме теплообмена имеют процессы кипения. кото|
в вышеприведенных случаях не учитывались Кипение, в особенно
в практических условиях, очень трудно описать математическими за
симостями. Поэтому механизм теплообмена в охлаждающих с
дах этого рода будет далее описан с феноменологической точки зрей
В жидких охлаждающих средах с точкой кипения значит.е.ц
ниже температуры закалки процесс теплообмена во время охлаж
ния протекает обычно, хотя и не всегда, в виде трех, заметно р
граниченных фаз. Эти фазы наблюдаются в определенных темпе
турных областях на поверхности закаливаемых деталей. В мом
погружения нагретого до высокой температуры твердого тела в жид|
охлаждающую среду на поверхности контакта возникает очень
сокнй температурный градиент и пропорциональный этому гра
енту начальный тепловой поток qp. В том случае, когда начали
тепловой поток превысит определенную критическую величину а
причем <7р><7йГ, наступает внезапное интенсивное испарение жидкое
приводящее к тому, что этот пар покрывает плотным и тонким сл|
всю поверхность охлаждаемого тела. Это так называемая фаза па
вого покрытия. |
С момента образования паровой оболочки плотность теплом
потока постоянно уменьшается в результате значительной нот!
тепла, отдаваемого путем лучеиспускания с поверхности. В то!
время коэффициент теплопередачи сохраняется на почти неизмени
уровне. Скорость охлаждения во время этой фазы почти постоя
и невысока, так как теплопередача в охлаждающую среду, изола
ванную слоем пара, является следствием переменной доли тегыя
редачи через пар и теплоизлучения охлаждаемой поверхности. Те!
излучение уменьшается, но и толщина паровой оболочки также у Л
шается, что облегчает протекание через нее тепла. Толщина папВ
оболочки зависит от равновесия между количеством пара, унося
гося жидкостью и вновь образованного тепловым потоком. Л
рость охлаждения в этой фазе является в основном фунЯ
толщины паровой оболочки, которую можно регулировать, напрЛ
с помощью изменения интенсивности перемешивания жидкости.®
По мере уменьшения толщины паровой оболочки она станов!
44
зсе менее стабильной, локально становится очень тонкой, до тех пор,
дока она внезапно не прорвется в результате гидростатического дав
пения жидкости. Температура Ti или Г2, при которой наблюдается
это явление, носит название точки Лайденфроста и является заметной
границей между фазой паровой оболочки и наступающей после нее
фазой пузырчатого Кипения.
Процесс пузырчатого кипения, связанный с поглощением значи-
гельного количества тепла, вызывает резкое увеличение плотности
теплового потока и, следовательно, скорости охлаждения. По Беку-
125], плотность теплового потока в масле при температуре 600 °C
(фаза паровой оболочки) достигает в среднем 2,08 МВт/м2, а при
450 °C (кипение) в четыре раза выше. Отрывающиеся от поверхно-
сти пузырьки пара устремляются вверх, ускоряя движение жидкости
и облегчая ее контакт с поверхностью. Длительность пузырчатого
кипения зависит от температуры кипения, а величина коэффициента
теплопередачи — от величины сечения охлаждаемой детали. Скорость
охлаждения в этой фазе достигает максимума, приводя к существен-
ному падению температуры в верхнем слое.
При температуре несколько выше температуры кипения жидкости
выделение пузырьков пара кончается. Это приводит к плавному из-
менению способа теплообмена от испарения к уносу тепла вместе
: нагретым слоем охлаждающей среды. Эта третья фаза охлаждения
менее четко отделена от фазы кипения, чем от фазы' с паровой обо-
ючкой, она называется конвекционной фазой. Плотность теплового по-
ока и скорости охлаждения в этой фазе не только во много раз
leiibiue, чем во время пузырчатого кипения, но она в два-три раза
(еныле, чем в фазе паровой оболочки. Вместе с тем, эта величина
ависит в большой степени от интенсивности_дтеремешивания охлаж-
.ающей среды.
Описанный типичный трехфазный ход теплообмена в охлаждаю-
1их средах с точкой кипения значительно ниже температуры закалки
хематичсски приведен на рис. 2.1. В случае охлаждающих сред,
е кипящих в области температур охлаждения, например, селитровых
анн, теплообмен протекает в соответствии с законом Ньютона, а
ривая охлаждения в координатах температура — время не имеет
Рис. 2.1. Фазы теплообмена в
жидких охлаждающих средах
с температурой кипения зна-
чительно ниже температуры
( закалки:
р' - 41 - фазы теплообмена (I - па-
и ая подушка; // - пузырьковое ки-
пение; III — конвекция)
45
характерного для кипения перелома. Эти характерные различия
характеристиках охлаждения двух основных типов охлаждают
сред схематически представлены на рис. 2.2. Как видно их рисун
кривые в координатах температура — скорость охлаждения заме1
подчеркивают фазу пузырькового кипения. В сочетании с диаграмма
Рис. 2.2. Фазы охлаждения на кривых температура —
время (а) и температура — скорость охлаждения (б):
I — фаза паровой подушки; II — фаза пузырькового кипения; III — фа-
за конвективного теплообмена; 1 — соляные ванны (twrz>rt);
2 — водные растворы н масла <tWrz< t :
фазовых превращений ВТПС для различных марок стали кривые этог
типа облегчают оценку пригодности данной охлаждающей среды дл
закалки стали определенных марок.
Описанный классический ход теплообмена на практике част
подвергается различным отклонениям. Особенно это относится <
фазам с паровой оболочкой и пузырькового кипения. Так, наприме!
как установил Кобасио [26], на окисленных стальных деталях, охлаж
даемых в холодной воде и водных растворах неорганических соле
или щелочей, сплошная паровая оболочка не образуется. Однак
эта оболочка образуется тем быстрее и она более устойчивая д
тем более низких температур, чем выше температура воды ил
водного раствора. При температурах выше ~50°С образуется ones
устойчивая паровая оболочка. Общим условием исчезновения фаз
паровой оболочки является плотность начального теплового потов
qp, которая должна быть меньше критической величины (qp<qkr
Факторами, определяющими величину qp, являются состояние повер
ности и размер сечения. На шероховатой поверхности или покрыт<
оксидами образование паровой оболочки затруднено. В этих условие
пузырчатое кипение также неустойчиво, а кривая теплового потока
зависимости от температуры поверхности имеет больше одного ма1
симума.
2.4. ПРЯМЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
2.4.1. Общие основы
Эта группа методов имеет свой целью в основном сравнение терм<
кинетических свойств различных видов охлаждающих сред, позволяй
щих на этой основе судить об их пригодности к определенному при
ю. С помощью этих методов можно также исследовать степень
а охлаждающей среды во время эксплуатации, влияние раз-
технологических факторов (например, температуры, интенсив-
перемешивания охлаждающей среды, содержания активных
[омпонентов в случае водных раство-
>ов) на термокинетическне свойства,
। также разрабатывать новые виды
>хлаждающих сред. Все такие наи-
>олее широко известные и распро-
:траненные лабораторные методы,
1апример, самый старый метод се-
ребряного шарика (рис. 2.3) поРози
27), французский метод серебряно-
о цилиндрического образца диамет-
ом 16 м и длиной 48 мм 428}, раз-
работанный в- Горном институте
Ыанси) или диаметром 8 и длиной
И мм [1 Г], разработанный в Техни-
jecKOM центре промышленной меха-
Lkh CETIM (Centre Techiquc des
bdustries Me'caniques, Sent is)-, a
вкже английский метод цилиндри-
Еского образца диаметром 12,5 и
тиной 60 мм из сплава инконеЛь
ВО [29] заключаются в исследова-
на температурных изменений внут-
н или вблизи поверхности образца
1зависимости от времени его охлаж-
Вния в исследованных охлаждаю-
их средах. Эта зависимость может
шть преобразована во многие дру-
1е зависимости, характеризующие
ловия охлаждения. Наиболее часто
Бименяется зависимость скорости
лаждения от температуры образца.
Рис.
, для
• 11 ULfV
2.3. Схема аппаратуры
исследования закалоч-
охлаждающих сред по
методу серебряного шарика:
1 — термопара; 2 — захват, освобож-
дающий образец; 3 — медная трубка;
4 — микровыклю.чатель; 5 — серебря-
ная трубка; 6 — серебряный шарик ди-
аметром 20 мм; 7 — печь электросопро-
тивления; 8 — задвижка; 9 — сосуд с
исследуемой охлаждающей средой
около поверхности или на
1 [30], схематически показана воз-
Вжность электронного преобразова-
я данных, полученных с помощью
груженного в исследуемую охлаж-
рощую среду образца с термо-
рментом, помещенным в его середине,
ровине его радиуса.
I Современные лабораторные методы исследования охлаждающей
рсобности, из которых два (французский и английский) описаны
рее подробно, не отличаются существенно от классического немец-
Г° метода серебряного шарика. Однако благодаря изменению фор-
I и материала образца, способа установки термоэлементов, условий
ретки поверхности, а также применения электронной техники для
I етрации и преобразования данных измерений была получена
I лько более высокая точность и воспроизводимость результатов,
I значительно большая информациялДалее описывается также
| ьно часто применяемый в США для закалочных масел магнит-
47
Рис. 2.4. Схема электронного преобразования изменения температ
образца с термопарой во время его охлаждения [30]:
I — данные измерения; 2 — ЭВМ; 3 — программы; 4 — печатающее устройство; 5
аграммный аппарат; 6 - образец; 7 -г графики
ный метод, или метод никелевого шарика, разработанный «Джене
Мотор Корп.*, который, в отличие от европейских методов, дает л
одно численное значение (время охлаждения в температурной oi
сти 885—354 °C), что для многих целей недостаточно.
2.4.2. Французский метод серебряного цилиндрического обр
В этом методе для закалочных масел в качестве исследуе»
зонда взят серебряный цилиндрический образец диаметром 8
16 мм с термоэлементом, зажатые механическим путем в геометр
ском центре (рис. 2.5). В 1978—1983 годах было разработано
сколько вариантов этого метода, причем в варианте 1983 г. пр
только образец диаметром 16 мм.
Ниже приведены условия исследования, предусмотренные в
следнем проекте французской инструкции, разработанной фра»
ским обществом металлургов и Ассоциацией термистов [31] :
800x5 °C
Серебро
99.9999 %
16 ±0.1 мм
Температура датч!
Образец:
материал
чистота
диаметр
1 В случае масел, для которых температура Т\ (рис. 2.6) близка 780 °C, тв«пе
датчика должна быть не ниже чем 850 °C. и приводится в описании исследования.
48
длина
торцовые поверхности
Термоэлемент:
термопара
материал термоэлемента
Контакт термоэлемента с образцом
Емкость для масла
Условия испытания:
температура масел, предназначен-
ных для применения в температур-
ной области 40—90 °C
температура «горячих» масел1
перемешивание масла
объем пробы масла
Глубина погружения датчика под
поверхностью
масла
Скорость опускания датчика из
печи в масло
48^0,1 мм
Плоские с кромками
по радиусу 0,1 мм
В оболочке диаметром
1 мм
Ni—NiCr
Путем зажима
800 мл
50±5 °C
150±5 °C
Отсутствие
вынужденного
перемешивания
700 ±10 мл
17±3 мм
5 ± 1 м/мин
Рис. 2.5. Серебряные образцы диаметром 8 и 16 мм для
исследования охлаждающей способности закалочных ма-
сел с помощью французского метода
От момента погружения образца-зонда в исследуемое масло вплоть
ао его охлаждения до температуры, близкой к температуре масла,
>егнстрируются и строятся отдельно и одновременно два графика,
характеризующие его термокинетические свойства (рис. 2.6):
< = /(т) или t = f( — ),
dr
где / — температура; т—время.
.. 1 В случае масел, предназначенных для применения при температуре выше 200 "С.
Т’^ратура испытания должна быть выше 150 С, и приводится в описании результатов
ИСПытання.
4 Зак' 3245 49
Рис. 2.6. Кривые охлаждения для образцов при закалке
в масле в системе координат температура — время (а) и
температура — скорость охлаждения (б), а также способ
определения критических температур t|H tj [31]
Рис. 2.7. Функциональная схема французского
прибора D1ACPOT для исследования охлаждающей
способности закалочных масел:
I — серебряный образец с термопарой; 2 — компенсация хо-
лодных концов термопары; 3 — усилитель; 4 — дифференци-
альная система; 5 — самописец XT. 6 — самописец ХУ
Рис. 2.8. блок-схема конструкции прибора DIACPOT:
1 серебряный образец; 2 гермипара ; 3 печь злектросопротивлеппя; 7 сосуд с
следуемым маслом; .5 гребка, поддержинакипая образец с гермопарой внутри. б
контролыю-нзмерн тельная таблица; 7 присоски пневматического управления пере
шепнем образца. X компенсатор холодных концов термопары; 9 г сила гель; II) д
ференциальная цепь; II—12 — самописцы
50
На рис. 2.6 показан также способ определения температур Т\ и
разграничивающих отдельные фазы охлаждения и представляю-
х отличительные черты охлаждающих сред.
Аппаратура, необходимая для определения эксплуатационных
йств закалочных сред, специально разработана для этого метода
Техническом центре промышленной механики (СЕТ1М), а фирма
оман Моритц» в Париже изготовила серию приборов под названием
кСРОТ по лицензии CETIM1 (рис. 2.7, 2.8).
На симпозиуме Международного комитета «Научные и техноло-
еские аспекты охлаждения» французский метод оценили положи-
ьно, так как он представляет большой шаг вперед по сравнению
старыми методами, но рекомендовано провести исследования
оценке точности и воспроизводимости результатов, полученных
омощью этого метода, а также возможности оценки его пригодности
водных сред. Такие исследования, выполненные автором этой
ги, опубликованы в работе [32].
В ней дана оценка воспроизводимости кривых охлаждения сереб-
ых образцов диаметром 8 и 16 мм, а также предложенные автором
азцы диаметром 8 и длиной 24 мм из сплава типа инконель
10Н80) в масляных и водных охлаждающих средах. В связи с более
ним утверждением многих авторов о том, что масла могут испыты-
>ся в спокойном состоянии, а водные растворы требуют переме-
}ания во время охлаждения образца, в работе (32] аппарат
LCPOT был добавочно оборудован устройством, обеспечивающим
шнарное движение охлаждающей среды со скоростью 0,15 м/с
:. 2.9). Основные выводы, вытекающие из результатов этого йе-
не. 2.9. Добавочное оборудование прибора DIACPOT, позво-
1яющее исследовать охлаждающие среды с ламинарным дви-
_ жением:
хлаж"1'' ’irKTP0c0nP0TI|B.ieuiis: 2 — образец-зонд; 3 — цилиндр с протекающей
Дающей жидкостью; 4 переливной бак; 5 — бак с охлаждающей средой
и насосом; 6’ — электродвигатель
аппарат этой фирмы находится в Институте точной механики в Варшаве.
51
следования, можно сформулировать следующим образом:
удовлетворительная воспроизводимость кривых охлаждения
трех видов образцов в маслах достигается при условии точног
блюдения параметров их нагрева и тщательной очистки поверх!
после каждого погружения. Положение характерных точек на кр
зависит от размеров и материала образцов и, в меньшей мер
ламинарного перемешивания малой интенсивности (рис. 2.10); .1
в полимерных растворах добавочным и принципиал!
условием хорошей воспроизводимости кривых является перемец
ние охлаждающей среды. В этом случае наилучшие результаты !
получены при применении образцов 08x24 мм из сплава инщ
(Х20Н80), худшие — для серебряного образца 0 16x48 мм и с
плохие для серебряного образца 0 8x24 мм. Однако повторяв!
улучшается при увеличении
Рис. 2.10. Влияние диаметра серебряного образца, а
также циркуляции на скорость охлаждения в обычном
масле (о) и быстроохлаждающем масле (б) [32]:
1 — ламинарное движение; 2 движение отсутствует
концентрации растворов;
200 300 400 б п/С
те
рис. 2.11. Кривые
охлаждения, полу-
ченные для сереб-
рянного образца ди-
аметром 16 и дли-
ной 48 мм при за-
калке в различных
средах с ламинар-
ным движением
I32!: ,
/ — обычное масло; 2 —
быстроохлаждающее мас-
ло; 3— 10%-ный
раствор полимерной ох-
лаждающей среды типа А;
4- 10%-ный раствор по-
лимерной охлаждающей
среды типа В; 5 — водо-
проводная вода с темпера-
турой 20 РС
перемешивание охлаждающей среды позволило сравнить
кинетические свойства всех видов охлаждающих сред как с пом<
серебряного образца 016x48 мм (рис. 2.11), так и с помощьк
разца из сплава инконель (Х20Н80).
Описанный французский прибор
и для исследования охлаждающей
температурной области — 100±300
был использован автором т
способности дисперсных ср
°C [22], а также охлаждая
"с. 2.12. Лабораторная ус-
ановка для получения
звешенных сред [33]:
оомгтДаЧа азота; 2 - камера под
_ Ь1М дн°м бака с порошком;
0РО1пЛИСТ0е лно 1,3 спеченного
>льцпК%ИЗ аУстенитной стали; 4 —
epaMuuf ~ стальной цилиндр; 6 -
кож^ 7-нагрсва
ни; р‘_°®мотка* # — теплоизоля-
ановк\ Фла,,ед> соединяющий ус-
у с печью прибора DIACPOT
52
сред, применяемых для поверхностной закалки напылением |
С этой целью под печью для нагрева образцов помещали специа,
сконструированный лабораторный диспергатор (рис. 2.12) или н<
литель (рис. 2.13), питаемый из резервуара исследуемой охлаж/
щей жидкостью под давлением 0,3 МПа, создаваемым ежа
воздухом. После охлаждения жидкость стекает под воздейст(
гравитации в ванну. Результаты исследований приведены в |
вах 3 и 6.
Рис. 2.13. Напылитель с кольцом, устанавливающим его по-
ложение под печью для нагрева образца диаметром 8 мм I
и длиной 24 мм [34]
2.4.3. Английский метод цилиндрического образца из сплава инк
нель 600
Специалисты из центра термической обработки им. Вольфсона п
университете в Бирмингеме уже давно считают, что проблема выб<;
масел и других закалочных охлаждающих сред требует полной pi
работки научных основ, так как технологи по термической обработ
не могли найти непосредственной связи между приводимыми npoi
водителями масел физико-химическими свойствами и интенсивност
охлаждения и результатами закалки. Потребители масел, в св
54
п°дь не сумели уточнить своих требований к нефтехимическим
,ям’ Известные до настоящего времени методы определения
^яждаюшей способности также признаны неудовлетворительными
з' а маюй точности и воспроизводимости, а также из-за отсутствия
?четлив’ой связи с результатами закалки.
В этой ситуации Международный комитет «Научные и технологи-
еские аспекты охлаждения» решил разработать стандартные методы
пенки закалочных охлаждающих сред, устраняющие недостатки
уществуюших до настоящего времени методов и лучше соответствую-
щих практике применения этих охлаждающих сред в промышленных
птановках. В результате проведения испытаний в течение нескольких
ет бригадой специалистов была разработана описанная ниже, опуб-
икованная в 1982 г. [29] методика. Для ее практического приме-
ения была разработана также соответствующая аппаратура.
Определение характеристик охлаждающих сред по английскому
ето'ду проводят с помощью цилиндрического образца 12,5X60 мм
з жаропрочного сплава инконель 600 с вмонтированным в его гео-
етрический центр термоэлементом в изолированной оболочке
>ис. 2.14). Химический состав этого сплава, а также близкого по
юйствам сплава польского производства Х20Н80 приведен в табл. 2.2.
ic. 2.14. Образец-зонд для исследования закалочных охлаждающих
сред с помощью английского метода:
- образец из сплава инконель 600: 2 — труба из жаростойкой стали; 3 — термопара
аметром 1,5 мм; 4 - труба из коррознонностойкой стали; 5 — компенсационные провода
ТАБЛИЦА 2.2
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СПЛАВОВ ИНКОНЕЛЬ 600
И Х20Н80, %
Элемент Инконель 600 Х20Н80
Ni + Co >72 75—78
Сг 14—17 20—23
F е 6—10 Ост.
С <0,15 <0,15
Мп <1,00 <1,5
Si <0,50 <0,5
Си <0,50 —
S <0,015 <0,1
го сплавы электросопротивления с высоким сопротивлением воздей-
вию высоких температур в окислительных атмосферах (например,
воздухе) в результате образования на их поверхности плотного
хорошо прилегающего слоя оксидов СгаОз. В результате этих
' астп сплава образец может и даже должен нагреваться на воз-
что не требует сложных устройств и полезно влияет на воспро-
55
изводимость результатов исследований. Следует также обратить аВ
мание на то, что в соответствии с исследованиями Кобасио |2в
сплавы с аустенитной структурой более пригодны для оценки заВ
лочных охлаждающих сред, чем серебро, так как в отличие от нЛ
и подобно конструкционным и инструментальным сталям они имя
более одного максимума плотности теплового потока. Ч
Образец нагревают в печи без защитной атмосферы до темп»
туры 850±5 °C и выдерживают в течение 5 мин. Затем образец
дают автоматически из печи в исследуемую охлаждающую средуИ
время не более 2 с. Объем масла 2 л, а стандартная температд
40±2°С. Допускаются и другие температуры нагрева в зависимое
от вида и назначения масла. Исследуемое масло не перемешивая
Во время охлаждения образца одновременно и автоматически за!
сываются кривые температуры в функции от времени, а также
рости охлаждения в функции от температуры. Инструкция срдерЛ
подробные правила проверки и тарировки всех измерительных систЯ
а также определяет требуемую точность результатов (±2,5 %),
рировку аппаратуры производят после каждых 25 испытаний!
помощью жестко выдерживаемого метода при применении эталонна
парафинового масла с гарантированными физико-химическими и те
мокинетическими свойствами.
Важной составной частью метода является способ приготовлеИ
поверхности образца и ее восстановления в том случае, когда ма
симальная скорость охлаждения во время контрольного испыта,
отличается больше, чем на ±5% по сравнению с результатом, ио
ченным на новом образце. Приготовление нового образца заключав
в образовании на его поверхности слоя оксидов путем шестикратн
нагрева и погружения в контрольное масло, а также в промыва'
в растворителе типа три (tri) и сушке после каждого погружен!
Регенерация образцов заключается в очистке поверхности обра;
наждачной бумагой зернистостью 600 и образовании заново с.
оксидов таким же образом, как и на новых образцах.
Регистрация результатов испытания, кроме графического мет»
предусматривает отсчет времени охлаждения с точностью ±0,5 с
момента погружения образца до достижения температуры 600 и 400
с точностью ± 1 с до 200 °C (t60p, /4Оо> /зоо)- Регистрируются т
же: максимальная скорость охлаждения, vmax; температура ма>
мальвой скорости охлаждения, /„та»; скорость охлаждения
300 °C озоо-
Описанный метод оценки закалочных масел как лаборатор
метод не учитывает многих факторов, влияющих на закалочную <
собность промышленных ванн, как, например, интенсивность и хар
тер движения раствора ванны. Несмотря на это, приведенные в «
аринг Рисерч Сентер» исследования корреляции результатов с изв<
ны.ми промышленными испытаниями по Гроссману (раздел 2.3.1)
определению закалочной способности ванн с помощью коэффицие
Н показали, что эта корреляция является очень хорошей [35].
В соответствии с этим исследованием (рис. 2.15) уравнение
грессии обоих сравниваемых методов имеет следующий вид:
// = 0,395-10 '(Zeoo) —0,139-10 '(Цоо) +
4-0,123-10 2(1/П1ах) 4-0,224-10 2(Изоо) +
+ 0,244-10 .
Инструкция, разработанная в Центре Вольфсона, в основном
носится к закалочным маслам, но, по мнению авторов, эти мет<
56
Рис 2.15. Корреляция определен-
ного экспериментального коэффи-
циента Гроссмана Н со значени-
ем этого коэффициента, подсчи-
танного с помощью результатов
лабораторных испытаний по анг-
лийскому методу [35]
300
пригодны для исследования любых
охлаждающих сред. Так, например,
в работе Хика [36] с помощью
этого метода сравниваются свойст-
ва различных масел и водных
охлаждающих сред (рис. 2.16). В
применении к водным охлаждаю-
щим средам, кривые охлаждения
которых очень сильно зависят от
движения и температуры охлаж-
дающей среды, исследование
в спокойной охлаждающей среде
может вызывать обоснованные
оговорки. Поэтому в одной из
швейцарских лабораторий был
применен метод Вольфсона к по-
лимерным охлаждающим средам
[37]. Изменения в устройстве
заключались в применении для
охлаждающей среды резервуара
большой вместимости соответ-
ствующей конструкции и переме-
шивания охлаждающей среды с
помощью двухлопастного винта с
регулируемой скоростью оборо-
тов, а также микрокомпьютерной
истемы регистрации кривых
охлаждения в различных коорди-
натных системах1.
900 000 300 t.°C
Рис. 2.16. Скорости охлаждения
образца диаметром 12,5 мм и
длиной 60 мм из сплава инконель
600 в различных средах с темпе-
ратурой 30 ° С [36]:
I —соль; 2 — вода; 3— полимерная ох-
лаждающая среда; 4 — быстроохлаждаю-
щая среда; 5 — обычное масло
Ис Институте точной механики в Варшаве изготовлено собственное устройство для
едования охлаждающих сред с помощью образца, рекомендованного Вольфсоном.
57
2.4.4. Магнитный метод (никелевого шарика)
В США и Великобритании до недавнего времени очень широко npi
менялся метод измерения охлаждающей способности закалочных м]
сел, использующий изменение магнитных свойств никеля в точке Кюр|
которое для чистого никеля наступает при 354 °C. Выше этой темп<
ратуры он и?;еет парамагнитные свойства, ниже — ферромагнитны
Метод заключается в нагревании шарика из чистого никеля дги
метром 22,3 нм и массу 50 г до температуры 800—900 °C (в СЦ]
рекомендуется температура 880 °C) и последующем охлаждении ei
в пробе 200 мл исследуемого масла. Если сосуд с маслом находите
в сильном постоянном магнитном поле, а охлаждаемый^шарик в к<
'блющейся корзинке, то в момент достижения температуры 3541
арик будет притянут магнитом (рис. 2.17). Точное измерение времен
Рис. 2.17. Схема исследования oxJ
лаждающей способности закалочных
масел магнитным методом фирмы
«General Motors»:
1 — никелевый шарик; 2 исследуемое масло;'
.3 - магнит; 4 — корзинка для шарика, подве-i
шейная на оси вращения; 5 — выключатель
таймера
от момента начала погружения шарика в исследуемое масло до при
тягивания его магнитом определяет среднюю скорость охлаждение
в принятой области температур, например 880—354 °C. Так как дл1
большинства марок стали эта температурная область совпадает <
областью минимальной устойчивости аустенита, то можно ожидать
что время охлаждения, замеренное с помощью описанного метода
будет хорошо коррелироваться с закалочной способностью масла
Исследования подтвердили это предположение.
Никелевый шарик может быть нагрет в окислительной и восста
новительной атмосфере, хотя в первом случае время охлаждения д(
температуры точки Кюри будет короче, чем шарика, нагретого 1
восстановительной атмосфере. Окисленные шарики должны поел
каждого испытания очищаться и полироваться, что практически хла
потно. Поэтому применяют хромированные шарики, сначала электро
литически, а затем и диффузионно (около 4 ч при температуре 1000 °C
в атмосфере водорода). Такие шарики можно нагревать без защитной
атмосферы, так как они не окисляются.
Прибор для исследования масел по описанной методике (куенчо
метр) создан фирмой «Testron Corporation» (США)1. В этом прнбо
ре кольцевой фотоэлемент может быть поднят на определенную вы
соту и повернут на 90°, что позволяет вынуть корзинку с шарико»
из резервуара с маслом. Прибор питается от электрической сет!
220 В, 50 Гц, а измерение времени проводится электронным способо!
с точностью 0,1 с. Время переноса шарика с печи должно быть по
стоянным и не больше 3 с. Электронный указатель времени включа
1 Такой прибор находится в Институте точной .механики в Варшаве.
58
автоматически в момент перемещения шарика через кольцо
етс оэлемента и выключается в момент его притягивания магнитом.
И-за разброса результатов, который не должен превышать 0,4 с,
ИЗцелыо усреднения результатов рекомендуется повторять испытание
шестикратно.
В табл. 2.3 приведены в качестве примера результаты оценки не;
кольких марок масел производства американской нефтехимической
Лирмы «Sun». Данные этого рода можно найти в некоторых фир-
менных проспектах и в другой литературе.
ТАБЛИЦА 2.3.
ОХЛАЖДАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ
АМЕРИКАНСКОЙ ФИРМЫ. «SUN».
ОПРЕДЕЛЕННАЯ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО МЕТОДА
(НИКЕЛЕВОГО ШАРИКА)
Масло Нехромиров энный шарик Хромированный шарик
Обычное 16,2 24,2
Быстроохлаж- дающее 9,5 12,5
Для применения при повышенной температуре Для ступенчатой 18,5 23,0
закалки 26,2 28,7
В Институте точной механики в Варшаве разработан и изготов-
лен аппарат Медиумтест, работающий на подобном принципе, как и
куенчометр, но отличный по конструкции. В отличие от американ-
ского аппарата он оборудован горизонтальной наклоняемой печью
для нагрева никелевых шариков диаметром 22 мм [38). Вместо фото-
элемента фотодиод приводит в действие электронный измеритель
времени охлаждения шарика, а вместо магнита соответствующая ка-
тушка, питаемая от генератора синусоидальных колебаний, сигнали-
зирует об изменении магнитных свойств никеля. Все основные
операции испытания (нагрев шарика, перемещение его в ванну с
испытуемой охлаждающей средой и замер времени охлаждения)
полностью автоматизированы.
Магнитный метод несмотря на ряд преимуществ, например, полу-
чение однозначного количественного результата, неполно характери-
зует термокинетические свойства охлаждающей среды и не позволяет
проводить испытание влияния различных технологических факторов
на эти свойства. Определенным улучшением метода является приме-
нение в последние годы вместо чистого никеля железоникелевого
сплава (18—25%Ni), для которого точка Кюри находится в пределах
115—250 °C. Это позволяет добавочно определить время охлаждения
в температурной области 354—115 °C, что для некоторых сталей явля-
ется важной информацией. Несмотря на это улучшение, рассмотрен-
ный метод не нашел в Европе широкого применения.
59
2.5. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Описанные ранее французский и английский методы позволякя
получать всестороннюю информацию о термокинетических свойства
закалочных сред. Однако из-за сложности конструкции, высока
стоимости и необходимости иметь высококвалифицированных рабо|
ников для обслуживания аппаратуры и интерпретации результате
применение этих методов ограничено высокоспециализированныЯ
лабораториями и крупными промышленными предприятиями. Да
малых предприятий пригодны более простые косвенные методы, кот!
рые позволяют сравнивать закалочные свойства различных охлажд!
ющих сред путем сравнения твердости и толщины закаленного сл!
на образцах из стали из одной и той же плавки (т. е. одинакова
прокаливаемости), а также соответствующей формы и размере
Охлаждающая среда, обеспечивающая более глубокую закалк]
является тем самым и охлаждающей средой, которая быстрее охлая
дает. Основным общим условием правильности результатов этой
простого метода является сохранение неизменными всех факторо!
которые, кроме прокаливаемости стали и тепловых свойств охлая
дающих сред, могут также иметь влияние на результаты закалк!
К этим факторам относятся прежде всего условия, учитывающ!
перемещение заготовки и охлаждающей среды, а также ее температур!
Наиболее часто применяют образцы цилиндрической формы дл|
ной в четыре раза больше диаметра. Диаметр должен быть выбра
таким образом, чтобы не происходила сквозная закалка. Так, напр«
мер, для определения охлаждающей способности различных вида
масел могут быть использованы цилиндры из стали 40 диаметро!
25 и длиной 100 мм. После аустенизации при температуре 840 °
в течение 1 ч их закаливают в исследуемых маслах, разрезают н
половине длины и определяют распределение твердости вдоль дву
взаимно перпендикулярных диаметров. Сравнение распределена
твердости после закалки в различных маслах позволяет легко оц!
нить закалочную способность. Вместо распределения твердости можн
также изготовить в поперечном сечении металлографические шлиш
и после их травления в 5 % растворе азотной кислоты в этилова
спирте выявить закаленный слой, который травится значительно све!
лее, чем незакаленная сердцевина. Контрастно выявленная гранив
между закаленным слоем и сердечником соответствует содержаня
80% мартенсита и одновременно точке перегиба на кривой паден!
твердости в направлении к оси цилиндра. Толщина этого слоя можв
быть признана мерилом охлаждающей способности исследуемы
охлаждающих сред.
В более ранней американской литературе [39, 40] можно встр!
тить описание других методов этой группы, опирающихся на основа
подобные вышеописанным. Наиболее часто применяемый и пров!
ренный также и автором этой книги метод (способ) —это так на
зываемый конический способ. Он состоит в изготовлении и закалка
а также разрезке в осевой плоскости образцов в форме усечении
урезанных конусов из такой стали и такого размера, чтобы в иссЛ!
дуемых охлаждающих средах не происходила закалка по всему са
чению в большем основании конуса. Мерой охлаждающей способн!
сти исследуемой среды является или диаметр закалки насквозь ил
расстояние от меньшего основания конуса до точки с твердость!
отвечающей, например, 90 % содержания мартенсита при даннИ
содержании углерода в стали. Испытание конусных образа!
Рис. 2.18. Оценка охлаждающей способности закалочных
сред с помощью метода конического образца. Заштрихо-
ванное поле — закаленная часть сечения; а и ft — критерии
оценки [41]
значительно более чувствительно, чем испытание на прока.Тйваемость
цилиндрических образцов.
Для испытания масел Фурман рекомендует применять конуса из
инструментальной углеродистой стали длиной 50 мм и диаметром
большого основания 20 мм [40], в то время как Гроссман [39]
вместе с авторами этого метода (Пост, Грин и Фенстермахер) длину
конуса 127 мм, диаметр большого основания 32 мм и меньшего
6,5 мм. Вероятно, эти конуса были использованы для испытания
водных охлаждающих сред. В работе [41] были использованы конуса
из стали Н8Е с размерами, приведенными на рис. 2.18. Они оказались
пригодными как для испытания закалочных масел, так и водных
полимерных растворов, но во втором случае длину конусов увеличили
до 120 мм, а диаметр основания до 29 мм. На осевых сечениях ко-
нусов производили замеры твердости, а после их полировки и трав-
ления выявляли закаленные и незакаленные участки сечения.
К рассматриваемой здесь группе косвенных методов некоторые
авторы относят также и описанный подробно в главе 1 способ за-
калки с торца (Джомини). В этом случае для испытания должны
использоваться образцы из од| ой и той же плавки (с той же прока-
ливаемостью), так как целью испытания не является определение
прокаливаемости, а лишь охлаждающей способности охлаждающей
среды. Этот метод может быть использован в основном только для
испытания водных охлаждающих сред.
^ОПРЕДЕЛЕНИЕ интенсивности охлаждения
и ЗАКАЛКИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ условиях
Описанные в разделе 2.4 лабораторные методы оценки охлаждающей
пособности характеризуют ее как физическое свойство охлаждающей
Реды. Однако они не учитывают или не в полной мере учитывают
61
много других факторов, как правило, проявляющихся в промышле
ных ваннах, и других закалочных устройствах, таких, как перел
шивание охлаждающей среды, ее температура, состояние поверхнос
закаливаемых деталей и т. д. Эти факторы оказывают существенщ
влияние на скорость охлаждения и содержание мартенсита, определ
емое из распределения твердости по сечению. В сочетании с охлал
дающей способностью среды эти факторы будут здесь называть»
интенсивностью охлаждения или закалки.
Понятие интенсивности охлаждения и ее количественное выр
жение для сравнения эффективности условий охлаждения во врел
закалки ввел уже в 1936 г. Рассел [42], а затем его развили
применили в исследовании прокаливаемости стали американскл
авторы Гроссман, Азимов и Урбан [24]. Однако современные автор
пришли к выводу, что известный под названием метода Гроссман
способ определения так называемого коэффициента интенсивност
охлаждения Н, основанный на многих упрощениях и неточности)
не отражает достаточно точно истинных условий охлаждения.
В связи с этим были разработаны два других метода, хотя к
эффициенты Гроссмана и дальше применяются другими авторам
для характеристики как сред, так и устройств для охлаждения. Далё
описано четыре основных метода определения интенсивности охлаж
дения и закалки: американский Гроссмана, французский CETLV
немецкий Вюннинга (так называемый метод QTA) и югославски
Лишчича (метод температурного градиента).
2.6.1. Метод Гроссмана
Из теории теплообмена, базирующейся на известном дифференциалы!
ном уравнении Фурье и законе Ньютона, известно, что скорость этого!
обмена, которая в случае охлаждения может быть определена как!
интенсивность охлаждения, зависит от отношения коэффициента
теплопередачи а на поверхности охлаждаемого тела к коэффициенту]
теплопроводности этого тела Л, а также от формы сечения или от]
ношения объема к поверхности. Эта зависимость определяет так на!
зываемое число Биота Вг:
В(. = ах/Х,
где х — характерный размер сечения (например, радиус круглого прут]
ка или половину толщины плиты). Принимая в качестве постоянно]
среднее значение а для определенных условий охлаждения и постоян
ное значение X во всем температурном диапазоне охлаждения (о,
температуры закалки до температуры охлаждающей среды), Расс®
принял отношение этих значений как показатель интенсивности охлаж]
дения и обозначил его буквой h:
h = а/Х.
Гроссман с сотрудниками [24], учитывая температуру перлитного
превращения в большинстве марок стали, и большую зависимость а
от температуры поверхности, пришли к выводу, что более близким
к действительности показателем интенсивности охлаждения чем /ij
будет отношение а к X только в верхней половине температурной
области охлаждения. Таким образом, установленная величина, обоз]
наченная символом II, называется коэффициентом интенсивности
охлаждения или числом Гроссмана:
Я = ая/(2Х).
И3 приведенного определения величины Н вытекает, что если а
елеляется в единицах Вт/(м2-К), а А в Вт/(м-К), то размерностью
отбудет обратная величина линейного размера. В литературе до
я авнего времени чаще всего приводили величины Н в виде обратной
Не1ичины Дюйма (Ь"1) или как безразмерную величину, а в более
новых публикациях в мм1, причем если Н обозначить в мм-1, а
а и Л в единицах системы СИ, то
7 = 0,025аи/(2А)-
Исходя из расчетов, в которых принято большое количество уп-
ющаюших допущений (охлаждение по закону Ньютона, незави-
симость теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности стали
it температуры и ее химического состава), а также из результатов
кспериментальных исследований, Гроссман с сотрудниками опреде-
ляй приблизительные значения Н для типичных охлаждающих сред
табл. 2.4) и рис. 2.19. Из этих данных вытекает, что, например,
ТАБЛИЦА 2.4
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ
ОХЛАЖДЕНИЯ ПО ГРОССМАНУ [И]
[нтенсивность относительного нижения охлаждающей среды охлаждаемой летали Масло Вода Рассол
дюйм—I мм—1 дюйм—* мм —I дюйм—* мм—*
>ез движения 0,25 0,01 0,9 0,035 2 0,079
0,30 0,012 1,0 0,039
(вижение с малой 0,30 0,012 1,0 0,039 2 0,079
нтенсивностыо 0,35 0,014 1,1 0,043 2,2 0,086
меренное движение 0,35 0,014 1,2 0,047
0,40 0,016 1,3 0,051
(вижение средней 0,40 0,016 1.4 0,055
нтенсивности 0,50 0,020 1,5 0,059
1нтепсивное движение 0,50 0,020 1,6 0,063
0,80 0,030 2,0 0,079
>чень интенсивное 0,80 0,030 4,0 0,15 5,0 0 20
вижение 1,10 0,043
Охлаждающая способность
t небольшая средняя большая
| 780 °C
у/77///7//Д У7//////777^777777.
0,2 0,3 0,0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,5
б 7 8
t> V7/77A
^777777777\
> 477////7/Д
2 4ZZ7//7//////77/////A
1 VZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZA
Рис. 2.19. Приблизительные значения коэффициента интен-
сивности охлаждения Н типичных охлаждающих сред [43]:
водные растворы полиэтиленовых гликолей; 2 — смешанные быстроохлаж-
Аающие .масла; 3 — обычные закалочные масла, циркуляция умеренная; •/
селитра с водой, циркуляция умеренная; 5 — масляные ванны обычного состава;
6 - спокойное минеральное масло; 7 спокойная вода; 8 — сильно циркули-
рующая вола
63
64
вода и сильно перемешиваемое масло могут иметь одно
жоика чение ц Хотя и известно из кривых охлаждения, что их
° Же ые характеристики различны. При бесконечно быстром ох-
салоч^щ ПрИВ0ДЯщем к моментальному снижению температуры
Юности ДО температуры среды, величина // = «>, а такое охлаж-
ЗСР -нт название идеального. Это понятие нашло применение в
'ледованиях прокаливаемости при определении так называемого
ального критического диаметра.
Математическая модель охлаждения 1 россмана позволяет под-
дать распределение температуры по сечению прутков различных
1метров при различных интенсивностях охлаждения. Однако боль-
с практическое применение нашел полученный этим автором экспе-
иентальным путем эталонный график, позволяющий определять
1ичины Н для промышленных закалочных ванн (рис. 2.20). С целью
щделения величины И исследуют ванны:
проводят закалку прутков, по крайней мере, трех разных диамет-
s Di, Di , Оз из таким образом выбранной стали, чтобы в йсследу-
зй среде не происходила сквозная закалка, т. е. диаметры должны
ть больше критических;
производят измерение твердости 1IRC вдоль диаметра, а также
ем предварительного отсчета из рис. 1.13 критической твердости
i данной стали (при 90 % мартенсита); определяют величину не-
«аленных диаметров Оо2, Du3 (рис. 2.21) и рассчитывают от-
пение DuilDi, DutlDi, Dui/Dz',
Рнс. 2.21. Образцы для экспери-
ментального определения интен-
сивности охлаждения Н по методу
Гроссмана
результаты описанных исследований (точки в координатах Du/D
О} наносят на выполненную на прозрачной кальке координатную
ГКУ в таких же масштабах по осям, как и на эталонном графике
ис. 2.20), где для D принята логарифмическая шкала;
калька с нанесенными экспериментальными точками прикладыва-
-я к эталонному графику и перемещается в горизонтальном направ-
ки (влево или вправо) таким образом, чтобы три точки находились
на одной из кривых эталонного графика;
отсчитывают величину HD путем проецирования произвольной
j-нериментальной точки на ось абсцисс (горизонтальная) эталон-
0 графика и подсчитывают значение H — HD : D.
На рис. 2.20 приведен пример определения значения // для ванны,
1==Т50Рпй закаливали прутки диаметрами О] = 25,4 мм, /)2 = 38,1 мм и
аме. мм из стали с критической твердостью 48 HRC. Для прутка
39 4-гл о мм (Два дюйма) величина отношения О„з/О3 =
10:2=='^°а Д^ = 254 мм (10 дюймов). Отсюда Н — НОзЮ3 =
°. Значение Н, определенное с помощью графика Гроссмана,
Зак- 3245
65
зависит только от охлаждающей способности ванны в исследуЯ
условиях и не зависит от диаметра прутка. Однако многочислЯ
исследования показали, что в действительности с увеличением]
метра Н уменьшается, особенно в случае водных охлаждающих]
(постоянство этого значения на графике вытекает из неточности
лущений, принятых автором метода). ]
Описанный способ определения значения коэффициента Н до]
но сложен и трудоемок, поскольку Гроссман, используя экспер]
тально установленные зависимости между скоростями охлажд]
прутков различных диаметров и образца Джомини посЛ
график, позволяющий легче, хотя и менее точно, определить /Я
разных охлаждающих сред и закалочных установок (рис. 2.2Я
этой целью изготавливают образец (рис. 2.23) из стали, напрм
ЧОХ, с известной кривой прокаливаемости, закаливают вместе с ]
нзводственной садкой в исследуемой ванне, вырезают диски от ]
дины длины отрезков каждого диаметра и измеряют твердость в ]
дине сечения. Из кривой прокаливаемости отсчитывают рассто!
от торца, отвечающее замеренной на дисках твердости. Диам!
образца и отвечающие им скорости охлаждения, замеряемые в
ницах расстояния от торца образца Джомини, дают точки, соеди»
которых показывает приблизительное значение Н исследуемой ох
дающей ванны. Исследование проводят не на одном образц
обычно на трех, а результаты замеров наносят на график поел
усреднения. Описанная методика имеет то преимущество, что
связывает интенсивность охлаждения с прокаливаемостью cTaj
вследствие этого она может быть использована для различных ц«
например, в решении проблем выбора стали при определенных уело
охлаждения.
Рис. 2.22. Номогра
Гроссмана, устанавлив
щая связь между скоро!
ми охлаждения образ
Джомини (выраженна!
единицах расстояния
торца образца) и сер!
нами сечения круглых п
ков, охлаждаемых в с
дах с различной интенс
ностью охлаждения
[22]
О, НМ
50
40
30
го
10
О 2 4 б 8 10 12 14 16 18
Расстояние от торца образца, мм
Рис. 2.23. Образец из стали известной прокаливае-
мости для иссчедования коэффициентов интенсив-
ности охлаждения Н на основе номограмм Гроссма-
на (рис. 2.22)
66
2.6.2. Французский метод (CETIM)
В техническом центре промышленной механики (CETIM) разрабо-
тан метод проверки закалочных устройств с помощью показателя /(,
интегрирующего все факторы, влияющие на интенсивность охлажде-
тия, и тем самым и на твердость. В этом методе использована прямая
зависимость твердости от скорости охлаждения, измеряемой рас-
зтоянием от охлаждаемого торца образца Джомини, а также анало-
-ичная зависимость распределения твердости по сечению круглого
зрутка от распределения скорости охлаждения. Каждая точка вдоль
збразца Джомини имеет свой эквивалент в сечении прутка по
зкорости охлаждения и твердости, если пруток и образец Джомини
заготовлены из той же стали и той же самой прокаливаемости. Вы-
золнение этих условий позволяет для исследования прокаливаемо-
:ти косвенно (с помощью измерения твердости) сравнивать скорость
зхлаждения в испытуемом устройстве или среде со скоростью на со-
зтветственном расстоянии от торца образца.
|ис. 2.24. Определение коэффициента интенсивности закалки К с
помощью французского метода CETIM:
— построение кривой прокаливаемости, позволяющей определить точки h,
1 с твердостью, отвечающей выбранным точкам А, В, С в сечении круглого прутка из
гали такой же прокаливаемости; б — определение точек /|, /а, /з, твердость в которых
акая же, что и в середине или на половине радиуса прутков с диаметрами «i. «а.
*’• Ь — определение величины K«d:J»»tga
стпА-Лении коэффициента интенсивности закалки
|На рис. 2.24 приведены последовательные фазы операций при
с.!тд?лении коэффициента интенсивности закалки в испытуемом
Роистве или охлаждающей среде. Это следующие фазы:
зг Испытания прокаливаемости для стали, из которой должны быть
Пб70ВЛС|1ы образцы (прутки) для проверки закалочного устройства
«ычно сталь 4QXj.
67
изготовление серии цилиндрических образцов трех разлит
диаметров (обычно 15,30 и 45 мм) и длины, по крайней мере в
раза больше, чем их диаметр, из той же самой стали, что и обра
для исследования прокаливаемости, а также закалка этих образ
в контролируемом устройстве. Образцы рекомендуется греть и охл:
дать вместе с промышленной садкой, размещая их в крайних пс
жениях эксплуатационного пространства печи и закалочной ван
закаленные образцы разрезают на половине длины и замер:
твердость в середине сечения или на половине радиуса, усред
результаты нескольких замеров;
с помощью кривой прокаливаемости определяют значения
J2, /з, отвечающие значениям твердости, полученным на образ
диаметром di, d2 и d3',
экспериментальные точки, нанесенные на графике в координа
d—J, определяются прямой d = KJ, если диаметр образцов не пре
шает 50 мм. Отсюда подсчитывают значение величины K~d:J, xaj
теризующей интенсивность закалки в контролируемом закалоч
устройстве.
В рассмотренной работе [44] в качестве примера приведены
устройства и вида закалочных масел, для которых К при измере
твердости в середине сечения»достигали 0,8—4,4. Показаны Tai
большие возможности практического использования результа
испытания для оценки конструкции закалочных устройств и разд
ных охлаждающих сред, а также для решения проблем экономн
выбора стали.
2.6.3. Метод QTA Вюннинга
Исходя из допущения, что метод Гроссмана не отражает с доста]
ной для практики точностью действительных условий охлаждена
водных и масляных средах, Вюннинг разработал в 1981 г. ме
учитывающий типичные три фазы теплообмена |45] и тем сам
устраняющий основные недостатки математической модели охлаж
ния, предложенной Гроссманом. Метод Вюннинга, а точнее мате:
тическая расчетная или экспериментальная модель охлаждения но
название QTA, где Q — плотность теплового потока на поверхн)
зависящая от температуры закалки до условно принятой темпера'
в 500 °C, которая в случае закалочных масел находится вблизи
ничной точки между фазами паровой оболочки и пузырькового >
ния; Т — температура, близкая к границе между фазами пузырьке
кипения и обычного, т. е. близкая к температуре кипения охлаж
щей среды, определяющей одновременно температурную обл
ускоренного охлаждения; А — средний коэффициент теплооб)
в обычной фазе. Значение Q определяет упрочнение верхнего с
Т — глубину упрочнения, а А —деформации.
Основа метода QTA пояснена на рис. 2.25. На поверхности
так называемых термически тонких тел, в которых теплопроводн,
не тормозит теплопередачу через поверхность, плотность тепло)
потока пропорциональна скорости охлаждения. Из рисунка ви.
что метод QTA в отличие от метода Гроссмана учитывает значител
более быстрый теплообмен во время фазы пузырькового кипени:
также температурные пределы этой фазы (Г(—Г).
Для стабильного протекания процесса кипения (рис. 2.25
а также для упрощения подсчетов Вюннинг принял за Q среде
плотность теплового потока в температурной области от темпера^
закалки до 500 °C. Температура 500 °C близка точке Лейденфрс
Тс для большинства марок закалочных масел.
68
Рис. 2.25. Кривая скорости охл .ения в масле ци-
линдрического стального образца юверхностью чис-
той (о) и окисленной (б) ’ рихоьые линии—расчет
по модели QTA, сплиш ' — эксперимент [45]
Автор метода в работе [45] подсчитывал с помощью известного
дифференциального уравнения Фурье при принятых граничных усло-
виях и постоянных материала для стали [Х = 25 В/(см-К)] и удельной
теплоемкости в 4,5 МДж/(м3-К) время охлаждения стальных прутков
различных диаметров в отдельных фазах теплообмена, а также при-
водит в графической форме результаты этих расчетов.
Метод QTA позволяет определять профиль распределения темпе-
ратуры для простых геометрических деталей (прутков, плит,
шаров). В фазе паровой оболочки Трр и в начале обычного теплооб-
мена Тк разницу в температурах на поверхности и в середине прутка
А Т можно подсчитать из приближенных уравнений [45]:
А ТРР= 0,250(QIX);
А Тк = 0,250(Т-Тск1)А1Х,
где Tcht—температура охлаждающей среды.
В таблице 2.5 приведены приблизительные значения Q для масла,
а на рис. 2.26 и 2.27 сравниваются плотности теплового потока при
переменной температуре для типичных охлаждающих сред, а также
время охлаждения от 850 до 500 °C при различных диаметрах и
значениях.
В заключение рассуждений о возможной оптимальной скорости
охлаждения Вюннинг утверждает, что для сечений, не превышающих
100 мм, эта скорость в температурной области 800—500 °C или отве-
чающее этой скорости расстояние от торца образца Джомини 1 за-
висит только от Q и Г.
Выбор охлаждающей среды должен основываться на величине
' ’ в то время как Q и А в широкой области могут регулироваться
интенсивностью перемешивания охлаждающей среды.
Практическое определение Q в промышленных условиях подробно
описано в работе [46] и проводится с помощью эталонной кривой,
которая была получена путем измерения твердости на определенном
69
t,°c
500 -
ооо 7
300 (/
200 и
100
0 (средние значения до 500 °C)
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIHIIIIIIIII
llllllllllillllllllllllMIIIIIIIIM 1
1(111111111 \ 7
V
г
'А
т
♦
'1_______।________।________।_______
О 0,5 1,0 1,5 2,0
Плотность теплового потока, мвг/м2
о
20 00 60 80
Градиент температуры, к/мм
Рис. 2.26. Сравнение опр<
деленной с помощью пар
метров Q, Т и А охлажда!
щей способности воды (/
масла (2) и соляной ванн
(3) [45)
Рис. 2.27. Время охлаждения по
верхности прутков с 850 до 500 "С
в зависимости от их диаметра в ох
лаждающих средах со значениям!
<2 = 0,34-2 МВТ/м2 (цифры у кривых
[45]
ТАБЛИЦА 2.1
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ Q В МВТ/М2 ДЛЯ МАСЕЛ
ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ С 850 °C (45]
Интенсивность перемешивания, м/с Точка Лаидснфроста
500 °C 600 °C 700 °C
Слабая, <0,2 0,35 0,45 0,7
Средняя, 0,2—0,5 0,5 0,65 0,9
Сильная, 0,5—0,8 0,8 1 1,2
от поверхности расстоянии (0,7.0) на стандартном образце (рис. 2.28)
из стали с малой, но известной прокаливаемостью. Этот образец1
закаливается вместе с садкой в закалочной ванне, подлежащей оценке.'
На основе многочисленных испытаний авторы метода признали сталь
46Г2 (польский аналог 45Х) пригодной для образцов Q.
На рис. 2.29 приведена в качестве примера эталонная кривая
для образца диаметром 28 мм из стали 46Г2 с известной прокаливае-
70
2.28. Стан-
гный образец
определения
ности теплово-
потока Q[46]
2.29. Эталонная кри-
для определения вели-
। Q с помощью стай-
ного образца (см.
2.28). Сталь 46 Г2 из-
ной прокаливаемости
146]:
воздух; 2 — масло; 3 — вода
1ЛЯ п2пв°' КРИТ1,,,еское Время охлаждения (от 800 до 500 °C)
1ннии1 еРхности (штриховые линии) и середины (сплошные
' прутков в зависимости от Q. мВт/м2 и а, кВт/(м2 К)
[46]:
50 ’сТ" * ,ОИ со 100 ’С: e — закалка в масле с 300 "С, температура масла
(200 "С) с * сол|,нов ванне с 200 ’С; г — закалка в горячем масле
71
мостью, а также значения Q в зависимости от расстояния отЧ
образца Джомини.
Опуская подробности метода Q7/1, описанные в достаточной
пени в работах [45, 46], здесь приведем разработанные с его пом]
характеристики наиболее типичных охлаждающих сред (рис. 1
Этот метод позволяет решать многие практические проб)
как, например, оценить условия охлаждения в различных местам
ки и влияния различных технологических параметров, опреде]
условий охлаждения, требуемых для достижения заданной твер]
на определенных участках.
2.6.4. Метод температурного градиента Лишчича
В 1978 г. Лишчич предложил метод оценки охлаждающей способ!
закалочных ванн с помощью температурного градиента в ве|
слое стального образца диаметром 50 и длиной 200 мм [47]. В
дальнейших исследований и международного сотрудничества!
улучшены некоторые детали метода, которые описаны по состо
на 1983 г. в работе [48].
На рис. 2.31 приведен образец-зонд, разработанный ав)
метода при сотрудничестве с американской фирмой NONMAJ
и изготовленный этой фирмой. Основные характеристики этот]
разца:
диаметр 50 мм и длина 200 мм обеспечивают линейную (га
диусу) теплопередачу и независимость коэффициента этой т
передачи через поверхность в
фазе пузырькового кипения от ц.
Рис. 2.31. Образец-зонд из I
аустенитной стали (около 1
18% Сг + 9,5 % Ni) для |
определения охлаждающей '
способности закалочных |
сред с помощью темпера- ‘
турного градиента [48]:
/ — специальная термопара (хро- J
мель—алюмель) в соответствии с ]
патентом США (№ 2.8’29.185)'. 2 - 1
подповерхностная термопара
тсутствие фазовых превращений (аустенитная сталь) устраняет
их влияние на процесс охлаждения; '
их в труКция термоэлемента (плоские провода толщиной 0,03 мм,
К°" ванные миканитом и зажатые клиновыми элементами) позво-
изолирогенерировать поверхность с помощью наждачной бумаги и
ЛЯеиоовать ее после каждого испытания;
"0Л время реакции термоэлемента равно 10~5 с, а точность ее локали-
зации очень велика (±0,03 мм).
Величина т. э. д. с. после ее усиления передается к соответ-
твенно запрограммированному компьютеру, который в системе памя-
ти регистрирует температуру поверхности tp и на глубине 1,5 мм
/|0 с временными интервалами 0,01—4 с, 0,2—20 с и 1—500 с. Общее
количество замеров достигает 960. Собранные результаты измерений
могут быть превращены в различные функции и наблюдаться на
экранах монитора.
На рис. 2.32 и 2.33 показан ход температуры tp и (15 в зависи-
мости от времени,’а также плотность теплового потока q в функции
температуры поверхности зонда, охлаждаемого в спокойном масле
и перемещающегося снизу вверх со скоростью 1 м/с [48]. Из рисунка
2.32 можно также опреде ;ить градиент температуры А //А г в зави-
симости от времени, что необходимо при расчете термических напря-
жений. Отчетливо заметно влияние перемешивания масла на ско-
рость охлаждения и величину температурного градиента. На рис. 2.33
видны два максимума плотности теплового потока в спокойном масле
и три в движущемся масле. Это вытекает из наложения явлений по-
верхностного теплообмена и теплопроводности.
Метод температурного градиента позволяет экспериментально
определить действительную охлаждающую способность различных
охлаждающих сред в промышленных условиях, а также влияние раз-
личных технологических факторов на эту способность.
Т,С т,С
Рис. 2.32. Температура на поверхности tp и на глубине 1,5 мм
4,5 в зависимости от времени охлаждения образца-зонда в соот-
ветствии с рис. 2.31 |48):
~ » спокойном масле. 6 — в масле, циркулирующем со скоростью 1 м/с (48)
Q, ПВт/п-
Рис. 2.33. Плотность теплового потока на поверхности
образца-зонда (см. рис. 2.31) в зависимости от темпера-
туры поверхности tp во время охлаждения в спокойном
масле (а) и в .масле, циркулирующем со скоростью 1 м/с
(б) [48]
3. ВОДНЫЕ
------ ОХЛАЖДАЮЩИЕ СРЕДЫ
3.1. ВОДА КАК ЗАКАЛОЧНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ СРЕДА
3.1.1. Общая характеристика
Во времена, когда были известны исключительно лишь углероднсть
стали, вода была чуть ли не единственной закалочной охлаждающе
средой. В настоящее время технически чистая вода, обычно воде
проводная, применяется с успехом для закалки углеродистых и мал!
легированных сталей малой прокаливаемости, если изготовленные и
этих сталей металлические изделия, детали машин или инструмент
имеют простую и мало чувствительную к трещинам форму, а темп'
ратура и условия циркуляции воды отвечают определенным треб
ваниям.
Перед более детальной характеристикой преимуществ и недоста
ков воды как закалочной охлаждающей среды следует обратить вн,
манне на ее особые по сравнению с большинством других жидкости
физические и химические свойства. Наиболее характерной черт<
воды как охлаждающей среды, является ее исключительно высок!
охлаждающая способность, обусловленная в основном большим 'зна
чением теплоты испарения (2495,4 кДж/кг при О °C и 2253 кДж/кг nf
100 °C) и в определенной степени большой теплоемкость
[4,18 кДж/(М'К) при 15 °C]. В то же время теплопроводность вод,
[0.68 В/(м-К) при 20 °C] по сравнению с теплопроводностью металл
очень мала. Очень неблагоприятной по сравнению с охлаждающим
74
•подами является температура кипения воды. К важным
[иными ")СТВам воды относится легкость растворения много-
1ЧеС'<,1М неорганических соединений (солей, щелочей, кислот) и
ениых ( такжс Газов. С химической точки зрения существенна
нических-ь(|ость поды при контакте с нагретыми до температур
<е ст‘ талями а также легкость ее коррозионного воздействия
оверхДность стальных изделий.
R помышпенной практике важными преимуществами воды явля-
b невозгораемость, малая стоимость, невредность для здоровья;
' бствует отслаиванию окалины, не наносит вред окружающей
юде после попадания в стоки.
Кооме приведенных преимуществ водяная охлаждающая среда
/также н много существенных недостатков. Важнейшими из
являются: не отвечающее кинетике фазовых превращений рас-
еление скорости охлаждения в зависимости от температуры
рхиости, чрезмерно низко расположенная температурная область
[рькового кипения (около 380 —100 °C), вследствие чего макси-
ма,, скорость охлаждения совпадает для большинства марок
и с областью мартенситного превращения, что вызывает большие
ктуриые напряжения, деформации и опасность возникновения
щи. Паровая оболочка, образующаяся при температурах выше
ературы начала пузырькового кипения, очень нестабильна. Это
юдит к большому колебанию скорости охлаждения в этой фазе
результате к термическим напряжениям, деформации и образова-
мягких пятен. Дальнейшим неприятн -м свойством воды является
ительная зависимость охлаждающей способности от темпера-
I, интенсивности движения и загрязняющих примесей. Эти завн-
1сти более подробно рассмотрены в дальнейших разделах этой
ы.
. Влияние температуры воды на ее охлаждающую способность
На рис. 3.1. приведены кривые скорости охлаждения серебряного
|ка диаметром 20 мм в спокойной и протекающей со скоро-
0,25 м/с мягкой воде с разной температурой.
При температуре воды 20 °C фаза паровой рубашки соответствует
ературной области 800—300 °C, а скорость охлаждения довольно
ка (около 180 К/с). хотя и значительно меньше, чем в фазе
рькового кипения. Эта большая скорость охлаждения во всех
х делает невозможной или затрудняет закалку деталей в раз-
ых по размерам сечениях.
- повышением температуры воды область фазы паровой подушки
ичивается вплоть до температуры около 200 °C при температуре
близкой к точке кипения. Скорость охлаждения во время этой
'• а также и во время пузырчатого кипения резко падает с
’шепнем температуры воды, а максимум скорости охлаждения
мещается к более низким температурам. На рис. 3.2 приведена
.няя относительная скорость охлаждения поверхности деталей
исимости от температуры воды.
Рассмотренных зависимостей вытекает, что с повышением
каю УРЫ водь| скорость охлаждения и термические напряжения
1В;1„ТСЯ' 110 структурные напряжения возрастают. Поэтому уве-
т ся также и опасность образования трещин, что подтверж-
3 Н3 закалочной практики. В случае циркулирующей воды
и, д’ ’ повышение температуры приводит, кроме того, к
чительной и обычно локально проявляющейся разнице в
75
v,K/c
Рис. 3.1. Скорость охлаждения середины серебряного шарика диак
ром 20 мм в мягкой воде при различной температуре (цифры у .к
вых [49):
а — спокойная вода; б — циркулирующая со скоростью 0,25 м/с
скорости охлаждения в фазе паровой .рубашки, что вызывает ®1
зование мягких пятен и деформаций. Поэтому регулирование ско
сти охлаждения в воде с помощью ее температуры не может Ф
использовано на практике.
На практике чаще всего используется вода с температуройЧ'
25 "С, лишь иногда температура может оказаться несколько W
или несколько выше от приведенной температурной области. В сЛ
отсутствия достаточно интенсивной циркуляции воды и перемен! ’
76
немого предмета, как и сложных форм и шероховатой поверх-
о.хЛа>к'*‘та<лей, следует считаться с возможностью локального повы-
цости Дтсмпературы воды вблизи поверхности, даже до 100 °C.
и*еН1п>счедние исследования американских ученых по влиянию тем-
ры и циркуляций охлаждающих сред различных видов (в том
перат>н ы) на скорость охлаждения в середине прутков из аусте-
qiic-’eстали, а также на коэффициент интенсивности охлаждения
н11Тг<>оссмаиу [50] подтвердили результаты значительно более старых
1,0 едованнй, проведенных с помощью других методов. На рис. 3.3
||ССдС\ены результаты исследования влияния температуры воды на
"Ярость охлаждения середины прутков диаметром 38 мм. Коэффи-
сК°рт Гроссмана достигал при температуре воды 70 °C 0,2; 65 °C—
п7 50 °C—1,5, 30 °C — 2,1. Из рис. 3.3 следует, что лишь при-
рмпературе воды 70 "С наблюдалось заметное влияние фазы паровой
подушки на скорость охлаждения в середине прутка.
в середине прутка.
Рис. 3.3. Скорости охлаждения
середины прутка диаметром 38 мм
аустенитной стали в цирку-
лирующей со скоростью 0,45 м/с
различной температурой (цифры
у кривых) [50]
3.1.3. Влияние интенсивности циркуляции
Из сравнения рис. 3.1, а и б следует, что относительное перемещение
воды и охлаждаемой в ней детали увеличивает скорость охлаждения
в фазе паровой подушки и тем самым повышает равномерность
охлаждения. Это объясняется повышенной скоростью конденсации
вара, уменьшением толщины паровой подушки и испарением новых
"орцин воды. В то же время влияние циркуляции на максимальную
скорость охлаждения при практически используемых температурах
невелико. Из практики известно, что движение охлаждающей среды
или охлаждаемого предмета приводит к уменьшению разброса твердо-
сти (табл. 3.1), а также деформаций и трещи-н.
Исследование влияния циркуляции воды с температурой 50 и
"С на коэффициент интенсивности охлаждения Н в работе [50|
показало, что с повышением скорости циркуляции Н значительно
позрастает (табл. 3.2).
Значительно более заметное влияние, чем в случае масляных
охлаждающих сред, оказывают температура и циркуляция воды на
се охлаждающую способность, а также на стабильность паровой по-
77
душки, вследствие чего эту среду не применяют для закалки детал
сложной формы и с глухими отверстиями, так как они замедля|
циркуляцию жидкости, приводя к локальному росту температур
Эти обстоятельства вызывают деформацию, трещины, разброс тве
дости и мягкие пятна. Это относится и к садке, составленной да*
из деталей очень простой формы, не уложенных чрезмерно плот-
или в корзины несоответствующей формы.
ТАБЛИЦА
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ воды
НА ТВЕРДОСТЬ ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ОБРАЗЦОВ
ДИАМЕТРОМ 12 ММ [49]
Скорость циркуляции, м/с
Твердость HRC образцов из стали
4Ь
ЧОХ
Н12
0
0,5
1,0
55—60
57-60
59—62
52—56
52—57
58-60
>48—65
60—64
63—66
ТАБЛИЦА 1
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ воды
НА КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ И
ПРУТКОВ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ [50|
Диаметр прутков Температура воды, °C Скорость циркуляции, м/с Величина Я, мм—1
38 50 0 20,3
0,4 38,6
51 0.8 50,0
70 0 5,0
0,55 12,2
1,0 13,0
3.1.4. Влияние загрязнений
Даже очень малые содержания растворимых в воде веществ ил»
образующие с ней взвеси приводят к большим изменениям в кинетике
охлаждения по сравнению с дистиллированной водой или дождевой
Самым значительным является влияние загрязнений на стойкость па-
ровой подушки. С этой точки зрения загрязнения могут быть разде-
лены на две группы: увеличивающие и уменьшающие эту стойкость.
К первой группе относятся вещества твердые, жидкие и газооб-
разные. растворимые или мало растворимые в воде. Твердые вещества
(например, керамические частицы, сажа) и жидкие (жиры, мыла,
желатины) образуют взвеси или эмульсии, которые как поверхностно-
активные компоненты способствуют образованию пара и тормозят
его конденсацию. Благодаря этому стойкость паровой подушки и
температура ее исчезновения снижаются. Особенно сильно действуют
в этом направлении масла и .мыло. Однако одновременно при этом
увеличивается неравномерность охлаждения и связанные с ней от
рицательные явления (мягкие пятна, деформации). Подобным образом
78
но слабее, влияют газы, из которых СО2 наиболее заметно увеличивает
стойкость паровой подушки н тем самым уменьшает скорость охлаж-
дения. Прокипяченная вода или вода, использованная для закалки,
о течение длительного времени дает лучшую воспроизводимость ре-
зультатов (меньший разброс твердости), чем свежая вода. Поэтому
н'е рекомендуется перемешивать воду с помощью сжатого воздуха,
в особенности в резервуарах малой емкости.
Соли, кислоты и щелочи, растворенные в воде, повышают ее
охлаждающую способность в результате уменьшения стойкости па-
ровой подушки, а при соответствующей концентрации этих соединений
происходит полное уничтожение паровой подушки. Опуская более де-
тальное выяснение механизма влияния неорганических соединений,
образующих электролиты, на кинетику охлаждения, следует помнить,
что при образовании слоя соли, щелочи или продуктов реакции с
кислотами на поверхности металла снижается температура наружной
поверхности этого слоя до уровня критической температуры. В ре-
зультате этого пузырьковое кипение начинается при более высокой
температуре металлической поверхности. Существуют также и другие
объяснения влияния содержания неорганических соединений в воде.
3.2. ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ
И ЩЕЛОЧЕЙ
В предыдущем разделе было установлено, что даже очень малое
содержание соли, щелочей и кислот, растворенных в воде, заметно
изменяет ее термокинетические свойства. Это явление использовано
путем добавки значительных количеств соли или щелочей с целью
уменьшения или устранения многих неблагоприятных свойств техни-
чески чистой воды как закалочной охлаждающей среды. Для растворов
этого вида в промышленной терминологии принято название соляные
растворы.
Наиболее широкое применение нашла одна или в соединении
с другими солями добавка хлористого натрия NaCl (пищевая соль).
На рис. 3.4 показано влияние концентрации раствора хлорида натрия
на скорость охлаждения в зависимости от температуры. Как видно
из рис. 3.4, увеличение содержания соли до ~10% приводит, в первую
очередь, к сужению температурной области паровой подушки, а затем
и к полному ее уничтожению, а также внезапному росту скорости
охлаждения во всей температурной области. Дальнейшее увеличение
концентрации раствора свыше 10% приводит к снижению скорости
охлаждения. На практике наиболее часто применяют концентрацию
5-10%.
Влияние, подобное описанному, оказывают и другие соли и щело-
чи, в то время как влияние кислот слабее. Это вытекает из данных,
приведенных в табл. 3.3. Наибольшую скорость охлаждения можно
Достигнуть в растворе натриевой щелочи уже при концентрации
2,5 —5%, но хлорид натрия более безопасен в эксплуатации и дешевле.
В растворах хлорида кальция с концентрацией 5—20 % получают
практически те же скорости охлаждения, что и в растворах хлорида
Натрия, в то время как растворы карбоната натрия охлаждают не-
сколько мягче.
К основным преимуществам соляных ванн по сравнению с водой
°тносят:
значительно меньшее влияние температуры раствора на скорость
охлаждения во всем температурном диапазоне охлаждения, благодаря
79
чему допускается температура раствора до 50 °C. а в случае стали
с повышенной прокалнваемостыо даже до 70 °C;
•
Рис. 3.4. Скорости охлаждения
середины серебряного шарика
диаметром 20 мм в водных раст-
ворах хлористого натрия различ-
ной концентрации (цифры у кри-
вых) [49]
Т&'лииА 3.3
СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕРЕДИНЫ ПРУТКА
ДИАМЕТРОМ 12,7 ММ ИЗ СТАЛИ С 0,95 % С
В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ЩЕЛОЧЕЙ И КИСЛОТ
В ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБЛАСТИ 880—730 °C [22]
Водный раствор
Концентрация, °/0
Скорость охлаждения,
К/с
Вода 0 102—120
Хлорид натрия 5 170
10 125
Хлорид кальция $ 170
10 193
20 170
Карбонат натрия 10 170
Гидроксид натрия 2,5 195
5,0 202
11,5 202
16,5 207
Соляная кислота 5.0 153
20,0 100
Серная кислота . 5-20 143—150
снижение возможности образования мягких пятен и больших де*
формаций, а также трещин;
слабое влияние циркуляции ванны на ее охлаждающую способ-
ность;
80
уменьшение или устранение фазы паровой подушки, что повышает
^мерность охлаждения даже при мелкой садке плотноупакован-
деталей, что тем самым снижает разброс твердости.
^Последнее из приведенных преимуществ схематически показано
_Ис. 3.5. Влияние малых концентраций соли в воде на ее охлаж-
Lmyio способность (раздел 3.1.4) объясняют несколько иначе, хотя
\анизм, показанный на рис. 3.5, также очень правдоподобен. В со-
-етствии с этим механизмом гидратированные кристаллики соли,
•евшие на поверхности, приводят к микровзрывному выделению
"ксталлизационной воды под влиянием нагрева от металла, раз-
дают паровую подушку и облегчают зародышеобразование паровых
дырьков. В результате этого процесса сокращается или полностью
^чезает фаза паровой подушки, а ее место занимает пузырьковое
«пение. Одновременно процесс этого рода предупреждает образова-
‘е паровых подушек в вогнутостях поверхности или в средней части
«док. состоящих из мелко и близко расположенных друг от друга
[егалей.
врепя
3.5. Схема механизма влияния добавки соли к воде на расширение
фазы пузырькового кипения в направлении более высоких темпера-
тур [51]’:
— начало охлаждения; б — выделение гидрированных кристаллов соли на поверхности;
расширение паровой подушки путем выделения кристаллизационной воды;
г — пузырьковое кипение
Кроме ранее описанных существенных преимуществ, соляные
*анны имеют много недостатков, что вызывает определенные трудно-
сти. Основными их недостатками являются:
необходимость обеспечения ванн и всей установки для охлажде-
’Ия (трубопроводы, насосы) антикоррозионной защитой ИЛИ изгог
5 Зак. 3245 81
товления установок из коррозионностойкой стали (это не относ.
к некоторым соляным смесям с добавкой ингибиторов коррозии?
над ванной необходимо устанавливать вытяжку с целью обе
чения защиты обслуживающего персонала и близлежащих устав?
от вредного влияния соляных паров;
большие по сравнению с водой материальные и трудовые зате
(подготовка растворов и систематический контроль их концентрац
при использовании некоторых растворов, например, гидрок'
натрия, селитровой соли и иногда применяемых цианистых доба?
возрастает опасность отравления и пожара и, кроме того, необход
нейтрализация сточных вод.
Кроме растворов химического состава, приведенного в табл,
применяются и другие растворы, содержащие смеси солей и доба,
например, ингибиторы коррозии.
Однако самое широкое распространение нашли растворы хлог
натрия с концентрацией 2—20 % (мае.). Эту концентрацию -
удобно контролировать путем измерения плотности
(табл. 3.4).
наибе,
раств.
3.4
ТА БЛИЦА
ПЛОТНОСТЬ РАСТВОРОВ ХЛОРИДА НАТРИЯ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ СОДЕРЖАНИЯ
Содержание, % (по массе) Плотность, г/моль Концентрация, °Ве
2 1,0125 1,8
4 1,0268 3,8
6 1,0413 5,8
8 1,0559 7,7
10 1,0707 9,6
12 1,0857 11,5
14 1,1009 13,3
16 1,1162 15,1
18 1,1319 16,9
20 1,1478 18,7
В СССР рекомендуют также 5—7 %-ный водный раствор КМл!
Его охлаждающая способность находится посередине между охл;'
дающей способностью воды и масла, причем особое его преимуик
во — это довольно медленное охлаждение в области низких тек'
ратур. ]
В Китае [52] также довольно широко применяются водные раст-
ры неорганических солей, в том числе пересыщенный раствор со® 1аИание
селитры (25 %NaNOs+20 %NaNO2+20 %KNO3+35 %Н2О), pacts
СаС12 плотности 1,38—1,45 г/моль (38—60 % CaCI), а та»
30 %-ный раствор смеси, содержащий 49 % ZnCl2 + 49 % NaOH+2
мыльного порошка.
На рис. 3.6 приведены кривые охлаждения в растворе соли сели®;
в сравнении с маслом и водой. В этом растворе, как и в дрУг'
растворах, содержащих окисляющие соединения, не могут зака-
ваться детали, предварительно нагретые в соляных ваннах, соДе
жащих цианиды, так пак это грозит взрывом. В растворе хлор11;
натрия приведенного состава рекомендуется закаливать предме-
^Васал
^варапид
1!1ВаРапид F
нс 3.6. Скорости охлаждения
(ребряного шарика диаметром
фим в воде (/); масле (2); пе-
Снасыщенном водном растворе
селитры (3) [52]
и углеродистых конструкционных и инструментальных сталей с
змьшим перепадом сечений и сложной формы. Для этой цели может
йть использована также и охлаждающая среда, содержащая хлорид
инка, натриевую щелочь и мыльный порошок (состав приведен выше),
югорые составляют молочную эмульсию. Эта охлаждающая среда
(беспечивает высокую твердость, небольшую деформацию и чистую
сребристую поверхность.
В странах Западной Европы обычно применяют готовые смеси
влей с добавками ингибиторов с разлиными фирменными названия-
и и химическим составом, приспособленных для определенного ис-
юльзования. В табл. 3.5 приведена в качестве примера общая ха-
актеристика этого вида солей, производимых фирмой «Хоугтон»
]ФРГ).
В США неорганические препараты, предназначенные для изготов-
ения водных закалочных растворов, производятся многочисленными
I 'нрмами.
ТАБЛИЦА 3.5
СМЕСИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЛЕИ, РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ФИРМОЙ «ХОУГТОН»
В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ВОДЕ В КОЛИЧЕСТВЕ 10-15%
(ТЕМПЕРАТУРА ВАННЫ 20—65 °C)
Присутствие Поверхность
цианистых Антикоррозион- Нейтралиаация после закал.
соней/ пая защипа ки с наГреаом
солей селитры поверхности без окисления
-1-/— Умеренно Нужна Серебристо-белая
хорошая
—/+ Очень Нет, при Голубая
хорошая достаточном
разбавлении
—I— Хорошая То же Серая
83
82
3.3. ВОДНО-МАСЛЯНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
Уже в течение нескольких десятилетий ведутся изыскания охлаждг
щей среды с промежуточной (между маслом и водой) охлаждг
щей способностью путем образования водно-масляиой эмульсии. Q ,||С
здание такой эмульсии требует соответствующего сорта масла,
также добавки небольших количеств веществ, уменьшающих повер .а'
постное натяжение с целью повышения стабильности эмульсии, я
предупреждающих расслоение нерастворимых друг в друге вещее
Большое количество исследований по термодинамическим свойств^
водно-масляных эмульсий показало, однако, что г
практического использования очень ограничены.
возможности , i’C;
;,V3.8. Скорости охлаждения
’"редины цилиндрического образ-
. диаметром 12,7 мм из аусте-
! нитной стали 18—8 [22]:
вода, 25 “С; 2 — обычное масло, 25 °C;
эмульсия, • содержащая 10 % масла,
4 — эмульсия, содержащая
Ю7с масла, 50 °C
Рис. 3.7. Скорости
охлаждения сереб-
ряного шарика диа-
метром 20 мм в
водно - масляной
эмульсии с содер-
жанием масла 3—
30% (цифры у кри-
вых) [49]
хрупкости. Водно-масляные эмульсии раньше (перед открытием по-
днмерных охлаждающих сред) довольно широко применялись для
ихлаждения душем при индукционной или пламенной поверхностной
)акалке. При этом способе охлаждения паровая подушка подверга-
йся механическому разрыву струей охлаждающей среды повышенного
давления.
В работе [34] автор сравнивал термокинетические свойства раз-
умных охлаждающих водных сред, в том числе и водно-масляных
авульсий при охлаждении погружением и душем. Из рис. 3.9 следует,
что скорость охлаждения при душировании эмульсией значительно
веныие, чем водой, однако при охлаждении погружением пузырьковое
кипение и тем самым и большая скорость охлаждения сохраняется,
как и в воде, в опасной температурной области мартенситного превра-
щения. С этой точки зрения,
а
На рис.
охлаждения
подушки, во
показано влияние содержания масла на
с корсс
паре:
3.7
по Розе [27]. Как видно из рисунка фаза
время которой скорость охлаждения значительно меньь
чем в этой же фазе в воде, сохраняется до очень низких темпе}®!
если содержание масла превышает 10 %. Кроме того, из пракп
закалки погружением вытекает, что паровая подушка очень нес'
бильная, что вызывает известные неблагоприятные явления (миг-
пятна, деформации, трещины). При средних и низких температ)'!
скорость охлаждения в эмульсии мало отличается от воды. Повыше'
температуры эмульсионной ванны больше, чем водяной ванны, вл#
на уменьшение скорости охлаждения, а также на неравномерна
охлаждения. I lie. ~ ; -
На рис. 3.8, взятом из [22], наглядно показана очень замет* «лажденкщ
разница в кинетике охлаждения в воде, обычном масле, а та* ’Пылением
в эмульсии, содержащей 10 % масла. Две температуры (25 и 50 8 1Vlra „ wnnull « из
этой последней среды отчетливо показывают заметное влияние эт- >-Тава Х20Н80 в воде и эмуль-
параметра на скорость охлаждения. I |ь
Из приведенной характеристики следует, что применение воД:
масляной эмульсии не может быть рекомендовано для закалки
гружением, за исключением немногочисленных специальных случ8‘
Эта охлаждающая среда иногда применяется для охлаждения Ж*1
высокого отпуска деталей из сталей, чувствительных к отпуск
3.9. Сравнение скоростей
погружением и
образца диамет-
мм и длиной 24 мм из
------- „
содержащей 5 % масла
[34] :
(^’’ажлеиие погружением в
2 охлаждение разбрызги-
ванием водяной эмульсии
также в связи с термическим разло-
0 2 4 6 8 10 12 т
85
84
последнее время водно-масля^ 4.1- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
жением эмульсирующих ма>ел, в i
эмульсии были почти полностью вытеснены синтетическими oxjigj
дающими средами. Малая сопротивляемость эмульсирующих мае-,
термическому удару приводит к локальному образованию <
к неравномерному охлаждению. м
осадков
3.4. ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ ПОЛИМЕРОВ
Вода и минеральные масла в течение многих десятилетий являла
наиболее распространенными закалочными охлаждающими средам
Однако их технологические свойства настолько различны, что £
могут быть признаны отвечающими требованиям сегодняшнего дц,
только в строго ограниченных случаях применения. Очень ограв;
ченная область применения воды и растворов неорганических сое®
нений (так называемых солей) охарактеризована подробно в раздел;
3.1 и 3.2. Всестороннее описание масел, применяющихся в настояв^
время, приведено в главе 4. Следовательно, здесь для обоснована
целесообразности введения в технологию термической обработки в щ.
следние два десятилетия третьей группы охлаждающих сред, состоя
щих из водных растворов синтетических полимерных соединений,®,
статочно упомянуть только те недостатки масел, которые создав
целесообразность применения полимерных охлаждающих сред. К тг
ким существенным недостаткам закалочных масел относятся:
недостаточная скорость охлаждения в области температур мин:
мальной стойкости переохлажденного аустенита для некоторых мар
стали, в основном углеродистых, а также малолегированных пр!
больших сечениях;
возгораемость, а также выделение вредных паров и газов Ей
обслуживающего персонала;
довольно большой расход за счет выноса с садкой и повышенм:
испарение;
необходимость мытья в щелочных растворах и связанная с эти1
организация нейтрализации стоков.
В связи с существенными недостатками и ограничениями «<
применению масел и воды давно уже изыскиваются новые охлаждая
щие среды со следующими свойствами:
охлаждающая способность в температурной области перлитной
превращения должна быть выше, чем у минеральных масел;
охлаждающая способность в области температур мартенситной
превращения должна быть близкой к охлаждающей способности масе.'
нейтральность и безвредность для обслуживающего персона.’1
природной среды.
Многочисленные исследования, проведенные во многих стран*
течение последних 30 лет, показали, что перечисленные требовав^'
свойствам можно получить, применяя водные растворы некотд®
соединений полимеров. Таким образом, возникла новая многочислен
ная группа охлаждающих сред с различными свойствами. Полиме?
являются химическими соединениями, состоящими из длинных це”с
чек (макрочастиц), образованных в результате соединения одинаков^
или различных микрочастиц, называемых мономерами. Этого роД
реакция носит название полимеризации. Физико-химические свойсТ*1
полимеров определяются как химическим строением мономеров, та’
и способом их синтеза. Различают полимеры натуральные (наприме?
и
в
к
крахмал) и синтетические, называемые также синтетическими вейе iacio
ОТПЯМЫ Пппимрпм млгмт nnu точпопотипо млыпК*-
ствами. Полимеры могут при комнатной температуре быть жид*1
стями или твердыми телами, аморфными или кристаллическими. I
вЫе охлаждающие среды этого типа были получены в США и
-ЩИИ в пятидесятых годах. Они были основаны на поливиниловом
; как главной составляющей, стимулирующей охлаждающую
‘дробность и содержащей противопенные добавки, бактериоуничто-
aiouine Добавки, а также ингибиторы коррозии. Во Франции эта
!.1аждаюш.ая среда производится фирмой «Sophos» и носит название
\.атремпе 10. В более позднее время было разработано много других
'^аждающих сред, содержащих крупные частицы полимерных со-
мнений. Колетц [53] систематизировал все доступные на амери-
яцском рынке полимерные охлаждающие среды, деля их на пять
“пов (табл. 3.6). Все эти охлаждающие среды были предназначены
,и для замены масел с целью устранения их недостатков (возгорае-
мость. дымность, загрязнение среды) или для заполнения области
(йнду водой и маслом по охлаждающей способности, что расширяет
^пользование экономных марок стали с ограниченной возможностью
Малки в воде и масле. Термокинетические кривые полимерных охлаж-
уюших сред могут быть очень различными (рис. 3.10), но их про-
межуточная охлаждающая способность между маслом и водой про-
гнется отчетливо.
ас. 3.10. Скорости охлажде-
ая середины серебряного ша-
диаметром 20 мм [54] :
' В дистиллированной воде; 2 — в
^:гроохлаждающем масле; остальные
в различных водных раство-
х полимеров с концентрацией 5 % при
температуре 20 °C
Охлаждающие среды типа PVA применялись и иногда применяют-
под душем,
в настоящее время как для поверхностной
в настоящее время как для поверхностной закалки под душем,
9к и для объемной закалки путем погружения. Даже при малых
’"Иентрациях (около 2—4%), а следовательно, и малой стоимости
Ни имеют в температурной области 800—300 °C скорость охлажде-
1>я значительно меньшую, мем вода, и значительно большую, чем
-. Д сожалению, значительно более высокая скорость охлажде-
"й. чем в случае масла, сохраняется и при более низких темпера-
87
86
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ПОЛИМЕРНЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД ц.
Тип полимера
Характеристика полимера пол ивнниловый спирт ПОЛИВИНИЛОВЫЙ спирт + ПОЛПГЛЩ, оксиалкилоный
Сокращенное название PVA PVA + GLY '
Массовая доля в концентрате, % 16 12
Растворимость в воде Нормальная Нормальная
Вид вещества после испарения Твердое Твердое
Кинематическая вязкость хрупкое пластичное
концентрата при 37,8 °C, мм2/с 10000 890
Кинематическая вязкость водного
раствора при 37,8 °C, мм2/с*:
30%-но го 25,5 5,2
20%-но го 8,4 2,7
10%-но го 2,4 1,4
5%-ного 1,3 1,0
• Вязкость закалочных масел в среднем равна 14—23 мм’/с.
турах, чем 300 °C, т. е. в области мартенситного превращения. Э:
основной технологический недостаток относится не только к охла-
дающим средам типа PVA, но и в большей или меньшей степе
ко всем охлаждающим водяным средам. Это объясняется значитеЖ
более низкой температурой кипения этих охлаждающих сред г
сравнению с маслами. С этой точки зрения считают, что полимервь'
охлаждающие среды не могут сравниться с маслами по влияв?
на деформации и трещины, а тем самым не могут полностью зав?
нить масла. Только в 1983 г. английская фирма «Ваугхен» ре
работала охлаждающую среду под названием Полимер АСР, крив?1
охлаждения которой приближается к кривой для масел.
Механизм влияния поливинильного спирта на кинетику охлаж.
ния заключается в протекании на поверхности детали процесса г
димеризации. Образованный слой полимерных соединений при вЫ-
ких температурах снижает скорость охлаждения, после чего »'
уничтожается, или уменьшает свою толщину. Степень этого влияь
зависит от концентрации раствора. Это создает возможное
легкого регулирования скорости охлаждения и является одним 1
центральных преимуществ всей группы полимерных охлаждаюш:
сред.
Охлаждающие среды типа PVA, несмотря на многочисленные nf
имущества, характеризуются определенными и существенными неЛ
статками, в результате которых область их применения в послед1'"
годы значительно сузилась, а в некоторых странах даже запрете
88
ТАБЛИЦА 3.6
1 натриевый поликрилан
оке нал к иловый гликоль полней нилоп ирроилиди н
GLY PVP ACR
40—60 10 10
Обратима Нормальная Нормальная
Липкая Твердое Твердое
ЖИДКОСТЬ хрупкое хрупкое
300—550 10,6 555
8,7—11,5 2,6 51
4,4—5,3 1,7 31
1,9—2,2 1,1 16
1,1 —1,3 0,9- 9
их производство. Этими недостатками, кроме упомянутой уже большой
скорости охлаждения при низких температурах, являются:
трудноустранимый с поверхности изделий, а также труб и стенок
резервуаров слой полимеризованных резиноподобных соединений;
термическое разложение этих соединений приводит к
образованию уксусной кислоты, которая вызывает коррозию и требует
нейтрализации [54], и, кроме того, вызывает неконтролируемые из-
менения охлаждающей способности.
Охлаждающие среды типа GLY уже применяют около 20 лет
и в настоящее время они используются чаще всего. Их механизм
влияния на скорость охлаждения несколько другой, чем охлаждаю-
щих сред PVA, так как полигликоли в отличие от остальных полиме-
ров характеризуются так называемой обратной растворимостью. Это
свойство заключается в том, что при температурах выше 80 °C эти
полимеры в воде нерастворимы и в результате этого поверхность
охлаждаемых деталей покрывается сначала слоем полимера, тормо-
зящего теплообмен, а после снижения температуры охлаждающей
среды в непосредственном соседстве с этой поверхностью наступает
вновь растворение полимера. В области образования полимерного
покрытия теплообмен замедлен, в то же время повторное растворение
полимера вызывает процесс пузырькового кипения и радикально
ускоряет теплообмен. Следовательно, в нижней температурной области
эти охлаждающие среды также имеют очень высокую скорость ох-
лаждения.
89
На рис. 3.11 показан характер кривых скоростей охлаждения
в растворах типа GLY по сравнению с водой. Отчетливо видны два
максимума на кривых, из которых первый — значительно больший —
расположен в желаемой температурной области 450—650 °C, в то
время как другой расположен в неблагоприятном месте при 200—
300 °C, причем он тем слабее проявляется, чем больше концентра-
ция раствора.
Рис. 3.11. Скорости охлаж-
дения середины серебряно-
го шарика диаметром 20 мм
в воде(1) и в растворах
полигликоля (2) [54]
Некоторые промышленные марки охлаждающих сред содержат
как поливинильный спирт, так и полигликоль (охлаждающие среды
типа PVA—QLY). Смешивая эти соединения в различных соотноше-
ниях, можно модифицировать термокинетические свойства растворов
в желаемом направлении, т. е. в основном в направлении уменьшения
скорости охлаждения в нижней температурной области или изменения
температурной области пузырькового кипения.
Охлаждающие среды, содержащие поливинилопирролидол как
основную составляющую (тип PVP), производит американская фирма
«Парк Камикал Ко» в Детройте. В соответствии с техническим бюл-
летенем F -11 фирмы химический состав охлаждающей среды подобран-
таким образом, чтобы скорость охлаждения в верхней температурной
области была больше, а в нижней меньше по сравнению с охлаждаю-
щими средами типа GLY. В упомянутом бюллетене сообщается, что
индукционная закалка в воде валов диаметром 50 мм из стали, содер-
жащей около 0,5°/<£, позволяет получить твердость 64—65 HRC, но
валы при этом разрушаются, в то время как применение приведенной
охлаждающей среды с концентрацией 10% дает такую же твердость,
но без трещин. Науглероженпые детали из стали SAE 4140 (польский
аналог 40ХМ) после закалки в 15%-ной охлаждающей среде имеют
твердость 64—65 % HRC без трещин , после закалки в воде твердость
такая же, но детали имеют трещины, в то время как после закалки
в быстроохлаждающем масле получают твердость только 57—58HRC.
При концентрации 15—20 % рассмотренная охлаждающая среда по
данным фирмы-производителя может заменить масло.
В 1978 г. разработана и запатентована в США новая полимерная
охлаждающая среда, основной составляющей которой является по-
90
лиакрилат натрия (тип ACR в табл. 3.6). Этот продукт заметно
отличается от всех ранее разработанных полимерных охлаждающих
сред как по механизму влияния па кинетику охлаждения, так и свой-
ствами, что и определяет ее применение. Как приведено в табл. 3.6,
V охлаждающие среды типа ACR имеют значительно более высокую
вязкость по сравнению с другими водными охлаждающими средами,
а при концентрациях, превышающих 10% даже с минеральными
маслами. Благодаря этому и другим физико-химическим свойствам
полимеров типа ACR на поверхности охлажденных деталей не об-
разуется слой полимерных соединений, а лишь большей стабилизации
подвергается фаза паровой подушки. При концентрации около 20 %
и больше эта фаза сохраняется во всем температурном диапазоне
охлаждения.
На рис. 3.12 приведены кривые охлаждения растворов ACR с
концентрацией 2,5—20 % в сравнении с кривыми охлаждения водо-
проводной воды, а также быстроохлаждающего масла. Как видно из
приведенных графиков, при концентрациях, превышающих 5 %,
растворы ACR охлаждают значительно медленнее, чем масла вплоть
до температуры 200 °C, в то время как при более низких темпера-
турах масло охлаждает определенно медленнее. Скорость охлаждения
вплоть до температуры 200 °C почти постоянная и только при малых
концентрациях (ниже 5 %) ведет себя аналогично с другими водными
охлаждающими средами. Описанная охлаждающая среда производится
в США и некоторых западноевропейских странах.
Рис. 3.12. Скорости охлаждения
середины образца диаметром
10 мм и длиной 60 мм из аусте-
нитной стали в воде, масле и
растворах полиакрилата натрия
с концентрациями 2,5—10% при
температуре 27 °C. Ламинарное
течение среды 0,2 м/с [53] :
1 — вода; 2 — масло; 3 — ACR, 25 %; 4 —
ACR, 5 %; 5 — ACR, 10 %; 6 - ACR. 20 %
Из приведенных на рис. 3.12 кривых охлаждения вытекает об-
ласть применения растворов ACR. Прежде всего и чаще всего они
находят применение в тех случаях, где целью ставится получение
структуры мелкодисперсного перлита, возможно с примесью бейнита.
Следовательно, это среды не для закалки на мартенсит. Для марок
стали с высокой прокаливаемостью, а также при концентрациях около
5% или меньших, эти растворы могут быть использованы также для
закалки на мартенсит. Однако в этом случае они не проявляют
91
заметных преимуществ по сравнению с другими полимерными охлаж-
дающими средами и даже благодаря малой скорости охлаждения
в верхней температурной области следует признать, что они менее
пригодны для этих целей.
Конкретные и довольно многочисленные примеры промышленного
применения охлаждающей среды типа ACR, а также описание возни-
кающих при этом экономических выгод можно найти в работе [53].
Здесь достаточно упомянуть, что это могут быть операции охлажде-
ния различных поковок для автомобильной промышленности: прямо
с температуры ковки рессорных полос, приводных валов, некоторых
типов зубчатых шестерен, межоперационного охлаждения глубоко
науглероженных деталей (например, крупногабаритных деталей под-
шипников), патентирование проволоки и т. д. Основы патентирования
проволоки с использованием охлаждающей среды ACR вместо свин-
цовой или соляной ванны иллюстрируются на рис. 3.13, а результаты
применения этой технологии приведены в работе [55].
Г
Рис. 3.13. Схема патентирования проволоки в полимерной охлаждаю-
щей среде типа ACR;
а — зависимость температуры от времени; б — схема устройства; / — раствор 2О°/о ACR.
60 *'С; 2 — аустенизация; 3 — РЬ или соль, 540 4 — воздух. 480 *С; 5 — разбрызгива-
ние воды; 6 — печь
На рис. 3.14 дано сравнение охлаждающей способности описан-
ных видов полимерных охлаждающих сред с той же 20 0/0-ной кон-
центрацией и с охлаждающей способностью воды и масла. Можно
Рис. 3.14. Сравнение кривых ох-
лаждения середины образца диа-
метром 10 и длиной 60 мм из
аустенитной стали в воде, масле
и полимерных растворах различ-
ного вида при одной и той же
концентрации 20 °/о и температу-
ре 27 °C. Ламинарное течение
жидкости 0,2 м/с [53]:
1 — вода; 2 — масло; 3 — PVP. 20 %; 4 -
PVA+GLY. 20%; 5 - GLY. 20 %; « —
ACR, 20%
92
отметить, что хотя в координатах температура — время это трудно
заметить, охлаждающие среды типа PVA и частично (в верхнем
температурном интервале) PVA + CLY имеют кривые охлажде-
ния очень близкие с кривыми охлаждения масла в сравнении с ос-
\ тальными полимерными охлаждающими средами. В то же время
охлаждающая среда типа ACR с концентрацией 20 % имеет постоян-
ную и значительно меньшую от остальных охлаждающих сред
скорость охлаждения во всем температурном интервале. Поэтому
в большинстве марок стали эта охлаждающая среда не позволяет
избежать перлитного или промежуточного превращения.
Отличную от Копетца классификацию современных европейских
охлаждающих полимерных сред и их развитие дает Берген [56].
Поэтому автор эти охлаждающие среды, опуская более старые PVA,
не применяемые в Европе, делит на три модификации: первая —
на полиалкиленовых гликолях (PAG), вторая — также на полигли-
колях, но с модифицированной молекулярной структурой и вязкостью
(PAG —классифицированная) и третья — на полиакриланах (ACR).
Различные характеристики термокинетических свойств этих трех мо-
дификаций охлаждающих сред показаны на рис. 3.15. Между первой
и второй модификацией наибольшее различие наблюдается в темпе-
ратурной области мартенситного превращения (заштрихованная об-
ласть ниже температуры 350 °C). Охлаждающие среды типа ACR
представляют не только дальнейшее улучшение их с этой точки зрения,
но и во всей температурной области, по своим свойствам они при-
ближаются к маслу. Это представляет большое достижение в этой
области, так как до сих пор считалось, что любые водяные охлаждаю-
щие среды не в состоянии сравниться по технологическим свойствам
с маслами. Следует, однако, обратить внимание на то, что в верхней
Рис. 3.15. Скорости охлаждения се-
редины образца диаметром 12,5 и
длиной 60 мм из сплава инконель
600 в масле, а также в циркулирую-
щих с умеренной интенсивностью по-
лимерных охлаждающих средах трех
поколений (I, II и III). Цифры у
кривых — концентрации растворов,
t,°C 700 600 500 400 500 200 700 О %• Штриховая линия — масло [54]
93
температурной области они не имеют необходимой охлаждающей
способности, промежуточной между маслом и водой.
Берген приводит данные, по которым скорость охлаждения образца
диаметром 12,5 и длиной 60 мм при 300 °C для охлаждающих сред
первой группы была 60—80 К/с, для второй — 40—50, для третьей —
15—25, а для обычного масла 10—20 К/с. От этих свойств зависит
область применения отдельных типов охлаждающих сред1.
3.4.2. Характеристики некоторых зарубежных
полимерных охлаждающих сред
В странах Западной Европы химические фирмы производят много
полимерных охлаждающих сред с различным промышленным или
торговым названием. Однако все они /могут быть отнесены к одной
из приведенных ранее групп. Позднее будут описаны несколько наи-
более распространенных в настоящее время в западноевропейской и
американской промышленности полимерных охлаждающих сред.
Акваквенч-251 и 1250. Эти продукты были разработаны концерном
«Хоугтон» в Филадельфии, а в Европе они производятся филиалом
этого концерна, а также английской фирмой «Эдгар Вагхан» в Бир-
мингеме. Основным эффективным компонентом этих охлаждающих
сред являются полиалкиленовые гликоли с большой молекулярной
массой (тип GLY). Их характерной чертой является так называемая
обратимая растворимость в воде (выше 77 ° С они не растворяются
и осаждаются на поверхности). Оба вида охлаждающих сред отли- !
чаются между собой незначительно (химическим составом) и поэтому
будут описаны вместе. Различие в химическом составе предусмотрено
с целью лучшего приспособления первой из охлаждающих сред (Ак-
ваквенч-251) для охлаждения душем при поверхностной закалке и
для термической обработки алюминиевых сплавов, в то время как
вторая .охлаждающая среда (Акваквенч-1250) предназначена для
объемной закалки погружением. Однако Акваквенч-251 и его фран-
цузский эквивалент Акватремп-251 широко применяют также и для
объемной закалки.
На рис. 3.16 приведены кривые скорости охлаждения обеих охлаж-
дающих сред. Как видно из графиков, Акваквенч-1250 характери-
зуется более широкой температурной областью пузырькового кипе-1
ния и меньшей (при концентрации около 20 %) максимальной ско-
ростью охлаждения, что благоприятствует распространению упрочне- '
ния вглубь изделий из стали с малой и средней прокаливаемостью.
Концентраты упоминаемых препаратов — прозрачные жидкости
желто-бронзового цвета с высокой вязкостью. При температуре до
40 °C они растворимы в воде в любом соотношении. Они негорючи,
нетоксичны, сопротивляются воздействию микроорганизмов и не
оказывают коррозионного воздействия на сплавы железа при кон-
центрации выше 5 %. Растворы с меньшей концентрацией могут ока-
зывать коррозионное воздействие в небольшой степени. В табл. 1
3.7 приведены некоторые физические свойства Акваквенч-251.
Водные растворы прозрачны до температуры 65 °C, выше которой
мутнеют и из них выпадает белый осадок. После охлаждения раствора
осадок снова растворяется. Изготовитель рекомендует применять
описанные сохлаждающие среды почти для всего марочного ассорти-
1 По мнению автора, классификация полимерных охлаждающих сред, предложенная
Копотном, включающая большее количество соединений, более верна, чем классификация
Бергена.
94'
Рис. 3.16. Скорости охлаж-
дения середины образца ди-
аметром 12,5 и длиной
60 мм из сплава инконель
600 в циркулирующих с
умеренной интенсивностью
растворах Акваквенч-251
(сплошные линии) и Аквак-
венч-1250 (штриховые ли-
нии) при температуре
30 °C. Цифры у кривых —
концентрация,% [57]
ТАБЛИЦА 3.7
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ АКВАКВЕНЧ-251 [57]
Растворы
Свойство Концентрат -----------------------------
10% 15% 20 %
Плотность при 15 °C, г/мл 1,083 1,019 1,031 1,046
Кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с 420 16 4 55
Температура кипения, °C 260 112 1 16 128
Температура затвердевания, "С — 17 —4 —8 — 12
мента конструкционных углеродистых и малолегированных сталей
и, следовательно, с малой и средней прокаливаемостью, а также при
применении печей как периодических, так и проходных, в том числе
и с защитными атмосферами.
Охлаждающие среды с малой концентрацией (3—4 %) применяют
для углеродистых сталей вместо соляных ванн, так как лучшая
смачиваемость поверхности облегчает устранение мягких пятен. Ох-
лаждающие среды с концентрацией 12—15 °/0 применяют для стали
с малой прокаливаемостью, так как такие растворы охлаждают
быстрее, чем самые быстрозакаливающие масла. Охлаждающие среды
с еще большей концентрацией нашли применение при закалке наугле-
роженных деталей, а также некоторого инструмента. Рекомендуемая
температура ванны 35—50 °C, однако в некоторых случаях допускается
или даже необходима температура около 65 °C.
Акватенсид-В. Изготовителем этой охлаждающей смеси является
западнонемецкая фирма «Хоугтон» в [ольдешайн. Кривые охлаждения
в растворах этого препарата с концентрацией 5—10% приведены
на рис. 3.17' Видны большие возможности регулирования охлаждаю-
щей способности от близкой к воде, вплоть до близкой в масле при
концентрации последней в 30 % Однако тщательный анализ этих
кривых показывает, что рассматриваемая охлаждающая среда обес-
печивает более эффективные условия Для охлаждения ио сравнению
с водой только в нижней температурной области, а в сравнении
95
Рис. 3.17. Скорости охлаждения образца
диаметром 10 мм из жаростойкой стали в
полимерных растворах Акватенсид BW с
концентрациями 5—30 % при температуре
35 "С, в воде (/) и быстроохлаждающем
масле (2) [58]
с маслом охлаждение несколько медленнее в перлитной области и бо-
лее быстрое в мартенситной. Но термокинетическим свойствам таким
образом они не отличаются заметно от других охлаждающих сред
типа GLY.
Механизм влияния полимерной составляющей на характер охлаж-
дения состоит, как уже упоминалось в предыдущем разделе, в образо-
вании на поверхности охлаждаемых образцов слоя твердого полимера,
толщина которого зависит от концентрации, и который при темпера-
турах ниже 80 °C растворяется в воде. Этот слой, покрывая всю
поверхность, обеспечивает одновременно на’ всей поверхности переход
от фазы паровой подушки до пузырькового кипения и тем самым
улучшает равномерность охлаждения по сравнению с водой. Кроме
того, повышенная вязкость приводит к замедлению охлаждения в фазе
конвективного теплообмена.
Концентрат препарата Акватенсид-В зеленого цвета, плотность
1,080 кг/дм3, вязкость около 700 мм2/с при 20 °C, точка затвердева-
ния 26 °C, pH 9,2. Подробное описание свойств охлаждающей среды,
их зависимость от температуры и концентрации, а также условия
эксплуатации ванны можно найти в работе [59]. Изготовитель ре-
комендует применять эти охлаждающие среды для объемной и поверх-
ностной закалки в следующих случаях: \
закалки штамповок простой формы непосредственно с температу-
ры ковки (в этом случае концентрация раствора должна быть не
меньше 12—15%);
закалки деталей машин из углеродистых и малолегированных
сталей;
частичной закалки некоторых видов инструмента из углеродистых
сталей (например, 45 или 60), как, например, гаечные ключи, садо-
вый инструмент и т. д.;
закалки мелких науглероженных или цементированно-азотиро-
ванных деталей в проходных печах;
индукционной или пламенной поверхностной закалки;
обработки на твердый раствор листов, труб и профилированных
прутков из аустенитных сталей или алюминиевых сплавов.
Юкон. Продукт под этим названием был разработан, американ-
ской фирмой. «Юнион Карбайд Корпорейшн» или «Кемикалс энд
96
[[ластике дивидишн» в Нью-Йорке и распространяется в Европе —
41Онион Карбайд», Австрия (Вена). Из фирменных проспектов можно
сделать вывод, что эти охлаждающие среды второй модификации, т. е.
типа GLY. Изготовитель предлагает четыре типа препарата, обозна-
чаемые кроме основного названия Юкон — Квенчант еще и буквами
В, С и НТ. Опуская подробные характеристики отдельных разно-
видностей охлаждающих сред, на рис. 3.18, построенном на базе
фирменных проспектов [60], приведены их кривые охлаждения при
одинаковой концентрации (20 °/о) и температуре (27 °C). Из кривых
Рис. 3.18. Скорости охлаждения
середины образца диаметром
25 мм и длиной 100 мм из аусте-
нитной стали в полимерных раст-
ворах Юкон Квенчант А, В, С и
НТ с концентрацией 20 % при
температуре 27 °C [60]
видно, что отдельные разновидности отличаются довольно заметно
своими термокинетическими свойствами и тем самым и областью
применения. Наиболее эффективен при охлаждении Юкон-А, а наи-
более близок к воде, хотя лишь в верхней температурной области,
Юкон-С. Однако сам изготовитель признает, что любая из разновид-
ностей не сравнима с маслом по влиянию на деформацию и структур-
ные напряжения.
Юкон-А предназначен в основном для поверхностной душевой
закалки деталей из углеродистой и легированных сталей, для закалки
погружением после науглероживания или цементации-азотизации, а
также поковок и отливок из алюминиевых сплавов.
Юкон-В и НТ со значительно меньшей охлаждающей способностью
предназначены в основном для закалки деталей из легированных
сталей, для закалки поковок прямо с температуры ковки и для закалки
науглероженных в проходных печах деталей. Юкон-В, кроме того,
применяется для индукционной закалки деталей сложной формы из
легированных сталей.
Юкон-С рекомендуют для закалки душем и погружением деталей
из стали с малой прокаливаемостью и при требуемых значительных
упрочненных слоях, а также для деталей из алюминиевых сплавов
большого сечения. Эта охлаждающая среда заменяет воду и соляные
растворы с меньшим риском образования трещин, очень больших де-
формаций и мягких пятен.
Парквенч-90 и Полимер LQR. Первый из этих продуктов был
запатентован фирмой «Парк Кемикал Ко» в США, а его основным
активным компонентом является поливинилпирролидон или кратко
PVP [61]. По сравнению с распространенными до настоящего времени
препаратами типа GLY охлаждающая среда PVP имеет определенно
некоторые лучшие свойства. Поэтому в последние годы заметно вы-
росло их применение. PVP растворяется в воде, в отличие от GLY,
во всем температурном диапазоне. Это приводит к изменению меха-
7 3»к. 3245
97
низма теплообмена. В верхнем температурном диапазоне охлажде.
пне идет быстрее, а в нижнем — более медленно по сравнению с
GLY, что еще больше сближает его свойства со свойствами мине,
ральных масел. Например, в соответствии с данными работы {61],
при температуре около 55 °C и мало отличающейся интенсивности
циркуляции скорость охлаждения стальных прутков диаметром 25 мм
в быстро охлаждающем масле достигает 46 К/с при температуре
700 °C и 5,6 К/с при температуре 200 °C, в то время как аналогичные
данные для 25 %-ного раствора PVP были 47,8 и 7,5 К/с соответст-
венно.
Подобные свойства, как Парквенч, имеют предложенные в 1983 г.
препараты некоторых европейских фирм. Английская фирма «Эдгар
Ваугхан» производит описанный ранее препарат Акваквенч ACR (рис.
3.15, с), а фирма «Коугтон» в ФРГ — Полимер LQR. Этот последний
продукт при 20 %-ной концентрации имеет охлаждающую способность,
близкую к охлаждающей способности быстроохлаждающего масл$
при температуре ниже 400 °C, в то время как при более высоких
температурах скорость охлаждения несколько меньше, чем в масле,
и она почти избавлена от фазы паровой подушки.
Растворы с меньшей концентрацией характеризуются промежу-
точной скоростью охлаждения между маслом и водой. Рекомендуемая
изготовителем температура эксплуатации этой охлаждающей среды
25-45 "С.
В Европе и Америке известны также охлаждающие среды типа
ACR под торговой маркой Акваквенч-110. Свойства и область при-
менения для охла-ждающей среды, предназначенной для получения
мелкозернистого перлита с возможным участием бейнита, описаны
в предыдущей главе.
Советские полимерные охлаждающие среды
Начиная примерно с 1975 г. в СССР в нескольких институтах нача-
лись интенсивные исследования над охлаждающими средами этого
типа. Первой, по-видимому, была охлаждающая среда ЗСР-1, содер-
жащая в качестве основного активного компонента полиакрилоамид
[62]. Авторы использовали эту охлаждающую среду в основном для
охлаждения душем деталей и машин, подвергаемых поверхностной
закалке, но для малых и средних сечений. Она может быть с успехом
использована для закалки погружением стальных деталей, для
термического улучшения деталей из чугуна и алюминиевых сплавов.
В работе [63] описана охлаждающая среда, содержащая 0,12—
0,25 % полимеризованной окиси полиэтилена, использованная
вместо воды с хорошими результатами при термической обработке
алюминиевых сплавов.
Универсальную охлаждающую среду для объемной закалки, со-
держащую около 0,8 % оксиэтиленцеллюлозы и добавки неорганиче-
ских солей, рекомендует Хина в работе [64]. Промышленные испыта-
ния термического улучшения деталей из стали 40Х и других дали
положительные результаты.
До недавнего времени наиболее распространенной в СССР охлаж-
дающей полимерной средой для объемной закалки деталей из конст-
рукционных сталей был так называемый Тосол-К. Концентрат пред-
ставляет собой 50 %-ный водный раствор алкилофенола и оксида
этилена [65]. Охлаждающая среда применяется в больших концент-
рациях около 30—65 %, что является довольно существенным недо-
статком.
В 1983—1984 годах было разработано несколько новых охлаж-
98
.аютих сред, в которых использован очень дешевый и характери-
зуемый многими преимуществами сульфатонатриевый щелок, являю-
щийся побочным продуктом в целлюлозобумажном производстве
бб| Недостатком этой охлаждающей среды является большая склон-
ить к ферментации, которую можно устранить с помощью аэрации
ваины. Для закалки напылением рекомендуется в последнее время в
СССР 10 °/о-ный водный раствор триэтаноламина с добавкой 0,2—
0,8% поливинилового спирта [67].
Среди многих других полимерных охлаждающих сред стоит упо-
цянуть о ПК-2. Это полиакриловая соль железа [68]. Охлаждающая
среда разработана в Институте органической химии Академии наук
СССР в Иркутске, а ее испытания, проведенные в Институте техни-
ческой химии в Киеве, показали, что эта охлаждающая среда имеет
свойства, близкие к свойствам минеральных масел.
3.4.3. Охлаждающие полимерные среды ПНР
В Польше разработкой и внедрением полимерных охлаждающих сред
занимается с 1920 г. Институт точной механики в Варшаве. Опуская
се виды охлаждающих сред, которые по разным причинам нашли
лишь временное и незначительное применение (APG, Акваполь, Во-
доль-2), в дальнейшем будут описаны или уже применяемые в маши-
ностроительной промышленности ПНР (Водоль-1, Водоль-3), или
разработанные и обещающие широкое применение в ближайшем бу-
дущем (Водоль-S, Водоль-W, Полимераль-СЗ).
Водоль-1— это охлаждающая среда типа GLY. Кривые охлаж-
дения в растворах различной концентрации (рис. 3.19) показывают,
0 2 4 б 8 10 12 Т, С ° 4 8 12 16 20 24 Т, с
Рис. 3.19. Скорости охлаждения рчс- 3.20. Скорости охлаждения се-
середины серебряного образца редины серебряного образца диамет-
Диаметром 16 и длиной 48 мм в Ром '6 и длиной 48 мм в растворах
Растворах концентрата Водоля-1 концентрата Водоля-3 с различной
с различной концентрацией, а концентрацией, а также в воде (/)
также в воде (/) и масле (2) [69] и масле ОН-70 (2) [69]
7*' 99
что подобно охлаждающим средам первой группы эти раствор,
отличаются от воды в основном сохранением фазы паровой подущц.
до более низких температур, а также незначительно сниженной ego"
ростью охлаждения при температурах мартенситного превращени;
По сравнению с маслами эти растворы охлаждают значительна
быстрее как в области перлитного, так и мартенситного превращу
ния. Поэтому эти ванны рекомендуются для закалки погружением
деталей машин с малой разницей в диаметрах и простой фор^
из углеродистых, а иногда и малолегированных сталей.
Водоль-3 отличается от Водоля-l как химическим составом (0.
основан на полисахаридах), так и характеристикой охлаждение
(рис. 3.20). Из рисунка видно, что при концентрациях больше 5 '
скорость охлаждения в верхней температурной области меньше, чем
в масле (меньший угол наклона кривых), а при концентрации 5:
несколько больше.
При температурах ниже 300 °C — подобно большинству охлаж-
дающих сред этого типа — она охлаждает значительно быстрее, чем
масло. Создатели рассмотренной охлаждающей среды рекомендуюг
ее применять для объемной закалки инструмента и деталей маши?
из средне- и высоколегированных сталей и иногда для прямой закалк?
после науглероживания. После закалки в растворах Водоль-3 соо-
ветствующей концентрации можно ожидать меньшей деформации по
сравнению с Водолем-1, что было подтверждено лабораторными ис-
следованиями [69].
Концентрат Водоль-3 имел плотность 1,195 г/см3, вязкое:,
при 20 °C около 800 мм2/ч и pH 8—9. Вязкость и плотность водны,
растворов в зависимости от концентрации приведены на рис. 3.21
Данные, приведенные на этом рисунке, используют для контроля из-
менений концентрации во время эксплуатации.
Водоль-S по охлаждающей способности мало отличается от Во
доля-3. Это вытекает из сравнения кривых на рие: 3.20 и 3.22. Пр
Концентрация, °/а
Рис. 3.21. Вязкость (/) и плот
ность (2) в зависимости от кон
центрации водных растворе®
концентрата Водоля-3 [69]
концентрации 20 °/0 средняя скорость охлаждения приближается s
среднем к скорости охлаждения в масле, которое охлаждает быстра
в температурной области 550—350 °C и медленнее ниже 300 °C, что
полезнее. Исследования, приведенные в работе [70], показывают
что некоторые другие свойства Водоля-S более полезны, чем Водоля-3
Это относится в основном к коррозионному воздействию на сплавь1
железа, а также к влиянию температуры охлаждающей среды на
100
Рис. 3.22. Скорости охлаждения сере-
дины серебряного образца диаметром
16 и длиной 48 мм в растворах концент-
рата Водоля-S с температурой 20 °C
при различных концентрациях, а также
в воде (/) и масле ОН-70 (2) [70]
охлаждающую способность. Кроме того, деформация после закалки
8 Водоле-S меньше, чем в Водоле-3, хотя значительно больше, чем
8 масле.
Водоль-W в отличие от всех ранее описанных охлаждающих сред
ПНР характеризуется очень малой скоростью охлаждения во всей
температурной области (рис. 3.23). Кроме того, почти постоянная
Рис. 3.23. Скорости охлаждения сере-
дины серебряного образца диаметром
16 и длиной 48 мм в растворах кон-
центрата Водоля-W при температуре
20 °C при различных концентрациях, в
воде (7) и масле ОН-70 (2) [70]
скорость охлаждения вплоть до низких температур, указывает на
отсутствие характерного для водяных и масляных охлаждающих сред
Деления теплообмена на три фазы. Эта охлаждающая среда мало
чувствительна к изменениям температуры, а ее коррозионное воздей-
ствие слабее по сравнению с другими полимерными охлаждающими
средами, тем более воды. Из-за очень малой охлаждающей способно-
сти Водоль-W может быть рекомендован для тех случаев, где обра-
зование мартенситной, а иногда даже и бейнитной структуры не
101
требуется. В качестве примера можно упомянуть охлаждение посд.
цементации на значительную толщину с целью предупреждения выде'
ления карбидной сетки. Другие примеры применения аналогична
рассмотренным уже ранее для охлаждающих сред типа ACR.
Отличные свойства от описанных выше свойств серии Водо_1ь
имеет охлаждающая среда под названием Полимероль-ОЗ1, разра.
ботанная в Институте точной механики (ИМТ) в содружестве с ме.
таллургическим заводом «Варшава». Как следует из рис. 3.24, По
Рис. 3.24. Скорости охлаждения
середины образца диаметром 8
и длиной 24 мм из сплава Х20Н80
в полимерных растворах,’а также
воде и масле ОН-70 [34] :
1 — масло ОН-70; 2 — вода; 3 — Акват-
ремп-251, 10 %; 4 — Полимероль-63,
10%
0 100 200 500 400 500 ffOOufi
Рис. 3.25. Скорости охлаждения на-
пылением середины образца диамет-
ром 8 и длиной 24 мм из сплава
Х20Н80 в воде, водно-масляной
эмульсин (5% масла), а также а
растворах Акватремп-251 и Поли-
мероль-СЗ (10%-ный раствор) [34]:
/ — Акватремп-251, 10 %; 2 — Полимероль 03.
10 %; 3 — эмульсия масла, 5 °/0
лимероль-G 3 с концентрацией 10 % имеет-термокинетические свойства
близкие в Акуатремпс-251 с той же концентрацией, что означает что он
может быть в полной мере признан заменителем импортируемых
охлаждающих сред этого типа.
На рис. 3.24 приведены для сравнения также кривые для наиболее
широко применяемого в ПНР масла ОН-70, а также водопроводной
воды. Кривые для воды не имеют фазы паровой подушки вследствие
специально образованного на поверхности образца слоя окалины, а
NP-246243 от 1.09.1985 г. Изготовителем Полимероля-СЗ является ПНР.
Загородный филиал, Ржещов, ул. Всполка, 4а.
102
.ле малой теплопроводности сплава Х20Н80, из которого изготов-
ЭТИ образцы.
На рис. 3.25 приведены кривые охлаждения душем для воды,
• асляно-водяной эмульсии, а также двух полимерных охлаждающих
*еД (польской Полимероль-СЗ и французской Акуатремпс-251).
g качестве критерия оценки этих охлаждающих сред принята скорость
охлаждения при температурах 600 °C (овоо) и 300 °C (озоо)- Как
ВИДНО, при скорости Рбоо полимерные охлаждающие среды и эмуль-
сИя охлаждают почти одинаково, но значительно медленнее воды,
g то же время при более важной с точки зрения чувствительности
к трещинам скорости и3оо отдельные охлаждающие среды отличаются
довольно заметно. Полимероль охлаждает несколько быстрее Акват-
„ампса, но медленнее водно-масляной эмульсии и тем более воды.
Контроль концентрации рассмотренных охлаждающих сред про-
изводства ПНР можно осуществлять ареометром, вискозиметром или
рефрактометром, используя эталонные графики, приведенные для
примера на рис. 3.21 и 3.26.
Рис. 3.26. Плотность (1) и ко-
эффициент преломления света
(2) в растворах Полиме-
роль-СЗ в зависимости от кон-
центрации
3.4.4. Эксплуатация полимерных закалочных ванн
Изготовители концентратов различных марок охлаждающих сред
этого типа приводят подробные инструкции их применения. Однако
некоторые общие основы могут быть отнесены к большинству или
Даже всем их разновидностям. Эти основы описаны ниже.
С целью получения воспроизводимых результатов при закалке
очень большое значение имеет систематический контроль концен-
трации и температуры ванны, так как эти, собственно говоря,
факторы и оказывают очень существенное влияние на охлаждающую
способность всех водных охлаждающих сред. Поддержание темпе-
ратуры с точностью ±5 °C довольно легко осуществимо, если отно-
шение массы ванны к массе охлаждаемой садки достаточно велико
11 существует гарантированное умеренное перемешивание раствора
в ванне. Можно принять, что на 1 кг садки брутто достаточна масса
ванны 12—15 л, а при садке, состоящей из мелких деталей или с
большим отношением поверхности к объему, даже больше. В случае
затруднений в выдержке этих условий рекомендуется применять
Теплообменники. Чрезмерная интенсивная циркуляция ванны не
Рекомендуется из-за возможности возникновения неблагоприятных
физико-химических явлений на поверхности деталей. В случае цирку-
103
ляции жидкости от насосов их часовая производительность должна
быть в 5—10 раз больше объема охлаждающей среды в закалочной
ванне.
Контроль концентрации, которая в случае деталей машин или
инструмента, чувствительных к трещинам, должна после установления
оптимальной ^концентрации поддерживаться в пределах ± 1 °/0, что
можно осуществлять измерением одного из трех параметров: плотно-
сти с помощью ареометра; кинематической вязкости; коэффициента
преломления света с помощью рефрактометра.
Последний способ самый простой, так как занимает несколько
секунд. Он заключается в нанесении капли раствора на призму малого
ручного оптического прибора, который после приложения к глазу
и направления на свет, позволяет отсчитать на шкале величину ко-
эффициента. Затем из эталонного графика (рис. 3.26) или таблиц
получаем концентрацию. Такой контроль необходимо проводить не
меньше одного раза в неделю. Загрязнение раствора осадками (на-
пример, из-за очень жесткой воды) или маслом может приводить к
изменению величины коэффициента преломления света. В этих слу-
чаях рекомендуется раствор профильтровать или использовать метод,
основанный на измерении вязкости.
Концентрацию ионов водорода (pH) необходимо также контро-
лировать еженедельно и возможно корректировать добавкой ингиби-
торов. В замкнутых системах, как, например, в автоматах для индук-
ционной закалки, часто имеет место заражение ванны бактериями.
Это заставляет иногда менять ванну каждые два месяца. Ванны
для закалки погружением имеют большую стойкость — от одного
до двух лет. С целью предупреждения заражения ванны бактериями
не рекомендуется содержать ванны в течение длительного времени
в неподвижном состоянии, их периодически необходимо перемешивать
или продувать сжатым воздухом.
Растворы полимеров, как правило, нетоксичны и их контакт с
кожей не должен приносить вреда. Однако некоторые ванны содержат
ингибиторы (например, нитриды натрия), контакт которых с кожей
вреден. Поэтому рекомендуется работать в кожаных перчатках.
Перед спуском ванны в отстойники следует ее разбавить до отноше-
ния 1:50. Не следует спускать эти растворы прямо в реки или водяные
резервуарь^
---- ' 4. МИНЕРАЛЬНЫЕ ЗАКАЛОЧНЫЕ
МАСЛА
Как только было установлено, что закалка легированных сталей в
воде вызывает значительные деформации и трещины, начали приме-
нять их обработку с более медленным охлаждением. Вначале это
были различного рода масла и жиры растительного и животного
происхождения. Их охлаждающая способность в свежем состоянии,
как правило, хорошая, хотя они имеют ряд недостатков. Самым зна-
чительным из них является очень малая стойкость, вызванная склон-
ностью к окислению и разложению. Кроме того, они дороги, имеют
неприятный запах, а в случае закалки после нагрева в солях, выделяют
мыла щелочноземельных металлов, образующие шлам.
После появления в конце прошлого века значительно более де-
шевых продуктов рафинирования нефти минеральные масла как ох-
104
аждаюшие среды почти полностью вытеснили растительные масла
’ животные жиры. Последние еще иногда применяются в качестве
д0бавок к минеральным маслам с целью улучшения некоторых их
войств, например, смачиваемости.
1 По мере уяснения механизма и кинетики фазовых превращений
переохлажденного аустенита, а также явлений теплообмена -в охлаж-
дающих средах с температурой кипения значительно ниже темпера-
туры закалки были улучшены также свойства и расширен ассортимент
закалочных масел. Современное состояние развития этих охлаждаю-
щих сред говорит о том, что, несмотря на их известные недостатки
(пожароопасность, отрицательное влияние на природу, недостаточная
3 некоторых случаях охлаждающая способность), они являются наи-
более распространенными охлаждающими средами, так как позволяют
получить оптимальное сочетание твердости с закалочными деформа-
циями. Масла также менее трудоемки при контроле и наблюдении
по сравнению с другими охлаждающими средами, кроме воды. Область
применения различных видов масел очень широкая, хотя следует по-
мнить о таких ограничениях с точки зрения противопожарной без-
опасности, как закалка тяжелых деталей и деталей с большим от-
ношением площади поверхности к массе, а также о частичной закалке
и закалке душем.
4.1. ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ
И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ
Минеральные масла состоят из многих органических веществ. Их
свойства в определенной степени зависят от происхождения нефти,
а также метода рафинирования, но в основном от вида основной
фракции. Это может быть парафиновая фракция, нафтеновая или
ароматическая. Поэтому грамотный выбор фракционного состава
масел и применение их для определенного назначения требуют знания
термокинетических свойств этих фракций. Такие исследования про-
вел Бек вместе с сотрудниками [25], а результаты их работы при-
ведены ниже.
Парафиновые _масла имеют критическую температуру перехода
фазы паровой подушки в фазу пузырькового кипения (точка Лейн-
денфроста), почти независимую от температуры масляной ванны в
температурной области 25—120 °C, в то время как положение этой
критической температуры в значительной мере зависит от качества
масла, мерилом которого является вязкость. При вязкости 2°Е/50°С
эта температура равна ~700 °C. Это согласуется с известным на
практике свойством масел, заключающимся в очень незначительном
влиянии этой температуры на охлаждающую способность. Эта харак-
терная черта масел значительно отличается от воды и всех водных
охлаждающих сред, для которых температура является параметром
определяющего значения.
Если, несмотря на это, низкотемпературные масла на практике
применяют в температурной области около 50—90 °C, то это делается
главным образом для замедления охлаждения в области мартенситного
Превращения, а также облегчения перемешивания благодаря умень-
шению вязкости.
Температурная область пузырькового кипения, т. е. разность
Между началом и концом этого кипения довольно мала и равна при-
мерно 150—200 °C.
Нафтеновое масло имеет при этой температуре меньшую вязкость,
105
чем парафиновое, лишь с точки зрения термокинетических свойств
масла обоих типов почти не отличаются между собой.
Ароматические масла являются побочными продуктами при обра-
ботке смазочных масел растворителями. Их основным недостатком
является небольшое термическое сопротивление и очень малая вяз,-
кость. Однако они улучшают смачиваемость поверхности и увелича.
вают область пузырькового кипения. Несмотря на эти преимущества,
Рис. 4.1. Скорости охлаждения
середины серебряного образца
диаметром 16 мм и длиной 48 мм
в масле с температурой 80"С
|25]:
I — нафтеновое масло. 4,5° Е/50 °C; 2 —
нафтеновое масло, 18 Е/50 °C; 3 — парафи-
новое масло. 1,5 °Е/50 °C; 4 — парафинов
масло. 30 °Е/50 °C; 5 — ароматическое
масло
они не нашли широкого применения в производстве закалочных масел.
Таким образом, базовые масла состоят, как правило, в основном
из парафиновых или нафтеновых фракций.
На рис. 4.1 показано различие в термокинетических свойствах
отдельных фракций в базовых маслах.
Применяя в качестве базовых масел смеси разных фракций,
можно незначительно регулировать температурную область отдельных
фаз теплообмена и, в особенности, фазы пузырькового кипения. По-
этому современные масла и, в особенности, так называемые быстро-
охлаждающие масла содержат специальные добавки, которые обычно
расширяют эту область, а иногда и смещают ее в направлении более
высоких или низких температур. Это приводит к существенному из-
менению охлаждающей способности. Добавками этого рода могут
быть органические соединения металлов, высокомолекулярные поли-
меры, а также масла растительного или животного происхождения.
Механизм влияния этих добавок до сих пор однозначно не выяснен,
но допускают, что он заключается в изменении поверхностного натя-
жения и тем самым смачиваемости, а в случае полимеров — в их
осаждении на поверхности и облегчении зарождения паровых
пузырьков. Кроме того, к базовым маслам добавляют антиокислитель-
ные вещества с целью увеличения стойкости масел, осветления по-
верхности, термически устойчивые эмульгаторы, позволяющие смы-
вать масло водой (так называемые смываемые масла) и др.
Сложный химический состав минеральных масел приводит к тому,
что их кипение и частичное разложение с выделением газов проте-
кает не в определенной температурной области, как в случае одно-
компонентной жидкости, а в довольно широком температурном диа-
пазоне.
Этот факт в сочетании со значительно выше расположенной по
сравнению с водой температурой начала кипения приводит к тому,
что кинетика охлаждения в маслах не всегда точно согласована с
кинетикой превращения переохлажденного аустенита. Образующаяся
106
я поверхности в верхней температурной области подушка не является,
как в случае воды, чисто паровой подушкой, она является парогазо-
вой. Сам механизм срыва этой подушки в маслах такой же, как и в
воде, но температура срыва значительно выше.
Описанное основное различие кинетики охлаждения в маслах в
сравнении с водой приведено на рис. 4.2 [49]. Из этого рисунка
видно, что вода охлаждает быстрее во всей температурной области,
но ниже 300 °C эта скорость в 10—28 раз больше.
Плотность теплового потока во время охлаждения в маслах до-
стигает [25] в среднем:
Рис. 4.2. Скорости охлаждения сереб-
ряного шарика диаметром 20 мм [49]:
i в воде: 2 - - в масле; 3 — зависимость отно-
шения этих скоростей от температуры
в фазе паровой подушки (при 600 °C) около 2,1 МВт/м2
(50 кал/с-см2);
в фазе пузырькового кипения (при 450 °C) около 8,37 МВт/м2
(200 кал/с-см2);
в фазе конвективного обмена около 0,85 МВт/м2(20 кал/с-см2).
Следует, однако, помнить, что величины этого рода всегда от-
носятся к определенным условиям охлаждения, таким как: интенсив-
ность циркуляции охлаждающей среды, ее температура, состояние
поверхности, через посредство которой протекает теплообмен и т. д.
4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ
РАЗНОВИДНОСТЕЙ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ
Количество разновидностей современных закалочных масел, произ-
водимых специализированными фирмами, обычно достигает порядка
Десяти. Однако все они с точки зрения эксплуатационных температур
могут быть разделены на две группы (низко- и высокотемператур-
ные), а с точки зрения охлаждающей способности — на три группы
(низкотемпературные, медленно охлаждающие масла и быстроохлаж-
Дающие, а также высокотемпературные). В табл. 4.1 кроме этого
Деления принято деление на подгруппы, ограничивающие общую хи-
мическую природу масел. В зависимости от природы дрименяемых
107
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
Класс иф икация
по температурной обла-
сти эксплуатации
Деление на группы по
охлаждающей способности
и применению
Подгруппы, исходя
из химической структуры
А. Низкотемператур-
ные масла (до 90 °C)
1. Обычные масла
(медленно охлаждаю-
ющие)
2. Быстроохлаждаю-
щие масла
Б. Высокотемпера-
турные масла (свыше
90 °C)
3. Масла для ступен-
чатой закалки
а) Обычные масла
б) Составные масла*»
а) Быстроохлаждаю-
ющие масла, рафини-
рованные
б) Быстроохлаждаю-
щие масла, рафиниро-
ванные и составные
а) Обычные масла
б) Рафинированные
масла
* Эта классификация не учитывает специальных масел, предназначенных для закалкя
в вакуумных агрегатах.
* * Составные масла содержат добавки растительных или животных жиров.
изготовителем базовых масел, а также количества и вида добавок
разновидности масел, принадлежащие к одной и той же группе или
подгруппе, могут значительно отличаться физико-химическими и экс7
плуатационными свойствами. Поэтому не только с коммерческой точ-
ки зрения, но и технически обосновывают применение фирменных
названий разновидностей масел.
Обычные масла (группа 1), как правило, состоят из парафиново-
нафтеновых фракций с вязкостью 1,45—6,5 °Е/50 °C с добавками,
повышающими их сопротивление старению [71]. Детали со светлой
поверхностью перед погружением в масло остаются светлыми и после
охлаждения. После определенного времени эксплуатации этих масел
продукты старения приводят к потемнению поверхности. Некоторые
разновидности обычных масел с вязкостью 1,45—2,2°Е/50°С содержат
добавки, обеспечивающие сохранение светлой поверхности в течение
очень длительного времени эксплуатации. Охлаждающая способность
этой группы масел в приближении описывается их вязкостью. Жид-
кие охлаждающие среды охлаждают быстрее, чем густые.
Быстроохлаждающие масла (группа 2) изготавливают на базе
жидкотекучих дистиллированных фракций с добавками веществ,
повышающих смачиваемость или отлагающихся адгезионно на поверх-
ности и таким способом увеличивающих охлаждающую способность.
Обычно эти масла приводят к потемнению поверхности.
Охлаждающая способность быстроохлаждающих масел и, в осо-
бенности, их разновидность с минимальной вязкостью настолько ве-
лика, что даже углеродистые стали прокаливаются в них насквозь
при максимальном размере сечения до 25 мм. Следовательно, эта
способность приближается к охлаждающей способности спокойной
воды, что подтверждают исследования коэффициентов интенсивности
охлаждения Гроссмана (рис. 2.22).
Несмотря на низкие по сравнению с другими разновидностями
масел температуры воспламенения быстроохлаждающих масел, они
108
ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД |П|
ТАБЛИЦА 4.1
Физико-химическая характеристика
вязкость при 50 °C точка воспла- менения, °C содержание пепла, % содержание кокса, % количество омыления, КОН/г
<6°Е (45с) <230 <0,01 <0,05 <2
6°Е (45 с) <230 <0,01 <0,05 >2
<6 °Е (45 с) <230 >0,01 >0,10 <2
<6°Е (45 с) <230 >0,01 >0,10 >2
>6 °Е (45 с) >230 <0,01 >0,10 <2
>6°Е (45 с) >230 >0,01 >0,10 <2
не увеличивают пожароопасность, а даже уменьшают ее. Этот видимый
парадокс объяснен на рис. 4.3. В быстроохлаждающем масле с малой
вязкостью и низкой температурой воспламенения увеличение ею тем-
пературы в непосредственной близости от охлаждаемого предмета
меньше, так как благодаря облегченной циркуляции в теплообмене
принимает участие почти вся масса ванны. В то же время в вязком
масле в начальный период охлаждения в этом обмене участвует только
небольшая часть масла.
Рис. 4.3. Влияние вязкости и температуры воспламенения
масла на возможность возникновения пожара:
а — масло с небольшой вязкостью и низкой точкой воспламенения; б —
масло с большой вязкостью и высской точкой воспламенения
109
В группе быстроохлаждающих масел разновидности масел с
меньшей вязкостью более пригодны для закалки деталей больших
сечений, чем более вязкие масла, так как в первых температурная
область пузырькового кипения располагается ниже. В соответствии
с работой [71], в масле с вязкостью 2,0°Е/50°С максимальная скорость
охлаждения серебряного шарика диаметром 20 мм наблюдается при
500 °C, а уменьшение вязкости до 1,5°Е/50°С приводит к снижению
этого максимума до 400 °C.
Высокотемпературные масла (группа 3) начали применять для
ступенчатой и изотермической закалки лишь в пятидесятых годах,
т. е. после разработки соответствующих смесей базового масла и ан-
тиокислительных добавок. Без этих добавок масло при повышенных
температурах очень быстро окисляется, густеет и становится непри-
годным. Современные высокотемпературные масла рекомендуются
для работы при температурах до 200 °C, а иногда даже до 250 °C
при сохранении их эксплуатационных свойств в течение 2 лет. Охлаж-
дающая способность этих масел значительно выше, чем соляных ванн.
После добавки соответствующих эмульгаторов эти масла могут, по-
добно маслам групп 1 и 2, быть смыты в воде.
4.3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
С целью характеристики нефтяных продуктов, а следовательно и
закалочных масел, определяют их различные физико-химические свой-
ства. Кроме охлаждающей способности, которая является основной
эксплуатационной характеристикой, физико-химические параметры
облегчают оценку пригодности отдельных видов масел для определен-
ного применения, а также оценку их стойкости, эксплуатационной
стоимости и т. д. Тепловые свойства масел отличные от таковых
для воды (раздел 3.3). Они имеют следующие значения: теплоемкость
— 2,01 кДж/(кг-К);
теплота испарения —251,2 кДж/кг при большой вязкости и около
167,5 кДж/кг при малой вязкости; теплопроводность —0,127 В/(м-К).
Все подлежащие текущему контролю физико-химические свойства
можно разделить на две группы: основные и вспомогательные. К ос-
новным относятся: вязкость, температура воспламенения и сгорания,
а также плотность. К вспомогательным (значительно более многочис-
ленная группа) относятся: показатели вязкости, цвет, число кислот-
ности, число омыления, остаток после коксования по методу Конрад-
сона, сопротивление окислению, содержание пепла и воды, а также
испаряемость.
Вязкость является мерой внутреннего трения в жидкостях, прояв-
ляющегося при перемещении друг относительно друга соседних слоев
жидкости. Касательное усилие, уравновешивающее внутреннее трение
в жидкостях, подчиняющихся закону Ньютона, к которым принад-
лежат и масла, пропорционально поверхности соприкасающихся слоев
и градиенту скорости перемещения этих слоев. Эту зависимость можно
выразить уравнением
где А —площадь соприкасающихся слоев; dv — разница в скоро-
сти; dx—расстояние между слоями; ц—коэффициент динамической
вязкости, Па-с.
В технике чаще всего применяют понятие кинематической вязко-
110
и которое является отношением динамической вязкости к плотности.
и3 этих определений вытекает, что единицей кинематической вязкости
' системе СИ является м2/с или см2/с (реже стоксы). Вязкость масел
’бычно дают в мм2/с (ранее сантистоксы), причем 1 мм2/с=1сСт.
° Кроме понятий динамической и кинематической вязкости, которые
10сят общее название абсолютной вязкости, часто из-за легкости
'змерения определяют вязкость в относительных величинах. Относи-
!ельная вязкость является отношением динамической вязкости иссле-
„уемой жидкости к динамической вязкости эталонной жидкости. Если
За эталонную жидкость принять воду, а за основу измерения время
„ытекания 200 мл жидкости через эталонное сопло (вискозиметр
Энглера), то единицей относительной вязкости будет градус Энглера
(»Е). Зависимости между описанными единицами вязкости можно
найти в литературе, например [72], в виде формул, графиков (рис. 4.4)
„ли таблиц.
Рис. 4.4. Зависимость вязкости от темпе-
ратуры для двух значительно отличающих-
ся по вязкости (при одной и той же темпе-
ратуре) масел, а также отношение между
вязкостью кинематической и относительной
Энглера [72]:
1 — масло с вязкостью 70 мм’/с при 50 °C; 2 — масло
с вязкостью 14 мм’/с при 50 °C
Влияние температуры на вязкость различных масел неодинаково.
Для количественной характеристики этой зависимости введено поня-
тие показателя вязкости. Это условная величина, показывающая
влияние температуры на вязкость. Значение показателя определяется
путем сравнения изменений вязкости испытуемого масла с таким
*е изменением двух условно выбранных эталонных масел, очень сильно
Сличающихся по вязкости. Для масла с минимальным изменением
вязкости принято значение показателя 100, а для масла с максималь-
ным изменением — 0. Отсюда следует, что масло с большим показа-
телем вязкости меньше изменяется с изменением температуры, чем
Масло с меньшим показателем вязкости. При определении показателя
вязкости применяют соответствующие номограммы.
Вязкость как свойство свежего закалочного масла не только
“пределяет с определенным приближением его охлаждающую способ-
111
ность, но представляет также и большой экономический критерв-
ибо закалка в маслах с меньшей вязкостью позволяет уменьщИт'
его потери путем выноса с деталями, уменьшает расход энергии в.
перемешивание, а также на протекание через теплообменники '
фильтры и, кроме того, облегчает процесс мытья. Контроль вязкост
и точки воспламенения масел после определенного периода эксидуд
тации позволяет оценить степень протекания процессов старения
Известно, что повышение вязкости и точки воспламенения означав
увеличение степени окисления масла, уменьшение вязкости и темпе
ратуры точки воспламенения является признаком химического разл0.
жения (крекинга), в то время как увеличение вязкости при одновре.
менном падении температуры точки воспламенения означает окисле.
ние и химическое разложение [73].
Определение температуры сжигания, а также воспламенения Е
открытом или закрытом тигле имеет целью, прежде всего, установлю
ние допустимой с точки зрения безопасности температуры работу
закалочной масляной ванны. Под температурой сгорания мы подрг.
зумеваем температуру, при которой из масла выделяется такое коли,
чество газов, что помещенный над маслом огонь вызывает их крат
ковременное зажигание. Температура работы масла должна быть
по крайней мере на 30—50 °C ниже температуры сжигания. Чаще,
однако, определяют температуру воспламенения, которая от темпе-
ратуры сжигания отличается тем, что зажженные над маслом газы
не гаснут сразу, а горят, по крайней мере 5 с. Температура восплз-
менения может быть определена или в открытом тигле (метод Мар
куссона) или в закрытом тигле (метод Мартенса-Пенски). Во втором
случае температура воспламенения обычно по крайней мере на 20°С
ниже и поэтому безопаснее устанавливать допустимую температуру
работы масла, исходя из температуры воспламенения в закрытом
тигле. В качестве допустимой температуры работы обычно принимают
температуру примерно на 30 °C ниже точки сгорания и на 60—80°С
ниже температуры воспламенения. Увеличение температуры воспла
менения масла после определенного периода эксплуатации по отно
шению к этой температуре для свежего масла означает повышение
окисления.
Плотность определяет в определенном приближении химическую
структуру масла. В случае если она меньше, чем 0,900 кг/л масло
относится к парафиновому типу, а если плотность превышает это
значение, в масле превалируют нафтеновые фракции. С экономи
ческой точки зрения парафиновые масла более выгодны, так как
при одной и той же массе, что и нафтеновое масло, от которой
зависит ее стоимость, они занимают больший объем.
Кислотное число означает количество КОН (в мг), необходимое
для нейтрализации свободных органических кислот, содержащихся
в 1 г исследуемого масла. По величине кислотного числа для свежего
масла можно сделать вывод о присутствии некоторых добавок. Уве-
личение кислотного числа в результате эксплуатации свидетельствует
о протекании процессов, старения. В качестве допустимой величины
кислотного числа принимают обычно 1 мг КОН.
Число омыления означает количество КОН (в мг), необходимое
для омыления свободных кислот и эфиров. Величина этого числа
зависит от присутствия растительных и животных жиров и оно не
должно превышать 2—3 мг КОН/г.
Число Конрадсона определяет склонность масла к коксованию-
Его определяют путем испарения масла без доступа воздуха и под-
счета остатка в массовых долях. Это исследование позволяет сравни-
112
8 Зак. 3245
113
Кислотное число мгр +/+ +/+ +/+ +/+ +1+ +/+ +/+ Показатель присутствия до-
КОН/гр бавок и степени окисления
Число омыления КОН/гр + /+ Показатель присутствия
растительных и животных
жиров
Низкотемпературное масло Высокотемпературное масло
Примечания: 1. В числителе — свежее, в знаменателе — использованное масло.
Знак + обозначает очень полезное испытание; ± испытание, которое когда-то было полезным.
чТ1> различные масла с точки зрения выделения осадка во вре-
эксплуатации.
' Сопротивление окислению может условно представлять критерий
.дикости масла и является очень важным для высокотемпературных
1аСел. Условия испытания, подобно как и определение других
шизико-химических свойств, оговорены стандартами. Для закалочных
йасел испытание заключается в нагреве их до определенной темпе-
ратурь1 (например, 130, 150 или 180 °C), пропускании через масло
роздуха или кислорода (например, 3 л/ч) в течение определенного
времени (например, 24 ч) в присутствии медной плитки в качестве
катализатора, а также в сравнении некоторых физико-химических
свойств масла до и после окисления. Этими свойствами обычно явля-
ется: вязкость, содержание кокса и кислотное число. Кроме того,
оценка вида перед и после окисления позволяет делать качественный
зывод о характере процессов, протекающих во время окисления.
Кроме вышеприведенных вспомогательных свойств определяют
еще и другие, например, летучесть (испаряемость), температуру
застывания, а также содержание загрязнений: пепла и воды. Очень
Зажно содержание воды, которое не должно превышать 0,05 %. Ее
влияние на охлаждающую способность, а также пожароопасность
рассмотрено в разделе 4.6.
В зависимости от марки масла, его физико-химические свойства
ааходятся в широких пределах [11]:
Температура воспламенения, °C 160—310
Температура сжигания, °C 172—320
Плотность при температуре 15 °C,
кг/л 0,849—0.933
Кинематическая вязкость при темпе-
ратуре 50 °C мм2/с (сантистоксы) 9,44—284,5
Показатель вязкости 0—152
Содержание воды, % 0—0,1
Кислотное число, мг КОН/г 0,02—3,60
Число омыления, мг КОН/г 0,1—54
Число Конрадсона, % 0—3,10
Содержание пепла, °/о 0—3,30
Сравнение практической применяемости основных и вспомогательных
физико-химических свойств приведено в табл. 4.2.
4.4. ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
С технологической точки зрения наиболее важное свойство закалоч-
ного масла — скорость охлаждения в зависимости от температуры
поверхности. Эти свойства определют лабораторными методами, опи-
санными в главе 2; лучше всего их представлять в виде графиков в
координатах температура образца — скорость охлаждения. Из этих
графиков можно определить критические температуры Т । и Т2,
Разделяющие отдельные фазы теплообмена, величину температурной
области пузырькового кипения (T = Ti — Г2), а также величину макси-
мальной скорости охлаждения и температуру, при которой распола-
гается этот максимум. Описанная сумма данных называется термо-
кинетическими свойствами.
В работе Масьона [74] дано комплексное описание термокинети-
ческих свойств 122 сортов масла, которые разделены в соответствии
е табл. 4.1 на три группы, каждая из которых разделена еще на
8*
115
Рис. 4.5. Термокинетические свойства закалочных масел отдельны'
групп в соответствии с классификацией, приведенной в табл. 4.1
определенных с помощью серебряного образца диаметром 8 и дли
ной 24 мм [74]:
1а — 50 °C. без циркуляции, 7, = 507±36 °C. 7,-365 *31 °C, Д 7- 141 ±27 °C;
16 — 50 °C, без циркуляции, 7, = 529±27 °C. 7,-341±26°С, Д 7-190±30 °C;
2а — 50 °C, без циркуляции, 7i — 524±30 °C. 7,-278±34°С, Д 7=246±37°С;
26 — 50 °C, без циркуляции. 71 —560±64 °C. 7,-280±49°С. Д 7-280±54 °C;
За — 150 °C, без циркуляции, 7,-626 ±49 °C,
7,-436±46 °C. Д7-190±29°С;
36 — 150 °C, без циркуляции, 7|-620±31 °C. 7,-380±40°С. Д 7-240±30°С.
116
ве подгруппы. На рис. 4.5 приведены результаты этих исследований,
^полненных с помощью серебряного образца диаметром 8 и длиной
мм. Как видно из рисунка, различные марки масла характеризуются
Разными термодинамическими свойствами даже в пределах одной
‘руппы или подгруппы. Этот факт вызывает необходимость рациональ-
ных основ выбора масел и одновременно указывает на то, что опре-
деление «закалка в масле» довольно неточно.
Масла группы 1а и 2а действительно сильно отличаются друг
от друга, лишь в пределах каждой из этих групп разброс критических
температур достигает 30 40 °C. Компаундированные масла (группа 2)
имеют по сравнению с обычными маслами (группа 1) не только зна-
,ц1телы1о большую максимальную скорость охлаждения, по' также и
значительно шире температурную область пузырькового кипения. Этот
факт вместе со смещением температуры Т2 примерно на 90 °C вниз
приводит к заметному повышению глубины упрочнения и тем самым
делает возможным применение стали с меньшим содержанием леги-
рующих элементов или даже углеродистых сталей вместо легиро-
ванных.
Высокотемпературные масла (группа 3), особенно подгруппа а,
имеют очень большой разброс данных в зависимости от вида масла.
Это связано как с составом и свойствами базовых масел, так и
с видом и содержанием добавок. Следовательно, и в этой группе
масел проблема выбора соответствующей марки масла для опреде-
ленного назначения имеет большое практическое значение.
4.5. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЦИРКУЛЯЦИИ МАСЛА
НА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Как уже упоминалось в разделе 4.1, одной из характерных черт
закалочных масел является ничтожно малая зависимость охлаждаю-
щей способности от температуры ванны. Это показано на рис. 4.6,
ил которого видно, что в области температур перлитного превраще-
ния средняя скорость охлаждения в обычных маслах (медленно охлаж-
дающих) практически независима от температуры масла, а в рафи-
нированных маслах (быстроохлаждающих) эта скорость незначитель-
но уменьшается после превышения температуры 70—80 °C. Из рисунка
также заметен рост средней скорости охлаждения при уменьшении
вязкости. На практике обычно температура ванны с низкотемператур-
ным маслом находится в пределах 50—80 °C по причинам, не завися-
щим от охлаждающей способности. Основной целью подогрева масла
является уменьшение его вязкости, что облегчает циркуляцию и
снижает потери за счет выноса. Иногда речь идет также о замедлении
Рис. 4.6. Влияние температуры
масла на среднюю скорость ох-
лаждения в середине прутка ди-
аметром 55 мм из жаростойкой
стали в температурной области
700—400 °C [71]:
1 рафкпнрованяос масло, 1.4 °Е/50 СС;
2 рафинированное масло. 2,0 сЕ/50 "С;
— обычное масло с вязкостью 1,6; 2,2
11 3.5 °Е/50 соответствеццо
117
процесса мартенситного превращения и уменьшения этим пуТем
закалочных деформаций.
В противоположность влиянию температуры, влияние характер
и интенсивности циркуляции масла на скорость и равномерность
охлаждения довольно значительно. Применение вынужденной цирку-
ляции или перемешивание охлаждающей среды приводит к еле
дующему:
постоянной замене жидкости, контактирующей с охлаждаемой
поверхностью с целью предупреждения ее перегрева, а в случае
масла также и недопущения снижения ее долговечности;
обеспечению равномерности охлаждения всей поверхности и
всех деталей садки таким образом, чтобы устранить мягкие пятна и
педопустить чрезмерные деформации;
выравниванию температуры всей массы охлаждающей среды д0
допустимого уровня (в случае масел с целью пожаробезопасности)
Рассматривая значение циркуляции, следует прежде всего раз-
дичать два ее вида, а также определить способ измерения ее
интенсивности. Во всех жидкостях и газах может иметь место лами-
нарное или турбулетное движение. Ламинарное движение, или слоис-
тое имеет место в том случае, когда частички газа перемещаются
в определенном направлении по параллельным путям. Измерение
интенсивности такого движения не представляет трудности, а его
величина выражается в единицах скорости, т. е. в м/с. В случае
текущих охлаждающих закалочных сред ламинарное движение со
скоростью протекания около 0,2 м/с определяется как медленное, а
со скоростью 2 м/с — как очень интенсивное. Между этими крайними
скоростями можно выделить условно среднюю степень интенсивности
ламинарного движения.
Измерение и определение турбулентного движения, которое насту-
пает после превышения определенной линейной скорости, определяемой
с помощью так называемого числа Рейнольдса, очень сложно.
Турбулентное движение характеризуется завихрениями и хаоти-
ческим по направлению к скорости перемещением частичек. Этот
вид перемешивания закалочных охлаждающих сред и особенно масел,
является с точки зрения технологии закалки более полезным, чем
ламинарное движение, так как он способствует увеличению равно-
мерности охлаждения, а тем самым уменьшает деформации.
Для лабораторных исследований влияния турбулентного движения
на кривых охлаждения Манссон предложил описанный ниже метод
измерения его интенсивности [74]|. В резервуаре с исследуемым
маслом (рис. 4.7) находятся:
лопастная мешалка (пропеллер) с приводом от электродвигателя
регулируемой мощности, а тем самым интенсивности перемешивания;
электрический нагреватель с регулятором напряжения и с при-
крепленным к его поверхности зондом 3, для измерения температуры;
второй зонд 32 для измерения температуры, размещенный на
определенном постоянном расстоянии от зонда Si.
Грелка заменяет некоторым образом охлаждаемый предмет и
позволяет поддерживать температуру поверхности на уровне, зави-
симом от напряжения ее питания, а также интенсивности перемеши-
вания ванны. Если принять постоянной разность температур А / меж-
ду зондами 3| и 32 (например, А/ = 50К), то напряжение питания
нагревателя должно увеличиваться с повышением интенсивности пере-
мешивания (мощность мешалки). Выше определенной величины этой
интенсивности напряжение питания нагревателя при данном сорте
масла стремится асимптотически к постоянной величине (рис. 4.8).
118
Рис. 4.7. Схема устройства для измере-
ния степени турбулентности закалочных
масел [74] :
/- мешалка с приводом регулируемой мощности;
2 — нагреватель с регулируемым напряжением пи-
тания; St — зонд для измерения температуры возле
поверхности нагревателя; Sj — зонд для измерения
температуры масла
Рис. 4.9. Влияние вне-
запной турбулентности
масла на скорость ох-
лаждения серебряного
образца диаметром 8 и
длиной 24 мм [74]:
/ — спокойное масло (не пере-
мешивалось); 2 сильно цир-
кулирующее масло
Т___I__I_____I__________Г
* 0 15 30 60 120
Мощность мешалки W, Вт
Рис. 4.8. Зависимость напряже-
ния питания нагревателя от мощ-
ности мешалки при постоянной
Разнице температур между зон-
дами Sj и Sj 50К в соответствии
с рисунком 4.7 для двух разных
масел [74]
Отношение мощности мешалки, использованной в исследовании, к
•'|аксимальной мощности, обеспечивающей постоянное значение Д t
а данном месте, является мерилом интенсивности возмущения и вы-
ражается в процентах. Величина 0 % обозначает отсутствие пере-
вешивания, а величина 95 % отвечает турбулентности, близкой к
Максимально достижимой скорости охлаждения.
На рис. 4.9 показано влияние внезапной турбулентности масла
119
на скорость охлаждения серебряного образца диаметром 8 и длицп
24 мм [74]. Это влияние, как показано на рис. 4.9, очень значите,-]^
но в фазах паровой подушки и в то же время оно небольшой ,
фазе пузырькового кипения. В зависимости от вида масла и диаметп
сечения закаливаемой детали влияние циркуляции масла на твеп
дость различно, но обычно значительно. В таблице 4.3 приведем,’
примеры твердости на половине радиуса прутков диаметром 20
40 мм из стали 40Х после закалки в разных маслах.
Американские источники обычно определяют интенсивность охлаж
дения с помощью коэффициента Гроссмана //. Этот метод для спо-
койного быстроохлаждающего масла дает величину Н 0,25—0,32
а для этого же масла, но в сильно перемешанном состоянии Н у'Ве'
личивается до 0,8—1,1, что в приближении отвечает охлаждающе?
способности спокойной воды. Следует, однако, помнить о всех ого-
ворках, касающихся метода Гроссмана, который описан в раз.
деле 2.6.1 н 2.6.3.
ТАБЛИЦА 4 3
ВЛИЯНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ДВИЖЕНИЯ
РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ
НА ТВЕРДОСТЬ НА ПОЛОВИНЕ РАДИУСА
ПРУТКОВ ДИАМЕТРОМ 20 И 40 ММ
ИЗ СТАЛИ 40Х |Н|
Вид масла (см. табл. 4.1) Диаметр прутка, мм Твердость HV300N после закалки в масле
спокойном завихренном
1а 20 532 563
40 399 444
1b 20 540 574
40 374 449
2а 20 575 592
40 501 512
2Ь 20 577 572
40 511 536
За 20 359 527
40 322 375
Метод измерения степени турбулентности, предложенный Мане»
ном, пригоден лишь для лабораторных или полупромышленных иссле
дований. В промышленных закалочных ваннах может наблюдаться
как ламинарное, так и турбулентное движение в зависимости от кон
струкции ванны и принятого способа перемешивания охлаждают®11
среды. Количественно^ определение интенсивности движения в эти'
условиях очень сложно и обычно ограничивается косвенными способа
ми (интенсивность протекания жидкости через насос или мощность
120
мешалок по отношению к объему охлаждающей среды) или опреде-
лениями типа: движение слабое, среднее, сильное. Циркулирующая
с помощью насосов и внешних теплообменников охлаждающая среда
обычно имеет спокойное ламинарное движение и эффективно поддер-
живает температуру всей массы ванны, хотя и не обеспечивает рав-
номерность охлаждения. Влияние этого вида перемещения на скорость
охлаждения невелико.
Значительно эффективнее можно реализовать все задачи пере-
мешиванием охлаждающей среды с помощью размещенных в соответ-
ствующем месте лопастей мешалок. Этот метод перемешивания обес-
печивает турбулентное движение, если мощность приводного двига-
теля мешалки соответствует объему масла. В соответствии с данными
фурмана [40], при объеме масла 0,25 м3 необходимая мощность
достигает около 200 Вт, при объеме 2,5 м3— около 2 кВт, при
10 м — около 7 кВт. Водяные охлаждающие среды из-за меньшей
вязкости требуют меныней мощности. Турбулентное движение жидко-
сти может быть вызвано также с помощью ультразвуковых генерато-
ров. В этом случае фаза паровой подушки уменьшается [40].
4.6. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ ВОДОЙ
Даже незначительное количество воды (менее 0,1 °/о) может вызвать
такие нежелательные последствия, как мягкие пятна, чрезмерные де-
формации и трещины. Кроме того, присутствие воды в масле значи-
тельно увеличивает риск возникновения пожара и даже взрыва. В
связи с этим ниже рассмотрены различные аспекты этой проблемы
в основном на основе работы [75], в том числе:
источники загрязнения масла водой;
влияние воды на скорость и равномерность охлаждения;
влияние на пожароопасность;
методы контроля присутствия и количества воды;
регенерация масла из загрязнений воды.
Источники попадания воды в масло могут быть различными. Од-
нако наиболее часто этими источниками являются неплотности в сис-
темах охлаждения масла, т. е. в теплообменниках, а также конден-
сация атмосферной влаги на внутренних поверхностях различных
трубопроводов или элементов печи (например, в случае универсаль-
ных камерных печей с предварительной камерой, под которой находится
свинцовая ванна), хранение масла в загрязненных бочках на
воздухе, применение загрязненных водой насосов, неплотность крыши
над закалочным участком и т. д.
Вода, находящаяся в масле обычно в виде мелкодисперсных ка-
пель, приводит к изменению характеристик охлаждения, ибо в этих
условиях на поверхности охлаждаемых деталей возникает неконтро-
лируемая и часто локальная паровая подушка. Уже при содержании
воды до 0,2 °/о фаза паровой подушки сохраняется до довольно низких
температур, а так как она обычно не покрывает всей поверхности,
то охлаждение протекает неравномерно. Это типичные условия, спо-
собствующие возникновению мягких пятен, деформаций и трещин,
особенно при сложных формах и недостаточно большой прокаливае-
мости. Под влиянием воды расширяется фаза пузырькового кипения
до более низких температур (рис. 4.10), а конвекционный тепло-
обмен ускоряется, что благоприятствует возникновению структурных
напряжений и деформаций.
Пожароопасность масла при наличии примесей воды увеличивает-
121
Рис. 4.10. Влияние содержания
воды на характер кривых охлаж-
дения образца диаметром 10 мм
в спокойном быстроохлаждаю-
щем масле [75]:
I — без воды: 2 — 0,2 % воды: 3 — 0,5
воды
ся главным образом из-за образования пены, являющейся смесью"
воды и воздуха. В момент погружения закаливаемых деталей в масло,
даже не содержащее воды, оно всегда загорается, однако в момент
полного погружения оно гаснет, так как выделяющиеся над зеркалом
ванны газы не имеют доступа к кислороду воздуха, а их тем-
пература в момент выхода из ванны ниже температуры воспламене-
ния. При большом содержании воды может образоваться и большое
количество пены, что приведет к переливанию масла через край,
тем самым создается добавочная пожароопасность. Если вода
находится в масле не в распыленном состоянии, а на дне резервуара
или в мертвых пространствах, в которых не происходит циркуляции
масла, то давление мгновенно образующегося пара может вызвать
взрывной выброс масла и его пожар.
Особенно большую опасность создают примеси воды в масле в
современных замкнутых закалочных агрегатах, в которых над маслом
находится защитная или науглероживающая атмосфера. В действи-
тельности, в этом случае наблюдается недостаток доступа кислорода
из воздуха, однако газово-масляная пена легко может попасть в
нагревательную камеру агрегата, где внезапная загазованность может
вызвать взрыв. Добавочным затруднением в предупреждении таких
ситуаций в замкнутых агрегатах является то, что масло непрозрачное.
Это делает невозможным обслуживающему персоналу наблюдать пер-
вые признаки образования пены в масле.
Признаками, указывающими на загрязнение масла водой, яв-
ляются:
сильное бурление зеркала масла во время охлаждения садки;
выбросы и треск (как при жарении);
сильное ценообразование при охлаждении деталей;
горение даже при полном погружении детали в ванну;
помутнение масла, его цвет становится светлым вплоть до мо-
лочно-бронзового;
значительное увеличение давления в замкнутых закалочных
агрегатах.
В случае появления такого рода явлений следует прервать работу
установки и проверить содержание воды в масле. Самым простым
и надежным способом проверки наличия воды является нагрев малой
пробы масла в стеклянной пробирке над горелкой или в химическом
стакане на электрической плите выше температуры 100 °C. Масло
без воды ведет себя спокойно, в то время как присутствие воды
приводит к характерному треску, вспениванию и разбрызгиванию. Во
время испытания рекомендуется измерять температуру с тем, чтобы
не превысить температуру кипения! Рекомендуется также количест-
венное определение содержания воды (например, с помощью ксилоло-
вого метода).
122
Устранение воды из масла может быть осуществлено с помощью
нескольких способов в зависимости от конструкции и величины зака-
лочной ванны, а также сорта масла. Самый простой метод — осто-
рожный подогрев до температуры 110—130 °C с целью испарения
долы. Медленный нагрев и наблюдение за интенсивностью вспенива-
ния масла здесь необходимы из-за возможности «выкачивания» масла.
]1оэтому более безопасно предварительно перекачать масло в другую
ббльшую емкость, наполняя ее не больше чем на 3/4 объема. Во
время испарения воды масло должно постоянно циркулировать. Испа-
рение кончают после прекращения вспенивания.
В масляных ваннах большой емкости рекомендуется, во-первых,
оставление ванны неподвижной в течение около одних суток с целью
возможности сбора воды в нижней части сосуда и испарения ее или
спуска. Этот процесс протекает труднее в смываемых маслах из-за
присутствия эмульгаторов. Устранение воды из свежих мало исполь-
зованных или несмываемых масел возможно также путем сепарации
в центробежном сепараторе. Таким образом можно уменьшить со-
держание воды до ~0,05—0,1 % [73].
Действенность регенерации масла проверяется с помощью одного
из лабораторных методов.
4.7. ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ В МАСЛАХ
В условиях эксплуатации закалочных масел из-за протекания разно-
образных химических процессов их свойства существенно изменяются.
Эти процессы называются старением масляной ванны и заключаются
в основном в термическом разложении более тяжелых углеводородов
на более летучие и газообразные, а также в окислении некоторых
соединений. Протекают также и процессы полимеризации продуктов
окисления, что приводит к значительному повышению вязкости. Кон-
такт масла с разогретой до высокой температуры поверхностью детали
вызывает, кроме того, крекинг и вторичные реакции продуктов рас-
пада. Окисленные углеводороды нестойки и в результате их распада
образуется шлам, оседающий на стенках сосуда и трубопроводов,
закрывая холодильники и фильтры, а также загрязняя поверхность
закаливаемых деталей. В этих условиях может также иметь место
неравномерное охлаждение со всеми вытекающими отсюда послед-
ствиями.
Охлаждающая способность парафиновых масел под влиянием ста-
рения обычно повышается. Причины этого — уменьшающееся по-
верхностное натяжение, что облегчает смачивание поверхности, про-
дукты разложения и окисления и другие загрязнения, облегчающие
пузырьковое кипение. В быстроохлаждающих маслах термокинетиче-
ские свойства очень мало изменяются даже после эксплуатации в те-
чение нескольких лет (рис. 4.11). Долговечность же высокотемпера-
турных масел меньше (рис. 4.12), хотя она и очень сильно зависит
от качества масла и условий его эксплуатации. В последнее время
фирмы, производящие масла, достигли больших успехов в области
долговечности этих масел.
Из приведенных выше данных видно, что основным фактором,
ограничивающим долговечность масел, является не изменение их
охлаждающей способности, а химические процессы, приводящие к
загустению и загрязнению масла. В высокотемпературных маслах
химическая деградация приводит иногда к полной желатинизации
масла после его охлаждения, что полностью делает невозможным
123
Рис. 4.11. Влияние эксплуата-
ции закалочных масел в тече-
ние 6 лет на охлаждающую
способность, определенную с
помощью серебряного шарика
диаметром 20 мм:
/ — обычное масло; 2 — быстроохлаж-
дающее масло; 3 — свежее масло; 4 —
использованное масло
Рис. 4.12. Изменение охлаждаю-
щей способности высокотемпера-
турного парафинового масла под
влиянием времени эксплуатации,
определенное с помощью сереб-
рянного шарика диаметром 20 мм
[77]:
/ — свежее масло; 2 — после 4 месяцев
эксплуатации: 3 — после 29 месяцев экс
плуатацин
приведение его в движение и возможное опорожнение резервуаров.
На практике к использованному маслу систематически добавляют
свежее масло с целью восполнения потерь, вызванных уносом с сад-
ками. Эти потери достигают приблизительно 10—25 кг на 1000 кг
садки. Благодаря этим добавкам долговечность масляных ванн до-
стигает от двух до нескольких лет.
4.8. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МАСЛА
Существенная польза, вытекающая из ступенчатой закалки,
заключается в основном в уменьшении размерных изменений и дефор-
маций, а также в улучшении некоторых механических свойств. Эта
технология способствовала также уменьшению стоимости продукции.
Раньше для этой цели применяли в основном селитровые закалочные
ванны, так как масла, применяемые в температурной области 120—
200 °C, имели очень низкую стойкость из-за процессов окисления
и увеличения вязкости. Со времени применения противоокисляющих
и стимулирующих охлаждающую способность добавок высокотемпе-
ратурные масла частично вытеснили селитровые ванны и заметно
способствовали расширению областей применения технологии ступен-
чатой закалки. Краткая характеристика этой группы масел приведена
ниже на примере масел под общим названием Мартемп, производимых
известной фирмой Хоугтон [78].
Свойства масел рассматриваемой группы могут быть приспособ-
лены для длительной работы в температурной области 129—250 °C,
а их вязкость должна обеспечить достаточно интенсивное перемеши-
124
ванне, которое является условием равномерного охлаждения. Эти
масла должны характеризоваться значительно большим сопротивлени-
ем процессам старения по сравнению с низкотемпературными маслами.
Поэтому базовые масла для этих целей должны иметь узкий темпе-
ратурный диапазон кипения, а дальнейшим условием их стойкости
являются соответствующие антиокислительные добавки. Охлаждаю-
щая способность этих масел, вообще говоря, меньше, чем у низко-
температурных масел из-за значительно более высокой температуры
ванны, но она выше по сравнению с селитровыми ваннами. Это по-
зволяет вести закалйу изделий с большими сечениями, в которых
требуются хорошие механические свойства в середине.
Различные типы высокотемпературных масел можно, исходя из
охлаждающей способности, разделить на две группы: обычные и
быстроохлаждающие. В таблице 4.4 приведены некоторые свойства и
применение пяти сортов масел Мартемп, из которых три первых отно-
сятся к группе обычных, а два последних — к быстроохлаждающим.
Это видно также из рис. 4.13 и 4.14. Охлаждающая способность
обычных масел в первом приближении определяет их вязкость.
С повышением вязкости о'хлаждающая способность уменьшается. В
быстроохлаждающих маслах определяющее значение с этой точки
зрения имеют добавки, увеличивающие скорость охлаждения.
Все эти масла, как и низкотемпературные, могут производиться
и в варианте, смываемом в воде без изменения охлаждающей способ-
ности. В этом случае название масла содержит букву Е, что означает
добавку специального вида эмульгатора.
Эксплуатационная долговечность высокотемпературных масел
зависит от многих условий их эксплуатации, в том числе и от того,
является ли ванна открытой (контактирующей с воздухом) или на-
ходится подзащитной атмосферой (в автоклаве). Из других факторов,
от которых значительно зависит стойкость масляной ванны, самыми
значительными являются [79]:
тепловая мощность подогревателей масла — не должна превышать
I —1,5 Вт/см2;
Рис. 4.13. Скорости охлажде-
ния серебряного шарика диа-
метром 20 мм в четырех видах
масла Мартемп при темпера-
туре 150 °C, [78]
0 50 100 150 200 250 Т, С
Рис. 4.14. Кривые охлаждения
поверхности и середины сталь-
ного прутка диаметром 55 мм
в обычном масле Мартемп-800
п в быстроохлаждающем мас-
ле Мартемп-875 [79]
I — поверхность; 2 — середина; 3 —
Мартемп-800/!50 °C; 4 — Мар-
темп-875/150 °C
125
СВОЙСТВА И ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
МАСЕЛ ТИПА МАРТЕМП ФИРМЫ «ХОУГТОН» [78|
Вязкость °Е при температуре, °C
Масло при 20 °C 50 100 200
Мартемп-60 0,884 4,9 1,6
Мартемп-800 0,877 9,0 2,1 J
Мартемп-3500 0,892 33,7 4,1 1,21
Мартемп-772 0,897 6,0 1,7 —
Мартемп-875 0,897 9.0 1,98
способ перемешивания — должен обеспечивать самое минималь-
ное попадание воздуха.
Необходимо учитывать также следующее:
интенсивное перемешивание ванны следует производить только
в момент охлаждения садки, в то время как в перерывах пониженная
интенсивность перемешивания должна обеспечивать только поддер-
жание постоянной температуры во всей массе масла;
в открытых ваннах площадь поверхности зеркала ванны, контак-
тирующей с воздухом, должна быть сведена к необходимому минимуму.
В случае соблюдения вышеприведенных правил долговечность
высокотемпературных масел хорошего качества в открытых ваннах
достигает около двух лет (рис. 4.12). Если ванна находится нод за-
щитной или науглероживающей атмосферой, то этот срок возрастает
даже до нескольких лет.
4.9. ВАКУУМНЫЕ ЗАКАЛОЧНЫЕ МАСЛА
Процесс охлаждения при закалке в вакуумных установках является
с самого начала применения этой технологии одним из самых трудных.
В первых конструкциях этих агрегатов была создана возможность
охлаждения после аустенизации исключительно в потоке нейтрального
газа (обычно азота). Это, однако, ограничивало возможности вакуум-
ной закалки такими высокотемпературными самозакаливающимися
сталями, как коррозионностойкие и быстрорежущие и то только при
небольших сечениях. Поэтому дальнейшее развитие вакуумных печей
привело к оборудованию их ваннами с закалочными маслами1.
Первые попытки закалки в масле после вакуумной аустенизации
проводились одинаково как в условиях технического вакуума над
маслом, так и под давлением азота близким к атмосферному. Оказа-
лось, что в случае, когда масло находится в вакууме, его охлажда-
' В Польше этого типа двухкамерные печи производятегг на Любумских термомс-
ханических заводах Элтерма в Швнебодзние по лицензии фирмы «Ипсеп».
126
ТАБЛИЦА 4.4
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАКАЛОЧНЫХ
Температура воспламенения. С Рекомендуемая температура эксплуатации. °C Общие назначения
261 120-150 Ступенчатая закалка деталей, чувстви-
290 130-180 тельных к деформациям из науглерожи-
360 150—250 ваемых и термически улучшаемых ста- лей, деталей подшипников качения, не- которых типов инструмента, пригодного для камерных и проходных печей
265 80—180 в автоклавах до 200 Для тонкостенных деталей, науглеро- женных слоев, зубчатых колес и т. д. Для деталей среднего сечения и слож-
295 150-180 в автокла- вах до 200 ной формы
кидая способность значительно ниже, чем в случае, когда масло
находится под давлением азота. В последнем случае, однако, оказа-
лось', что в верхнем слое деталей, аустенизированных при температуре
около 1000 °C или более высоких, обнаружены такие местные дефекты
структуры, как науглероживание, а в быстрорежущих сталях —
подплавление. Эти дефекты особенно наблюдаются на ребрах и
острых кромках. Пониженная охлаждающая способность масла под
вакуумом объясняется некоторыми авторами испарением очень легких
фракций [80], в то время как науглероживание вызвано выделяющимся
из масла метаном в условиях контакта с поверхностью при высокой
температуре.
На рис. 4.15 показано влияние давления азота над маслом на
скорость охлаждения середины медного шарика диаметром 20 мм
для двух советских вакуумных масел (ВМ-3 и ВМ-4). Как видно
из рисунка, изменяется не только скорость охлаждения, но и темпе-
ратурная область фазы пузырькового кипения.
Вакуумная закалка не оказывает негативного влияния на струк-
туру верхнего слоя, так как выделяющиеся из масла газы момен-
тально отсасываются, что уменьшает степень его разложения и снижа-
ет углеродный потенциал газов. К другим факторам, оказывающим
влияние па науглероживающее воздействие масла, относятся: терми-
ческая стабильность, охлаждающая способность, интенсивность пере-
мешивания, величина садки и размер закаливаемых деталей.
В связи с описанными явлениями некоторые производители зака-
лочных масел разработали специальные виды масел, приспособленные
Для вакуумных установок. От таких масел требуется прежде всего
Малая упругость паров, малая вязкость, отсутствие неблагоприятного
влияния на чистоту поверхности и соответствующая охлаждающая
способность. Однако некоторые специалисты считают, что каждое
обычное закалочное масло, обеспечивающее светлую поверхность,
Может быть использовано в вакуумных агрегатах при условии соот-
ветствующей подготовки ванны. Эта подготовка должна включать:
осторожный нагрев масла в течение 20 ч при температуре несколько
Чиже температуры воспламенения и при атмосферном давлении
с целью удаления летучих фракций и воды;
127
Рис. 4.15. Влияние давления азота над совет-
скими вакуумными маслами ВМ-3 и ВМ-4 при
температуре 20 °C на скорость охлаждения
медного шарика диаметром 20 мм [80], ГПа:
/ — 6,5 10 -3; 2 - 200; 3 — 665; 4 — 1013
дегазацию и перемешивание масла под вакуумом во время нагрева
садки. .
Фирма «Ипсен-Рокфорд» (США) рекомендует на основе своего
опыта следующие пути предупреждения возникновения науглерожи-
вания и подплавления на быстрорежущих сталях с минимальным
размером стороны сечения около 50 мм [8]:
в области охлаждения до температуры около 900 °C поддерживать
над маслом слабый вакуум;
применять нижние допустимые температуры аустенизации при
соответственно удлиненном времени аустенизации;
в некоторых случаях подхолаживание садки до температуры около
950 °C в нейтральном газе и дальнейшее охлаждение в масле ока-
зывается достаточно действенным средством.'
Однако эта последняя рекомендация проблематична, так как
подходящее время подстуживания установить очень трудно и наблю-
дается повышенный разброс твердости. Кроме того, вносится таким
образом в технологию субъективный фактор.
Из вышеприведенных рассуждений и другой информации вытекает
общий вывод о том, что применение закалочных масел в вакуумных
печах значительно расширило размерные возможности и возможности
по ассортименту закаливаемых сталей по этой технологии, но по срав-
нению с охлаждением в газах оно создает дополнительно большие
трудности и оно дороже. Поэтому при дальнейшем развитии конст-
рукций вакуумных печей пересилила тенденция ускоренного охлаж-
дения в газах повышенного давления (глава 6).
В 1981 г. в Институте технологии нефти в Кракове разработано
масло с рабочим названием Хартеноль-РЗ, которое, судя по исследова-
ниям автора этой книги, показало почти идентичные термокинетические
128
свойства с импортируемым из ФРГ маслом под названием Энер-
соль WT-1.
4 10. СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ,
ПРОИЗВОДИМЫХ В ПОЛЬШЕ,
с НЕКОТОРЫМИ ЗАРУБЕЖНЫМИ
Н 1964 г. в Польше разработаны три сорта масла: ОН-70, ОН-120 и
ОН-160, причем ОН обозначает закалочное масло, а число после
букв ОН обозначает среднюю температуру применения этих масел.
Масло ОН-70, в настоящее время наиболее широко распространенное,
может быть отнесено к группе быстроохлаждающих масел, в то время
как остальные масла являются высокотемпературными маслами, хотя
масло ОН-120 может быть также признано как универсальное (для
применения при низких и повышенных температурах).
В 1976 г. в Институте точной механики в Варшаве в содружестве
с Институтом технологии нефти была начата комплексная работа
над всеми типами закалочных охлаждающих сред, в том числе и над
маслами. В результате двухлетних исследований были разработаны
три новых разновидности масел ПНР: Хартеноль WZ-1, Хартеноль
SZ-I и Хартеноль G-1, т. е. по одному в каждой из основных групп
(W—медленно охлаждающее, S — быстроохлаждающее, G — го-
рячее) .
Некоторые из исследованных физико-химических свойств масел
польского производства приведены в табл. 4.5, из которых следует:
в группе обычных масел масло ПНР Хартеноль WZ-1 имеет не-
сколько худшие свойства по сравнению с маслом Великобритании
Илоквенч № 1, но отличается в лучшую сторону (особенно по сопро-
тивлению окислению) от BN-64. По отношению к двум специально
отобранным маслам типа Изодур с крайними показателями вязкости,
масла ПНР имеют промежуточные свойства. В этой группе масел
охлаждающая способность зависит в основном от вязкости;
в группе-быстроохлаждающих масел масло Хартеноль SZ-1 наи-
более близко к эталонному маслу Дуриксоль В-4. По сравнению с
ОН-70 новое масло ПНР имеет значительно меньшую вязкость,
что уменьшает потери с выносом;
в группе масел для ступенчатой закалки Хартеноль G-1 имеет
свойства, близкие к зарубежным образцам, и значительно меньшую
вязкость по сравнению с маслом ОН-160.
Исходя из скоростей охлаждения для отдельных масел исследо-
ванных трех групп (рис. 4.16), можно сделать следующие выводы.
В группе обычных масел масло Изодур имеет довольно широкий
температурный диапазон пузырькового кипения, а Хартеноль WZ-1
занимает с этой точки зрения промежуточное положение, характери-
зуясь при этом большим значением максимальной скорости охлаж-
дения. Масло BN-64 отличается большой областью пузырькового ки-
пения .
В группе быстроохлаждающих масел резко выделяется как наи-
более быстроохлаждающее масло Дуриксоль В-4. Хартеноль SZ-1
имеет по сравнению с маслом ОН-70 ббльшую максимальную ско-
рость охлаждения и более низко расположенную фазу пузырькового
кипения. Это новое масло ПНР очень близко к широко применяемому
в ФРГ маслу Изомакс 166 Е.
В группе высокотемпературных масел новое масло польского
производства Хартеноль G-1 очень близко к широко распространен-
9 Зак. 3245
129
Рис. 4.16. Скорости охлаждения серебряного образца диаметром 8 и длиной 24 мм в закалочных мас-
лах ПНР и зарубежного производства [83]:
а — обычные масла с температурой 60 °C; б — быстроохлаждающие масла с температурой 60 °C; в — масла для ступенчатой закал-
ки с температурой 150 РС; / — BN-64; 2 - Илоквенч-1; 3 — Хартеноль-WZ-1; 4 — Изодур-160; 5 — Изодур-650; 6 -- ОН-70; 7 —
Илоквенч Хе 32; 8 Хартеноль SZ-1; 9 — Дурнксоль В-4; /О Изорапнд-277; // - Изомлкс J66E; 12 ОН 160; !3 Мартемп-875;
14 — Мартемп-722; 15 — Хартеноль G-I; 16 Илокпсич № 9; /7 — OH-J20
СРАВНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЕЛ ПНР И ЗАРУБЕЖНЫХ
ТАБЛИЦА 4.5
Температура Кинематическая
воспламенения. вязкость, мм’/с
Группа масел Страна, производящая масло Название масла Плотность °C (сСт) при тем- пературе Показатель вязкости
тигель закрыт тигель открыт
50 "С 100 °C
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Низкотемпера- ПНР BN-64 0,898 192 217 18,70 4,90 70,7
турные обычные Хартеноль WZ-1 0,8964 184 194 13,7 — —
Великобритания Илоквенч № 1 0,859 199 205 13,53 3,83 73,9
ФРГ Изодур 160 0,896 165 197 7,4 — —
Изодур 650 0,909 215 223 51,77 8,52 49,4
Низкотемпера- ПНР ОН-70 0,892 176 196 15,80 4,50 83,3
турные быстроох- Хартеноль SZ-1 0,866 150 160 8,0 —
лаждающие Великобритания Илоквенч № 32 0,859 193 201 13,5 4,00 103,7
ФРГ Изорапид 277 0,892 182 203 17,42 7,52 . 85,7
Изомакс 166 0,881 168 225 7,70 2,00 65,3
Дурнксоль В-4 0,870 154 163 7,95 2,76 94,3
Высокотемпера- ПНР ОН-120 0,885 199 228 26,77 6,27 101,7
турные ОН-160 0,892 216 265 119,3 17,2 80,8
Хартеноль G-I 0,9003 220 250 72,0 — —
Великобритания Илоквенч Ns 9 0,906 231 258 74,04 12,89 97,3
ФРГ Д4артемп 722 0,896 232 242 45,9 8,70 84,0
Мартемп 875 0,895 239 256 70,48 12,60 100,0
Продолжение табл. 4.5
Рис. 4.17. Потери с выносом
для некоторых обычных масел
в зависимости от их темпера-
туры [83]:
' - Иэодур-160: 2 — Хартеиоль WZ-I;
3 — BN-64; 4 — Изодур-650
ному и признанному очень хорошим маслу Мартемп 722. От ОН-160
оно значительно отличается, как видно из рисунка, положением и
областью фазы пузырькового кипения.
С целью облегчения сравнения охлаждающей способности масел
производства ПНР с известными за рубежом маслами в табл. 4.6
приведены критические температуры и другие количественные данные
для всех исследованных марок масел. Из этих данных следует, что
в каждой группе масел нефтехимическая промышленность ПНР
предлагает масла со свойствами, близкими к маслам известных за-
рубежных фирм.
Исследование интенсивности закалки методом CETIM подтверж-
дает оценку, приведенную выше. Исследование потерь за счет выноса,
которые особенно в группе обычных масел определяют стоимость
расхода охлаждающих сред на единицу продукции, показало, что
новое масло производства ПНР Хартеноль WZ-1 значительно лучше,
чем масло BN-64 (рис. 4.17).
4.11. ПОЖАРООПАСНОСТЬ И СРЕДСТВА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
Легкая воспламеняемость минеральных масел — основной недостаток
их применения для закалки. Пожар масла в закалочной ванне может
иметь катастрофические последствия, хотя этого рода случаи —
правда, их нигде нельзя исключить — встречаются в хорошо спроек-
тированных и правильно эксплуатируемых закалочных установках от-
носительно редко. Действенное предупреждение пожаров, а когда они
возникнут, их тушение требуют знания всех факторов, благоприятству-
ющих и предупреждающих эту опасность. Перед началом более широ-
кого освещения этой проблематики следует подчеркнуть, что в прин-
ципе никогда не горит само масло, а горят лишь его пары. Ибо
лишь пары могут образовывать с кислородом воздуха горящую смесь.
Такое же положение и с масляной пеной, которая содержит пары
масла и воздуха.
К главным причинам возникновения пожаров, источником которых
являются пары масла и газов, относятся:
перегрев масла в результате очень малой его массы по отношению
к массе охлаждаемого металла;
перегрев масла в непосредственном соседстве с садкой в резуль-
тате очень слабой циркуляции масла или очень высокой его вязкости
(рис. 4.3);
133
СРАВНЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР И МАКСИМАЛЬНЫ
И ДЛИНОЙ 24 ММ В ЗАКАЛОЧНЫХ "АСЛАХ ПГО;;зоидг./У »
----------------------------------------------------___2** ВА д
Группа масла
Сорт масла
Страна
Обычные Илоквенч № 1 Великобритания
Быстроохлаждающие Изодур 650 Изодур 160 Хартеноль WZ-1 BN-64/C-0539-04 Илоквенч № 32 ФРГ ФРГ ПНР ПНР Великобритания
Для ступенчатой Изорапид 277 Изомакс 166Е Дуриксоль Хартеноль SZ-1 Хартеноль SZ-2 ОН-70 Илоквенч № 9 ФРГ ФРГ ФРГ ПНР ПНР ПНР Великобритания
закалки (высоко- Мартемп 722 ФРГ
температурные) Мартемп 875 ФРГ
Хартеноль G-1 ОН-160 ОН-120 ПНР ПНР ПНР
ТАБЛИЦА 4.6
в" ЗАКАЛОЧНЫХ МАСЛАХ ПРОИЗВОд^ рРОСТЕЙ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕРЕБРЯНОГО ОБРАЗЦА ДИАМЕТРОМ 8 ММ
___________________________УДСгВа '.ЗЛИЧНЫХ стран
Максимальная
скорость
охлаждения, К/с
Критическая температура,°C
Л
Г.
А / = Т1—Т'2,
К
560 384 176 280
560 372 . 188 225
494 348 146 240
530 359 171 275
585 350 235 275
600 355 245 305
650 340 310 360
590 305 285 370
620 320 300 525
550 285 265 385
530 288 242 295
600 350 250 345
630 335 295 335
660 340 330 375
660 355 305 385
630 320 310 365
690 400 290 415
590 380 210 320
неполное погружение охлаждаемых деталей в результате неисправ-
ности перемещающих механизмов или транспортеров, а также недо-
статочной глубины ванны;
очень малая скорость погружения закаляемых деталей;
превышение допустимого содержания воды в масле;
преждевременное удаление деталей из ванны.
Отношение массы масла к массе охлаждаемой садки (брутто)
должно приблизительно быть 10:1. В случае хорошей циркуляции
масла, а также, когда закалка поштучная или немногих деталей, от-
ношение массы масла к массе садки можно снизить до 7:1.
Значение вынужденной циркуляции масла более подробно рас-
смотрено в разделе 4.5. С точки зрения пожарной безопасности цир-
куляция масла имеет целью достаточно быстрое распределение тепла
по всему объему ванны и, таким образом, недопущение чрезмерного
локального повышения этой температуры. Этой же цели служит и
ограничение вязкости максимум до 2—3 °Е и ограничение не только
верхней, но и нижней температуры (область 30±80°С), от которой
эта вязкость зависит. В конце охлаждения температура масла должна
быть по крайней мере на 40—60 °C ниже температуры сгорания и
соответственно больше температуры воспламенения.
Неполное погружение садки независимо от его причины должно
всегда вызывать пожар, поэтому подъемные устройства или транс-
портеры должны быть оборудованы аварийными механизмами (напри-
мер, пневматическими) на случай отключения электрического ;
питания.
Фактор скорости погружения садки не играет большого значения
в проходных печах, т. е. когда закаливаемые детали цадают в масло
за счет гравитации и поштучно или небольшими порциями. Такое
положение имеет место в закрытых агрегатах, где вся садка погру-
I жается одновременно, а масло находится под защитой безокислнтель-
ной атмосферы. Совершенно другая ситуация наблюдается в том
случае, когда закаливаемые детали находятся в открытых ваннах.
В этом случае очень медленное погружение садки приводит к пожару,
который длится до момента полного погружения, но это может вы-
I звать и длительный пожар. Рекомендуется, чтобы скорость погруже-
। пня была не меньше 14—22 м/мин, а глубина погружения не меньше
20—30 см ниже зеркала ванны [84]. Особенно большое значение
имеет скорость погружения деталей трубчатой формы. Ибо в этом
случае внутри деталей образуется большое количество пара, который,
поднимаясь вверх, приводит к фонтанному выбросу масла.
Значение воды в масле как фактора, благоприятствующего пожар-
I ной опасности, рассмотрено в разделе 4.5. Это практически одна
из главных потенциальных опасностей. В ваннах с температурой,
превышающей 100 °C, содержание воды около 0,2—0,3 % приводит
к интенсивному образованию масляной пены и создает возможность
I ее «выкипания» не только во время закалки.
В качестве мер, предупреждающих возникновение пожаров в
масляных ваннах, а также, если они возникнут, способствующие его
быстрой ликвидации, можно упомянуть [84], [85]:
применение масел с сопротивлением испарению при рабочей
температуре;
достаточно интенсивная циркуляция;
сохранение надлежащего отношения массы масла к массе зака-
ливаемой садки (брутто);
контроль температуры и уровня масла;
оборудование ванн вытяжной вентиляцией с возможным учетом
Тушения пожаров масляных паров в вытяжных трубопроводах с
। Помощью диоксида углерода (в больших установках);
134
135
установка автоматизированных устройств, сигнализирующих 0
превышении содержания воды свыше 0,1 %, особенно в закрыты*
ваннах;
установка аварийных резервуаров для масла за пределами участка
закалки, соединенных с закалочными ваннами с помощью трубопро.
водов, позволяющих быстро отпускать масло (в течение 10 мин)-
оборудование больших открытых ванн установками для тушения
диоксидом углерода или образование преграды из нейтрального газа
(обычно азота);
оборудование участков закалки соответствующими устройствами
для тушения пожара;
обучение персонала закалочных участков правилам пожарной
безопасности.
----- 5. ОХЛАЖДЕНИЕ
== В РАСПЛАВЛЕННЫХ СОЛЯХ
И ЩЕЛОЧНО-СОЛЯНЫХ ВАННАХ
5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Ступенчатая и изотермическая закалка, преимущества и область
применения которых заинтересованный читатель найдет в работе [9],
требуют охлаждающих сред с рабочей температурой в пределах
150—550 °C. Такими средами могут быть уже описанные в предыду-
щем разделе высокотемпературные минеральные закалочные масла,
расправленные соли или щелочи, некоторые легкоплавкие металлы
и их сплавы, а также диспергированные среды. Среди металлов издав-
на наиболее часто применялся свинец (в основном в процессе патен-
тирования проволоки) или его сплав с оловом. Однако из-за токсич-
ности паров свинца, а также из-за отсутствия существенной разницы
в охлаждающей способности по сравнению с расплавленными солями
он в настоящее время почти не применяется. Область применения
диспергированных сред для рассмотренной цели также незначи-
тельна (глава 6). Исходя из этого, а также учитывая, что высокотем-
пературные минеральные масла имеют очень узкий температурный
диапазон эксплуатации (150—200 °C, реже 250 °C), наиболее широкое
применение для ступенчатой и изотермической закалки нашли рас-
плавленные соли и щелочи.
Механизм теплообмена во время охлаждения в расплавленных
солях, металлах и диспергированных средах, как это более детально
рассмотрено в разделе 2.3, совершенно другой, чем в жидкостях,
подвергающихся кипению при температурах более низких, чем темпе-
ратура закаливаемых деталей. В соответствии с законом Ньютона
плотность теплового потока, а следовательно, и скорость охлаждения,
пропорциональна градиенту температуры на поверхности. Следова-
тельно, эта скорость максимальна в начальный период охлаждения
(около 800—700 °C), а не как это требует кинетика фазовых превра-
щений в области перлитного превращения. Это является основной
причиной, ограничивающей возможность ступенчатой и изотермиче-
136
рис. 5.1. Скорости .охлаждения сереб-
ряного шарика диаметром 20 мм в рас-
плавленной селитровой соли с темпера-
турой 180 °C и в быстроохлаждающем
минеральном масле [76] :
I - селитровая саль 180 °C; 2 — быстроохлажда-
ющее масло, 60 °C
ской закалки деталей только малых и иногда средних сечений. Это
основное различие в процессе охлаждения схематически показано
на рис. 2.2, а на конкретном примере селитровой соли и быстроох-
лаждающего масла на рис. 5.1.
Охлаждающая способность соляных ванн, как правило, невелика,
но может подвергаться регулировке в довольно широких границах
путем изменения интенсивности циркуляции, а также добавления
воды. Особенно эффективно совместное влияние обоих факторов.
Теплопроводность расплавленных солей на два порядка меньше, чем
расплавленных металлов, но теплоемкость солей значительно превы-
шает теплоемкость металлов. Если теплоемкость расплавленного
свинца достигает ~ 125 кДж/(кг-К), то для селитровых ванн и щелочей
эта величина по крайней мере в 10 раз больше. Благодаря этому,
а также значительно меньшей вязкости соляной ванны по сравнению
с металлами, в охлаждающей способности этих двух типов охлаждаю-
щих сред не наблюдалось существенной разницы.
К основным недостаткам селитровых ванн относится их внезапное
химическое разложение после превышения допустимой температуры,
а также экзотермическая реакция с горючими материалами. Эти реак-
ции могут вызвать пожар и даже взрыв. Поэтому безопасная эксплу-
атация ванн этого типа требует прямого выполнения соответствующих
правил, которые более подробно приведены в разделе 5.4. Расплав-
ленные соли и щелочно-хлористые соли значительно безопаснее, но
с точки зрения их более высоких температур плавления они не могут
в полной мере заменить селитровые ванны.
Температуры ванн для ступенчатой и изотермической закалки
диктуются положением температуры начала мартенситного превра-
щения Ms, данной марки стали (рис. 1.2) при определенных пара-
метрах аустенизации. С этой точки зрения каждый из применяемых
в настоящее время типов ванн (масла, селитры, ванны преимущест-
венно щелочные) имеет свою область применения, которая, однако,
частично может перекрываться с областью другого типа ванны. Для
масел эта область не превышает 250 °C, для селитровых ванн 160—
500 °C, а для щелочных ванн 350—600 °C. Добавка воды снижает
температуру плавления соляных и щелочных смесей и благодаря этому
расширяет область их применения в сторону более низких температур.
Конструкционные стали в зависимости от сорта и других технологи-
ческих факторов требуют обычно температуру около 200—350 °C,
в то время как быстрорежущие стали закаляют ступенчато в ваннах
с температурой 450—600 °C.
Селитровые соли способствуют незначительному окислению по-
верхности и ее окрашиванию, в то время как после охлаждения в
щелочах поверхность чистая, светло-серого цвета. Остатки соли на
137
поверхности деталей легко растворяются в воде, особенно при повы
шейной температуре.
5.2. СОЛИ СЕЛИТРЫ
Нитриты и нитраты натрия и калия—соли с низкими температурами
плавления, а нитрито-нитратовые смеси в пропорции 1:1 плавятся
при температуре 150 °C. На рис. 5.2 приведены изотермы плавления
Рис. 5.2. Изотермические сечения поверх-
ности ликвидуса системы KNO3—KNOs—
—NaNOz—NaNO3 [86|
этих смесей. Стороны и диагональ этого квадрата позволяют опреде-
лить температуру плавления бинарных систем, а каждая точка на
поверхности прямоугольного треугольника относится к соответствую-
щему составу необходимого тройного сплава. Добавка воды в селитро-
вую ванну, главной целью которой является повышение охлаждающей
способности, приводит также и к снижению температуры плавления.
Так, например, смесь, содержащая 53 % KNO3 + 40 “/oNaNOj +
+ 7°/0NaNO3, без воды плавится при температуре 140 °C, а с добавкой
2—3 °/0 воды — при температуре 100 °C. Это приводит к уменьшению
вязкости и по этой причине к увеличению скорости охлаждения.
В таблице 5.1 приведены примеры селитровых ванн, применяемых
на практике, и температурные области их использования.
В таблице 5.2 приведены температурные области эксплуатации
солей, применяемых в ФРГ. Соляные ванны охлаждают медленнее
(табл. 5.3) и равномернее, однако, как уже было показано на рис. 5.1,
максимальная скорость охлаждения не совпадает с необходимой тем-
пературной областью. Факторами, с помощью которых можно регули-
ровать скорость охлаждения в довольно широкой температурной об-
ласти являются:
температура ванны (с понижением температуры увеличивается
скорость охлаждения в соответствии с законом Ньютона) (рис. 5.3);
вязкость, снижение которой, вызванное, например, повышением
138
ТАБЛИЦА 5.1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
СЕЛИТРОВЫХ ВАНН (49]
Температурная
Температура область эксплу-
плавления, °C атации, °C
XaNO3 308 320—550
KNO3 334 350—550
МаМОг 284 325—550
KNO2 387 —
450/nNaNO3 + 55%KNO3 220 230—550
45°/oNaN03 + 27,5»/0NaNO3 + 27,5%KNO3 120 140—260
450/oNaN02 + 55KN03 137 155—550
50°/0NaNO3 + 50°/0KNO2 150 160—550
50%NaJW2 + 500/0KNO3 225 280—550
250/oKN03+75»/oNaN03 240 380—540
50 o/oN a NO3 + 50 o/oN a N O2 205 260—600
25 °/oN a NO2 + 25 %N a N O3 + 50 %K NO3 175 200—600
ТАБЛИЦА 5.2
ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБЛАСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОЛЕЙ.
ПРИМЕНЯЕМЫХ В ФРГ ДЛЯ СТУПЕНЧАТОЙ И ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ (78]
Обозна- чение Температурная область Вид coin Цвет эксплуатации. °C Применение допустимая применяемая
AS135 AS 225 Селитровая Красный 160—550 180—220 Закалка стали с Селитровая Красный 230—550 240—300 температуры <950 °C '
GS250 GS345 GSS405 Щелочная Серо-белый 300—700 500—580 Закалка стали с Щелочная Белый 400—700 500—580 температур Хлористая Белый 460—700 500—580 >950 °C, в осо- бенности быстро- режущих
ТАБЛИЦА 5.3
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ (ПО СРАВНЕНИЮ С ВОДОЙ) ОХЛАЖДАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
РАСПЛАВЛЕННЫХ СОЛЕЙ И ЩЕЛОЧЕЙ
В ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБЛАСТИ 650-550 °C (59]
Охлаждающая среда
(умеренная циркуляция)
Относительная
охлаждающая
способность
Вода при температуре 20 °C 1,000
К\’О3—NaNO2, 160 °C 0,390
NaOH—КОН, 200 °C 0,365
KNO3—NaNO2 или 250 °C 0,334
NaOH—КОН или 300 °C 0,300
KNO3—NaNO3 или 350 °C. 0,260
400 °C 0,210
139
Рис. 5.3. Влияние тем-
пературы серебряного
шарика диаметром
20 мм (950 и 800 °C) и
температуры (цифры у
кривых, °C) селитровой
ванны (50°/0KNO3 +
+ 50 % NaNO3) на ско-
рость охлаждения по
Люегу и Помпу
Рис. 5.4. Влияние добавки
воды на скорость охлажде-
ния серебряного шарика
диаметром 20 мм в селит-
ровых ваннах [87]:
I — 300 °C. 0.18 %Н2О: 2 -
400 °C. 0.09 % Н,О; 3 - 400 °C,
без воды
разницы между температурой плавления и температурой ванны,
приводит к росту скорости охлаждения;
интенсивность циркуляции, которая из-за конвективного тепло-
обмена является, кроме обеспечения безопасности, необходимым
условием охлаждения;
добавка воды в количествах, зависящих от температуры ванны,
является наиболее эффективным фактором, повышающим скорость
охлаждения.
Рис. 5.6. Изменение содержания воды в
селитровых ваннах при температурах
300, 400 и 500 °C в зависимости от вре-
мени [87]
700 до 300"С, измеряемое
прибором Мейнхардта
(цифры у кривых — тем-
пература ванны, °C) [76]
140
Растворимость воды в селитровых солях (55 %KNO3 + 45 %NaNO2)
по данным работы [87], приблизительно равна: при температуре
200 °C ~3,8°/0; при 300 °C -0,5%; при 400 °C ~0,18% и при
500 °C ~0,12%. Радикальное влияние добавки воды на скорость
охлаждения, а также на расширение температурной области макси-
мальной скорости охлаждения приведено на рис. 5.4 и 5.5. Под влия-
нием испарения, особенно во время охлаждения садки, содержание
воды в селитровых ваннах уменьшается и ее нужно доливать.
Интенсивность испарения воды очень сильно зависит от температуры
ванны (рис. 5.6). Очень большое содержание воды нежелательно,
так как приводит к интенсивному возмущению ванны паром. В соот-
ветствии с работой [22] и в зависимости от температуры ванны можно
принять следующие содержания воды:
200 °C — 0,5—2,0 %
250 °C — 0,5—1,0%
300 °C — 0,25—0,5 %
400 °C — 0,10—0,25 %.
Долив воды в расплавленные соли и щелочи следует производить
очень осторожно, чтобы не вызвать выплескивания. Ванна в этот
период должна интенсивно перемешиваться, а воду из трубы диамет-
ром не больше 6 мм следует направлять в место вблизи выхода
из наноса или крыльчаток, вызывающих циркуляцию ванны. При-
близительную оценку содержания воды опытный работник делает,
исходя из интенсивности выделения пара во время погружения
закаливаемых предметов. Можно определить содержание воды также
путем отбора пробы соли, взвешивания ее, нагрева до температуры
около 400 °C с целью испарения воды и повторного взвешивания.
Другой метод состоит в определении температуры застывания и
подсчете содержания воды из графиков для соли известного состава.
В работе [88] описан прибор для измерения содержания воды, осно-
ванный на измерении электропроводности соляных ванн.
Область применения селитровых солей как охлаждающих сред
обычно включает детали малых сечений из цементуемых и термиче-
ски улучшаемых сталей. Раньше изотермическая закалка этого вида
деталей чаще всего производилась после аустенизации или цемента-
ции в солях. В настоящее время большое количество специализиро-
ванных фирм (например, «Дегусса», «Аяне») изготовляют высокоав-
томатизированные агрегаты, состоящие обычно из атмосферной печи
с встряхивающим подом, соляной ванны с соответствующим
ленточным транспортером, а также из ванны для мытья в теплой
воде.
Несмотря на наличие многих существенных недостатков рас-
плавленных солей и щелочей, применяемых в качестве охлаждающих
сред (основной недостаток селитровых солей — легкая воспламеняе-
мость и даже взрывоопасность), они даже в промышленно развитых
странах довольно широко применяются, так как для температурной
области 250—550 °C не сумели до сих пор разработать другие среды.
В селитровых солях по соображениям безопасности не следует зака-
ливать детали, температура аустенизации которых превышает 950 °C,
а размеры сечения превышают 15—20 мм в случае закалки единичных
или небольшого количества деталей. При больших садках даже детали
с малым сечением могут вызвать локальное превышение допустимой
температуры ванны, т. е. около 550 °C. Закалочные автоматы исклю-
чают такую возможность. Предприятия, не располагающие оборудова-
нием такого типа, охотнее применяют щелочные ванны или ванны с
добавками различных солей.
141
5.3. ОХЛАЖДЕНИЕ В РАСПЛАВЛЕННЫХ ЩЕЛОЧАХ
И ЩЕЛОЧНО-СОЛЯНЫХ ВАННАХ
Расплавленные щелочи NaOH и КОН сами или с примесями различ
пых солей (табл. 5.4) по сравнению с чисто селитровыми ваннам^
более безопасны и не приводят к окислению поверхности.
В самом деле, NaOH имеет температуру плавления 328 °C, а КОН
даже 360 °C; лишь смеси этих щелочей и особенно с добавками воды
плавятся при значительно более низких (рис. 5.7).
Температура плавления важна в том смысле, что чем она ниже
температуры ванны, тем меньше ее вязкость, что влияет полезно на
ТАБЛИЦА 54
ПЛАВЛЕНЫЕ ЩЕЛОЧИ И СОЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СССР
ДЛЯ СТУПЕНЧАТОЙ И ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ [49J
• Химический состав, % Температура плавления, °C Температурная область приме- нения, °C
NaOH 328 350—700
КОН 360 400—650 .
75°/oNaOH + 25%NaN03 280 420—540
20%NaOH+-80%KOH с добавкой 6%Н2О 130 150—250
37°/0NaOH + 63o/0KOH 160 180—350
40 %Na ОН + 35 %N а2СО3 + 25 %N а С1 — 500—600
38%КОН + 22°/0NaOH + 20%NaNO3 + + l5»/oNaN02 + 5»/oNa3P04 150 160—360
70%NaOH+ 15%NaNO3 + 10%NaNO2 + + 5»/0Na3PO4 250 280—600
40 %N a OH + 30 o/oN a NO3 + 25 %N a N O2 + -f-5%Na3PO4 280 300—500
KCIMgCl26H2O (криолит) 440 450—600
93% криолита + 70/oNaCl 410 450—600
Рис. 5.7. Изотермы застывания сплавов
NaOH—КОН—Н2О [89]
142
охлаждающую способность. Однако охлаждающая способность ще-
лочей значительно меньше зависит от их химического состава и тем-
пературы плавления, чем селитровых солей. Зато температура ще-
лочной ванны оказывает существенное влияние на скорость охлаж-
дения.
Наиболее эффективным фактором, повышающим скорость охлаж-
дения, является, как и в случае селитровых солей, добавка воды
(рис. 5.8). Не рекомендуется, однако, с целью предупреждения силь-
ного кипения во время погружения деталей добавлять 10% воды.
В ванны с температурой выше 250 °C не рекомендуется добавлять
воду. В температурной области 250—350 °C чаще всего применяют
Рис. 5.8. Скорость охлаждения
поверхности стального образ-
ца диаметром 25 мм с темпе-
ратурой 700 °C в расплавлен-
ных щелочах при температурах
200 и 250 °C в зависимости от
добавки воды [89] :
I - 30 % NаОН + 70 “/о КОН; 2 -
20 -'/„NaOH + eO-AKOH
безводные смеси NaOH и КОН, а при температурах выше 350 °C
технически чистый NaOH. Ванна, в которой отношение NaOH к КОН
равно 20:80 и содержит 6 % воды, имеет температуру затвердевания
130 °C. Как следует из рис. 5.8, такая ванна охлаждает в приведен-
ных условиях при 700 “С со скоростью 120 К/с. В таких же условиях
(поверхность стального образца диаметром 25 мм) обычно масло
охлаждает со скоростью 55 К/с, а вода 450 К/с [89].
Закаленные в щелочных ваннах предметы не требуют пескоструй-
ной обработки или травления, лишь необходим смыв с поверхности
остатков щелочи. Однако даже тщательный смыв щелочи с поверхно-
сти деталей не предохраняет их от повышенной атмосферной корро-
зии. В связи с этим такие детали иногда подвергаются пассивиро-
ванию или оксидированию. Щелочные ванны с добавками Na3PO4
(табл. 5.3) повышают сопротивление коррозии закаленных в них
деталей.
Основной недостаток щелочных ванн по сравнению с селитровы-
ми — значительно меныная эксплуатационная долговечность и ста-
бильность свойств. Поглощение диоксида углерода с воздуха приводит,
к образованию карбонатов натрия и калид, а в случае загрязнения
ванны хлоридом бария из нагревательной соли также и карбонатом
бария. Эти карбонаты вместе с оксидами металла приводят к загус-
тению щелочной ванны, изменению ее состава и охлаждающей спо-
собности. Противодействие этим явлениям состоит в сборе сгустков,
добавке свежих щелочей, а также раскислении добавками K4Fe(CN)3
или боракса или их смеси. Эти меры и необходимость постоянного
контроля свойств щелочных ванн создают большие неудобства в
их применении на практике.
ИЗ
5.4. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ С ВАННАМИ
Легковоспламеняемость и взрывоопасность селитровых солей, хими-
веская агрессивность щелочей и высокая температура этих сред __
факторы, требующие строгого соблюдения инструкций по технике
безопасности как при изготовлении устройств для этих ванн, так и
при их обслуживании. Подробные инструкции по технике безопасности
обычно разрабатываются изготовителями ванн и закалочных солей.
Здесь будут приведены только основы, взятые из работы [90].
Участок термической обработки в соляных ваннах, особенно в
селитровых, должен быть расположен в отдельном или огражденном
от других установок помещении с хорошей вентиляцией и двумя
аварийными выходами. Соляные ванны изготавливают из жаростойких
листов с керамической изоляцией (облицовкой) и нагревателями
электросопротивления, размещенными в трубах. Каждая ванна должна
быть оборудована по крайней мере двумя автоматическими регулято-
рами температуры. Один из этих регуляторов должен иметь систему
сигнализации о превышении допустимой температуры. В качестве мак-
симально допустимой температуры для селитровых ванн принята
температура 550 °C, а поверхности защиты нагревателей — 600 °C.
Важным с точки зрения безопасности элементов ванной печи явля-
ется плотное и легко закрываемое покрытие.
Подготовка ванной печи и плавление соли требует выполнения
следующих операций:
очистки от остатков соли, окалины, кусков металла и т. д. внут-
ренних стенок ванны, нагревательных трубок и других элементов;
проверки, нет ли повреждений ванны в виде трещин (например,
путем простукивания молотком);
проверки действия электропитания и контрольно-измерительной
аппаратуры;
после установки регулятора температуры на температуру прибли-
зительно на 50 °C выше температуры плавления соли, включить систему
нагрева и постепенно наполнить ванну порошком или кусками соли,
стремясь к тому, чтобы нагревательные трубы всегда были покрыты
солью;
нагреть соль до заданной температуры и проверить действие
регуляторов температуры.
В помещении всегда должен находиться огнетушитель с диокси-
дом углерода.
Во время погружения предметов на подвесках или в корзинах
в соляную ванну рабочие должны быть в защитных рукавицах и иметь
прозрачную защиту лица. Садка не должна быть влажной, замас-
ленной или загрязненной углем. Не следует хранить вблизи ванны,
а тем более доводить до контакта с солью какие-либо горючие мате-
риалы (дерево, масло, углерод, бумага, резина), цианистые соли,
легко окисляющиеся металлы, например, сплавы магния и т. д. Детали,
аустенизированные в соляных ваннах, содержащих цианиды, следует
перед закалкой в соляных ваннах погружать в нейтральную хлористую
ванну с температурой, близкой к температуре аустенизации.
В селитровых ваннах не следует применять никаких защитных
покрытий, особенно из углерода, контакт которого с селитрой грозит
взрывом. Для гашения возможного пожара могут быть использованы
огнетушители, заполненные диоксидом углерода, или сухой песок, ка-
тегорически запрещено тушение водой.
После окончания закалки и выключения электропитания рекомен-
144
«уется еще жидкую соль перелить соответствующим черпаком из
ианны в небольшие чистые и сухие емкости. Уровень оставшейся в ван-
не соли не должен превышать верхнего уровня нагревательных груб.
Инструмент, посуда и подвески с застывшей на поверхности солью
следует тщательно промыть в теплой воде. Из ванны следует удалять
периодически накапливающийся на дне осадок в соответствии с ре-
комендациями инструкции по технике безопасности, которая должна
соответствовать условиям и ассортименту продукции и с которой долж-
ны быть ознакомлены работники закалочного участка.
------ 6. ОХЛАЖДЕНИЕ В ГАЗАХ
Z. .... И ДИСПЕРГИРОВАННЫХ СРЕДАХ
[Охлаждающая способность газового потока и диспергированных с
[помощью газов твердых частиц определяется как средняя между ох-
лаждающей способностью спокойного воздуха и масла. Однако это оп-
ределение очень неточное прежде всего из-за совершенно отличного ме-
ханизма теплообмена в газах и маслах. Охлаждение в газах, как и в
расплавленных солях, носит в основном конвективный характер (при
высоких температурах значительную долю в теплообмене занимает
также лучеиспускание), в то время как в маслах и других жидкостях
с точкой кипения ниже температуры закалки только последняя из
известных трех фаз носит такой же характер. С этой точки зрения
сравнение скорости охлаждения в средах с такими различными тер-
мокинетическими свойствами имеет смысл только для определенной
температурной области на поверхности.
Некоторые марки стали характеризуются такой высокой прока-
ливаемостью, что их охлаждение после аустенизации даже в спокой-
ном воздухе достаточно для получения мартенситной структуры, если
размер сечения не превышает определенного значения. Это так назы-
ваемые самозакаливающиеся стали, или в случае конструкционных
сталей — мартенситные. Термин закалка в газовых средах чаще
всего относится к закалке в потоке различных сжатых газов, в том
числе и воздуха.
6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
В ГАЗАХ
Если садка массой G (кг) и площадью поверхности F (м2) из стали
с теплоемкостью С (Дж/кг-К) охлаждается с начальной температуры
tp в газе с температурой то, исходя из теории теплообмена,
можно рассчитать время охлаждения т (ч) до конечной температу-
ры tk с помощью следующего выражения ]91]:
Значение коэффициента теплопередачи путем лучеиспускания и
конвекции а измеряется в Вт/(м2-К) и является в этом выражении
наиболее трудной для подсчета величиной, так как она зависит не
10 Зак. 3245
145
только от тепловых свойств газа, но также и от его давления, тем
пературы, интенсивности и характера течения, кинематической вязко
сти.щ также от состояния охлаждаемой поверхности. Учитывая вг;.
эти факторы и принимая в случае необходимости определенные упр0.
щения, можно записать следующее приблизительное выражение
“== (<> р)т.
где <о —скорость протекания газа; р—давление газа;
т — показатель степени (0,6—0,8), определяемый эксперименталь-
ным путем.
Из приведенных зависимостей следует, что повышение скорости
течения и давления приводит к увеличению а, в то же время увели-
чение а сокращает время охлаждения. Физическая интерпретация
этих зависичостей очевидна, так как с ростом давления и интенсивно-
сти течения большее число частичек вступает в контакт с охлаждае-
мой поверхностью, что ускоряет теплообмен. Из зависимости для
а также следует, что скорость охлаждения в газе повышается не
прямо пропорционально его давлению, как это иногда ошибочно счи-
тают. Исследования показали, что, например, увеличение давления
от 1000 до 6000 ГПа приводит не к шестикратному, а лишь к 3,5-крат-
ному повышению скорости охлаждения. Экспериментально определен-
ные значения а (В/м2-К) для различных охлаждающих сред могут
быть приняты в качестве комплексного показателя их охлаждающей
способности и они приблизительно равны [91]:
Газы с повышенным давлением 300—400
Неподвижное масло 1000—1500
Циркулирующее масло 1800—2200
Щелочно-соляная ванна при температуре
500 °C 400—500
Селитровая ванна с водой 600—1000
Вода ~3000
Оценка возможности закалки стали определенной марки в опре-
деленной среде, например, в газе, требует нанесения кривых охлаж-
дения на график фазовых превращений ВТПС. Поэтому на этих гра-
фиках нанесены кривые охлаждения с различной скоростью, причем
обычно наиболее надежным является время охлаждения в темпера-
турной области 800—500 °C. Это время должно быть настолько ко-
ротким, чтобы оно позволило избежать перлитного превращения или
в высоколегированных инструментальных сталях выделения карбидов.
Время охлаждения от 800 до 500 °C в секундах, умноженное на
10 2, принято обозначать параметром Л. Этот параметр часто при-
водится на кривых охлаждения, диаграмм ВТПг . а также на кривых
охлаждения определенных деталей или образцов в определенных сре-
дах. Сравнение Л на диаграмме ВТПС и на кривой охлаждения
исследуемой среды, например, газа, позволяет оценить его пригодность
для закалки рассматриваемой стали.
6.2. ЗАКАЛКА НА ВОЗДУХЕ
Исследованием охлаждающей способности воздуха и других газов
в зависимости от интенсивности протекания занимался Карпов [92].
Скорость охлаждения в струе воздуха, протекающего с различной
скоростью, он определял с помощью серебряного цилиндра диаметром
7,3 и длиной 7,5 мм с помещенной внутри термопарой. Результаты
этого исследования (рис. 6.1, табл. 6.1) показали, что скорость про-
секания газа — самый важный параметр регулирования скорости
охлаждения при заданной температуре и для определенного рода газа.
рис. 6.1. Влияние скорости дви-
жения воздуха (в малой степени
также аргона и гелия) на ско-
рость охлаждения серебряного
образца и диаметром 7,3 и дли-
ной 7,5 мм при 700 °C [92] :
/ галпй, II °C; 2 — аргон,
11 °C; 3 — воздух
ТАБЛ НИЛ 6.1
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МАСЛА.
ВОЗДУХА И АРГОНА ПО СРАВНЕНИЮ С ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДОЙ
(ОБРАЗНЫ ДИАМЕТРОМ 7.3 И ДЛИНОЙ 7.5 ММ)
Относительная скорость
охлаждения образца
при температуре
100 °C 200 °C
Охлаждающая среда
Скорость
протекания
газа, м/с
Вода дистиллированная1 — 1,0 1,4
Водопроводная вода — 0,74 1,24
Машинное масло — 0,47 0,031
Спокойный воздух — 0,043 0,0008
Сжатый воздух 6 0,112 0,0024
44 0,350 0,008
91 0,47 0,023
Сжатый гелий 6 0,30 0,009
30 0,47 0,022
44 0,40 0,023
Сжатый аргон 6 0,08 0,002
44 0,31 0,004
1 При температуре образца 700 °C скорость охлаждения равна 285 К/с,
200 °C -2500 К/с.
Другой существенный параметр скорости охлаждения в газах —
отношение поверхности к массе охлаждаемых деталей. Поэтому наи-
более убедительными являются результаты исследования твердости
конкретных деталей или образцов определенных размеров из стали
различных марок (рис. 6.2). Для сравнения получаемых значений
твердости образцы из одной стали и одинаковых размеров закаливали
в масле и воде. Как видно из графика, в деталях небольшого сечения
из легированных сталей с повышенной прокаливаемостью и при до-
статочно большой скорости протекания воздуха можно достигнуть
значений твердости, близких к значениям, получаемым в жидких сре-
дах. Однако углеродистые стали на воздухе закалить нельзя.
146
10*
147
Рис. 6.2. Влияние скорости движения воздуха
на твердость образцов диаметром 10 и высо-
той 6 мм из некоторых марок стали в срав-
нении с твердостью после закалки в масле
(Л) и воде (В) [92]
Анализируя данные, приведенные в табл. 6.1, следует помнить,
что для газов максимальная скорость охлаждения имеет место npi
температуре, близкой к температуре закалки, в то время как для
масла этот максимум расположен в наиболее желательной темпера-
турной области перлитного превращения (около 550—400 °C). Поэто-
му принятый Карповым показатель относительной скорости охлажде-
ния при температуре 700 °C не отражает интенсивности охлаждения
для большинства марок стали, особенно конструкционных. Ь то же
время сравнительный коэффициент при 200 °C можно признать на-
дежным с точки зрения закалочных деформаций. Величины этого
показателя по сравнению с маслом и водой согласуются с известными
из практики минимальными деформациями после закалки в воде.
Приведенные термокинетические свойства сжатого воздуха по
сравнению с другими охлаждающими средами полностью объясняют
малую применимость этой охлаждающей среды. Она иногда приме-
няется или для закалки деталей небольших сечений из сталей с от-
носительно высокой прокаливаемостью, например, тонкостенные трубы
для авиационной промышленности, листы, тонкая проволока, или
для ускоренного охлаждения крупных деталей из стали с очень боль-
шой прокаливаемостью (например, роторы турбин). Закалка этих де-
талей даже в умеренно охлаждающих жидких средах рискованна,
так как напряжения как термические, так и структурные сильно воз-
растают с увеличением сечения.
Закалка сжатым воздухом требует устройств, конструкция кото-
рых должна быть приспособлена к форме и массе закаливаемых де-
талей. Основной задачей этих устройств является обеспечение доста-
точной равномерности охлаждения всей поверхности, а также требуе-
мой скорости потока воздуха и его температуры. Воздух может
подаваться через соответственно локализованные сопла или венти-
ляторы.
С целью увеличения скорости охлаждения струя воздуха иногда
смешивается с распыленной водой (охлаждение водяным туманом)-
Таким образом, можно закаливать, например, ручьи некоторых матриц-
148
Однако следует помнить, что основным недостатком охлаждения во-
дяиым туманом является большая скорость охлаждения при низких
температурах, что является неотделимой чертой воды.
6.3. ГАЗОВАЯ ЗАКАЛКА В ВАКУУМНЫХ ПЕЧАХ
Вначале в качестве охлаждающей среды после аустенизации в вакуум-
ных печах применяли исключительно циркулирующие нейтральные
газы при давлениях, близких к атмосферному. Такие печи (тип VFC)
изготавливаются также и в Польше по лицензии фирмы «Ipsen»
(рис. 6.3). Во время охлаждения открываются люки в поде и крышке
нагревательной камеры с помощью пневматических цилиндров, а
вентилятор гонит охлаждающий газ через садку. Нагревающийся
газ охлаждается холодными стенками печи, а также через теплообмен-
ники. охлаждаемые водой.
Рис. 6.3. Ва'куумная печь Эльтерма типа VFQ («Ipsen»)
с газовым охлаждением:
/ — нагревательная камера; 2 — двигатель вентилятора; 3 — задвижка на
верхнем люке; 4 — нагревательные элементы; 5 — корзина для садки; 6 —
крышка нижнего люка; 7 — глазок; 8 — вентилятор; 9 — теплообменник
Среди возможных для применения в вакуумных печах охлаждаю-
щих газов (азот, аргон, гелий, водород) наибольшее применение
нашел азот, меньшее — аргон, хотя по охлаждающей способности
наиболее эффективен водород (рис. 6.4) и немного ему уступает
гелий. Если принять время охлаждения от 1000 до 500 °C в водороде
за 1, то в гелии это время будет 1,37, в азоте 1—1,5, а в аргоне
уже 1,95. Однако водород обладает взрывными свойствами и при
температуре выше 1000 °C он оказывает обезуглероживающее воздей-
ствие; гелий очень дорог и труднодоступен. По этой причине водород
ранее иногда рекомендовали в качестве добавки к азоту в количест-
вах, не превышающих 10%, а в настоящее время в результате внед-
рения полностью безопасных других способов, увеличивающих ско-
рость охлаждения, эта добавка уже не применяется.
Основным ограничением возможности закалки в газах с атмо-
сферным давлением является их малая охлаждающая способность.
Даже в инструменте из быстрорежущих сталей трудно после такой
149
Рис. 6.4. Скорости охлаждения
середины образца размерами
38x38x38 мм из стали, содер-
жащий 2 % С, 13.5 % Ст и
0.5 % W в потоке газов, давление
которого 933 ГПа [941
закалки получить большую твердость и соответствующую структуру
(без выделения карбидов V4C3), когда минимальное сечение больше
20—25 мм. С целью преодоления этого барьера были позднее раз-
работаны двух- и трехкамерные вакуумные печи с возможностью
закалки в масле. Однако это создало новые технологические трудно-
сти, о которых уже говорилось выше (раздел 4.9) и, кроме того,
вызывало значительное увеличение стоимости капитальных затрат.
В связи с этим в самых последних конструктивных решениях снова
вернулись к однокамерным печам с газовым охлаждением, но с давле-
нием значительно повышенным (до 0,5 МПа), с более интенсивной
и улучшенной циркуляцией газа, а также с более эффективными
теплообменниками. Эти конструкции разработали фирмы, произво-
дящие вакуумные печи на основе более ранних многочисленных лабо-
раторных и полупромышленных исследований.
Первые исследования влияния давления газа и интенсивности
его протекания на скоррсть охлаждения, по-видимому, начал прово-
дить Карпов [92]. Немного позже появились работы Давеса и Рей-
Рис. 6.5. Влияние давления
азота при постоянной ин-
тенсивности его циркуля-
ции 390 мэ/мин на время
охлаждения с 1000 до
500 °C кубика из стали
WCL размерами 112Х
X 154X341 мм [93]
Рис. 6.6. Влияние интенсивности
протекания азота с постоянным
давлением 1000 ГПа на время
охлаждения с 1000 до 500 °C ку-
бика из стали WCL размерами
112X154X381 мм [93)
150
рис. 6.7. Влияние давления
азота на время охлаждения
прутков диаметром 40 и 100 мм
из стали SW7M в температур-
ном диапазоне 1200—500 °C
[97]
иольдса [93], а также Чири [94]. На рисунках 6.5 и 6.6 показано
влияние этих факторов [93]. Как видно из рисунков, повыше-
ние давления до ~ 1000 ГПа значительно ускоряет охлаждение, в то
же время дальнейший рост давления менее эффективен. Подобное
положение и с влиянием интенсивности протекания газа (рис. 6.6).
Из многочисленных последующих исследований рассмотренной
проблематики следует упомянуть работы авторов ПНР [95, 96], а
также Италии [97]. В соответствии с результатами работы [95],
повышение давления азота с 900 до 1700 ГПа приводит после закалки
образцов толщиной 20 мм из стали SW7M к повышению твердости
с 61,5 до 63,5 HRC. Наташ и Ковальский [96] исследовали влияние
скорости протекания и давления азота па скорость охлаждения медного
образца диаметром 16 и длиной 48 мм, а также влияние степени
чистоты газов на состояние поверхности быстрорежущих сталей. Уста-
новлено, что повышение скорости протекания азота с 5 до 25 м/с в
три раза увеличивает скорость охлаждения, а повышение давления с
1000 до 2000 ГПа увеличивает охлаждающую способность примерно
Рис. 6.8. Влияние давления азота и
диаметра прутков из стали SW7M
на время их охлаждения в темпера-
турной области 800—500 °C [97] :
/ масло; 2 - воздух
Рис. 6.9. Влияние
давления азота и ди-
аметра прутков из
стали SW 7М на их
твердость после за-
калки [97|
151
Некоторые результаты самых последних работ итальянских авт
ров [97] приведены на рис. 6.7—6.9. Эти авторы исследовали влияни
давления азота в диапазоне 1000—5000 ГПа на скорость охлаждеНие
середины образцов с диаметрами 40, 60, 80 и 100 мм из двух мар0Я
быстрорежущей стали (в том числе и SW7M), а также на твердости
после закалки. На рис. 6.7 приведены кривые охлаждения для двух
крайних диаметров (40 и 100 мм) при трех давлениях азота. Принц,
мая во внимание то, что для предупреждения выделения карбидов
во время охлаждения наиболее ответственной является температурная
область 800—500 °C, на кривых приведены значения параметра д
т. е. время охлаждения в секундах в этой температурной области
деленного на 100. Из кривых следует, что влияние давления между
1000 и 3000 ГПа значительно больше, чем между 3000 и 5000 ГПа
Это находится в соответствии с теоретическими предпосылками, при-
веденными в разделе 6.1. Суммарные результаты исследования влия-
ния давления азота приведены на рис. 6.8, на котором для сравнения
нанесены и кривые для масла и воздуха. В то же время из рис. 6.9
следует, что влияние диаметра прутка на твердость после закалки
значительно больше, чем влияние давления.
Кроме лабораторных исследований во многих работах описаны
результаты газовой закалки различных садок в печах разной конст-
рукции. Так, например, в работе [99] приведены кривые охлаждения
40 кг колец из стали SW7M с толщиной стенки 10 мм в изготав-
ливаемых также в ПНР печах VFC (см. рис. 6.3) и VDN (рис. 6.10)
при различных давлениях азота (рис. 6.11).
Эти исследования подтвердили, что не только давление газа,
но также расположение и конструкция теплообменников, а также
Рис. 6.10. Вакуумная печь Эльтерма-Ипсен типа VDN с
газовым охлаждением:
• нагревательная камера; 2 - нагревательные элементы; 3 рассекатель
газа; 7 -заслонка верхнего люка; 5 —двигатель вентилятора; 6 теплооб-
менники; 7 — заслонка нижнего люка; S опора садкн; 9 двери; 10 глазок
152
t°c
Рис. 6.11. Кривые охлаждения
40-кг колец из стали SW7M с по-
мощью струи азота под различ-
ным давлением в вакуумных пе-
чах типа VFC (кривая Л) и VDN
(кривая В) [98]
характер движения газа оказывают значительное влияние на скорость
охлаждения. В соответствии с результатами исследований Флори
[99], внешне расположенные теплообменники позволяют достигнуть
больших скоростей охлаждения, чем внутренние, при тех же пара-
метрах давления газа и интенсивности его протекания.
Газовая закалка в вакуумных печах имеет своей целью не только
достижение заданной твердости, но и уменьшение деформаций и со-
хранение большой чистоты поверхности, что во многих случаях по-
зволяет полностью устранить какую-либо чистовую обработку после
закалки. С этой точки зрения, кроме достаточно большой скорости
охлаждения, способ вдувания газа должен обеспечить равномерность
охлаждения, а содержание кислорода и влаги в газе не должно
превышать допустимых низких значений.
Равномерного охлаждения можно достигнуть и путем многосто-
ронней подачи газа и турбулентного характера его движения, что,
конечно, влияет и на скорость охлаждения. Различные фирмы решают
эти проблемы с помощью печей различной конструкции. В печах
фирмы «Дегуса» на внутренних стенках расположены многочисленные
сопла, а фирма «Ипсен», например, рекомендует печь типа VTTC
(рис. 6.12), в которой вдувание газа может происходить сверху,
снизу или в двух направлениях. Исследование распррделения темпе-
ратуры в различных точках садки массой 230 кг во время охлаждения
показало относительно небольшой ее разброс (около 50 °C при 800 °C).
Азот и аргон в соответствии с требованиями LZT-Эльтерма не
должен содержать больше 5-10~40/о О2 и Н2О в случае термической
обработки высоколегированных сталей, а также 3-1О-зо/о О2 и
3-10—3 °/о Н2О для малолегированных сталей. Во втором случае необ-
ходимо, однако, считаться со снижением долговечности камеры печи
в высокотемпературной области. Сжатые газы в баллонах могут со-
153
Рис. 6.12. Вакуумная печь типа VTTC
с подачей сжатого азота в двух на-
правлениях
держать во много раз больше кислорода и влаги (табл. 6.2). Жидкий
азот менее загрязнен, но он также не отвечает требованиям, обеспе-
чивающим отсутствие влияния на поверхность стали при высоких
температурах.
В связи с этим технические условия для установки вакуумных
печей, разработанные LZT-Эльтерма, предусматривают очистку
азота с помощью установок, производимых в Польше.
Обычно установки имеют производительность 3 Н-м2/ч при ра-
бочем давлении 0,6—0,8 МПа, а также содержание азота на входе
99 % и гарантируют на выходе не больше 5 • 10'% О2 и
2-10 4 % Н2. Имеются установки с производительностью 10 Н-м3(ч,
обеспечивающие на выходе не больше 2-10“4 % О2, а также
2-10“4 % Н2О (точка росы — 60 °C).
ТАБЛИЦА 6.2
ДОПУСТИМАЯ СТЕПЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО АЗОТА
В АРГОНЕ В СООТВЕТСТВИИ СО СТАНДАРТАМИ ПНР
Содержание загрязнений и точка росы
Вид газа в соответствии со стандартом
о2, % (объемн.) н2о, % (мае.) Точка росы, °C
Технический сжатый азот
(сорт 1) <0,2
Технический сжатый азот, осу-
шейный
сорт А <0,2 <0,0130 —40
сорт В <0,2 <0,0040 —50
Сварочный аргон, сжатый <0,003 <0,0020 —55
Аргоно-азотная смесь <0,002 <0,0020 —55
7
154
6.4. ЗАКАЛКА ВО ВЗВЕШЕННЫХ СРЕДАХ1
6.4.1. Общая характеристика взвешенных сред
Приготовление взвешенной среды как способа контактирования
твердой зернистой фазы с текучей фазой (жидкой или газовой) за-
ключается в поддерживании зерен твердой фазы во взвешенном
состоянии в потоке жидкости или газа. Слой сыпучего материала,
зерна которого постоянно изменяют свое положение как относительно
друг друга, так и по отношению к стенкам установки, носит название
кипящего слоя. Такой материал имеет ряд черт, характерных для
жидкостей. <аких, как подвижность, гидростатическое давление,
.свободная верхняя поверхность. Охлаждение в кипящем слое харак-
теризуется большими возможностями для регулирования в широких
(пределах коэффициента теплопередачи. Благодаря этому, а также
; другим преимуществам эти материалы находят в последнее время
все возрастающее применение как в качестве нагревающих, так и
охлаждающих сред. Применение их для нагрева, а также ступенчатой
и изотермической закалки является хорошей альтернативой соляным
ваннам. Первые попытки применения среды во взвешенном состоянии
в качестве охлаждающих сред при закалке были сделаны примерно
30 лет тому назад, а в настоящее время они все шире применяются
в промышленном производстве.
К основным преимуществам кипящего слоя как закалочной среды
относятся:
отсутствие токсичных паров и газов, отрицательно влияющих
на условия работы и природную среду;
возможность замены горячих масляных и соляных ванн;
незначительный перепад температуры по всему объему и легкость
ее применения в широких пределах;
отсутствие застывания, характерного для солей, что способствует
постоянной эксплуатационной готовности;
отсутствие кипения, затрудняющего однородность охлаждения и
способствующего деформациям и трещинам;
почти неограниченная стойкость и минимальные потерн с вы-
носом;
ненужность операций промывки и сушки, а в сравнении с солями
также и пассивации.
Несмотря па отмеченные существенные и многочиленные преиму-
щества кипящий слой в настоящее время находит ограниченное приме-
нение из-за недостаточной охлаждающей способности, трудностей с
удалением из мелкозернистых сред пыли, значительно уменьшающейся
интенсивности охлаждения поверхностей, закрытых от направленного
воздействия частичек (явление «тени»), затруднений с механизацией
процесса охлаждения и т. д. Однако нельзя исключить того, что при-
веденные недостатки и трудности не будут в будущем преодолены.
Наибольшие перспективы имеет применение взвешенных сред в сту-
пенчатой и изотермической закалке.
6.4.2. Образование взвешенных сред
Если сосуд с перфорированным или пористым дном заполнить до
определенной высоты мелкозернистым материалом, например,
песком, и продувать через дно (решетку) газ, например, воздух,
1 В отечественной литературе этот вид охлаждения называется кипящим слоем
или псевдоожиженной средой. Прим. ред.
155
то по мере увеличения скорости протекания газа ve возникают явле
ния, схематически показанные на рис. 6.13. Сначала разность давлений
Д р под решеткой и над мелкозернистым материалом увеличивается
в результате повышения сопротивления протекания через слой мате-
риала. Высота слоя материала не изменяется, так как сила ее тяжести
Рг больше от направленной в противоположном направлении суммы
сил выноса Fи, и давления газа Fc. После превышения определенной
критической скорости протекания газа V/, зависимой от размера
частиц материала и незначительно от температуры, разность давле-
ний А р незначительно уменьшается и при дальнейшем увеличении
Рис. 6.13. Схематическое представление явлений, возникающих
во взвешенных средах в зависимости от скорости протекания .
газа vg [100]:
а при ut,<vj падение давления в слое неподвижной среды увеличивается с
ростом скорости протекания; б при vf<vg<v( среда подлежит диспергированию;
в — при Vy >V; среда вытесняется (пневматический перенос)
скорости становится постоянной, а силы Fz и сумма F,„ -\-Fc уравно-
весятся. Высота слоя материала в результате разрыхления увеличи-
вается. Отдельные зерна материала и их группы приходят в харак-
терное вихревое движение, что дает возможность разрыхления мате-
риала потоком газа. Интенсивность движения и степень разрыхления
материала зависят от отношения скоростей протекания газа и критиче-
ской скорости V/. Это отношение А и является важным параметром ре-
I 156
гулировки процесса. Относительно широкая область скорости про-
текания между v/ + vt используется для многих технологических це-
лей, например, для технической обработки.
Число Vf находится в пределах 2—10. С ростом X увеличивается
также и коэффициент теплообмена, но одновременно процесс стано-
вится все менее регулярным. Это проявляется в возрастающей пу-
зырчатости, которая, кроме того, зависит еще и от конструкции
решетки.
При скорости, превышающей vt, подъемная сила и сила давле-
ния газа больше силы тяжести материала, что приводит к его выбросу
из резервуара.
Подлежащие термической обработке детали поштучно или груп-
пой (например, в корзинах) погружают во взвешенную среду, которая
имеет свойства, подобные свойствам жидкости. Присутствие садки,
а также геометрия обрабатываемых деталей изменяют условия цир-
куляции среды. Чем большую часть сечения сосуда с материалом
занимает садка, тем с большими нарушениями происходит тепло-
обмен. Это вытекает из так называемого явления «тени» (о кото-
ром будет разговор далее). Поэтому сечение садки не должно пре-
вышать 40—45'7о сечения сосуда с материалом.
6.4.3. Термокннетические свойства взвешенных сред
Охлаждающая способность взвешенных сред меньше, чем у мине-
ральных масел, но значительно больше, чем в газовом потоке. Такая
общая оценка наиболее значительного свойства закалочной среды
недостаточна для практических целей и не определяет факторов ре-
гулировки этого свойства. Поэтому ниже рассмотрена возможность
закалки в кипящем слое, подобно как и в других видах охлаждающих
сред, с помощью более точных критериев оценки, кривых охлаждения
разного рода образцов, а также результатов испытания на прокали-
ваемость.
В соответствии с работой [10], коэффициент теплопередачи а
во взвешенных средах колеблется в широких пределах (200—
1000) Вт/(м2-К), а некоторые авторы [102] приводят даже значения
около 2000 Вт/(м2-К). Если сравнить эти данные с приведенными
в разделе 6.1 величинами для других видов охлаждающих сред, то
оказывается, что охлаждающая способность взвешенных сред срав-
нима с охлаждающей способностью обычных спокойных масел, а
также селитровых ванн и может быть значительно выше газов с по-
вышенными давлениями. К важнейшим факторам, с помощью которых
можно регулировать интенсивность теплообмена во взвешенных
средах или которые ограничивают эту интенсивность, относятся:
вид и величина зерен материала;
число мерилом которой может также быть и плотность дис-
пергированного в порошок материала определенного вида;
температура среды;
явление «тени» обусловлено геометрией охлаждаемых деталей,
а также их расположением в среде и друг относительно друга.
Наиболее часто применяемыми для создания взвешенных сред
материалами являются кварцевый песок, корунд (А12О3) и карбо-
рунд (SiC), в то время как оптимальный размер зерна, в зависи-
мости от назначения находится в пределах 100—300 мкм. В песча-
ных взвешенных материалах коэффициент теплообмена минимальный,
в карборундовых — максимальный, а в корундовых — промежуточный.
В табл. 6.3 представлено влияние величины зерны и числа vj
157
(материала) на коэффициент теплообмена. В соответствии с этими
данными, с увеличением диаметра зерна и уменьшением плотности
диспергированного1 материала значительно снижается коэффициент
теплопередачи.
ТАБЛИЦА 6.3
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА И ПЛОТНОСТИ
ТВЕРДОГО ДИСПЕРГИРОВАННОГО- МАТЕРИАЛА
ИЗ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА
НА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ |101|
Плотность материала, кг/м3 Коэффициент Вт/(м2-К) при теплопередачи.
зерне. МКМ
50 100 200 400
1300 700 570 400 240
650 540 390 260 160
325 410 280 200 100
Поэтому для охлаждения более полезно применять мелкозернис-
тые материалы, в то время как нагрев обычно производят в материалах
с большим размером зерна. Очень мелкие зерна имеют тенденцию
к слипанию в результате возникающих на их поверхностях электро-
статических зарядов,-По этой причине применяемое в практике за-
калки зерно чаще всего имеет размеры 100—150 мкм. Из результатов
других исследований [103, 104] следует, что увеличение числа ut
повышает а только до определенной максимальной величины, зави-
симой от вида и величины зерна, взвешенною вещества, после чего
наступает снижение а (рис. 6.14). Отсюда существенное влияние вы-
бора параметров взвешенной среды на ее охлаждающую способность.
Рис. 6.14. Коэффициент тепло-
передачи а в среде из элект-
рокорунда с диаметром зерна
150 мкм (1); речного песка с
диаметром зерна 100 мкм (2);
3 — по данным [103]; 4—по
данным | f04] ; число флюиди-
зации ир
В работе Кюна [102] установлено, что кроме диаметра зерна
и плотности материала на коэффициент теплообмена значительное
влияние оказывает расположение детали в среде, а также явление
«тени» (рис. 6.15). Автор охлаждал детали, имеющие форму гильзы,
в среде из корунда и карборунда, а также и в других охлаждающих
средах и подсчитал коэффициент теплопередачи. Эти детали погру-
жали во взвешенную среду таким образом, чтобы отверстие было
расположено или вертикально или горизонтально. В табл. 6.4 при-
1 В отечественной литературе понятие «диспергированные среды» применяются для
эмульсий. Прим. ред.
158
Рис. 6.15. Схема влияния располо-
жения деталей и тени на условия
теплообмена:
а — неправильное расположение; б правиль-
ное расположение; в затемненные верхние по-
верхности ползуна с отверстием, в котором осе-
дает среда
ведены основные результаты исследования. Из таблицы можно сделать
следующие выводы:
неправильное расположение закаливаемых деталей во взвешен-
ной среде, а также их форма, способствующая явлению «тени», умень-
шает в несколько раз среднее значение коэффициента теплопередачи;
КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ (ВТ/М2-К) 6.4 В ДИСПЕРГИРОВАННОЙ И ДРУГИХ СРЕДАХ [102]
Взвешенный материал Закалочная среда
SiC Оч масло сжатый спокойный 2 3 воздух воздух
657 3244 618 3943 312 105 2057 5098 —
Примечание. В числителе — горизонтальное положение отверстия
(в средах) и гильзы (во взвешенных материалах).
при правильном расположении охлаждаемых деталей скорость
их охлаждения из карборунда сравнима со скоростью охлаждения
в масле и почти в 7—10 раз больше, чем в сжатом воздухе;
среда из карборунда охлаждает быстрее, чем из корунда.
Коэффициент теплопередачи характеризует среднюю охлаждаю-
щую способность, но он не информирует о ее зависимости от темпе-
ратуры, что имеет существенное значение. Этого рода информацию
дают кривые охлаждения образцов или конкретных деталей. Из ри-
сунка 6.16 видно, что во взвешенных средах при зерне 140 мкм ско-
рость охлаждения близка к скорости охлаждения в масле только
в температурной области 800- 600 и ниже 220 °C. В наиважнейшей
с точки зрения предупреждения перлитного превращения температур-
ной области 550—300 °C масло охлаждает во много раз быстрее,
что вызывается пузырьковым кипением. В сравнении с селитровыми
ваннами взвешенные среды охлаждают медленнее. Подобные кривые
159
Рис. 6.16. Скорость охлаждения
серебряного шарика диаметром
20 мм во взвешенных средах и
других охлаждающих средах:
/ взвешенная среда, зерно 1110 мкм; 2 —
взвешенная среда, зерно 140 мкм; 3 соля-
ная ванна, 250 “С; 4 - соляная ванна,
550 °C; 5 быстроохлаждающее масло;
6 — спокойный воздух [105)
скорости охлаждения, но с учетом не только приповерхностного слоя
толщиной около 1,5 мкм, но также и середины сечения диаметром
30 мм (рис. 6.17) получил автор этой книги в работе [106].
Кривые скорости охлаждения в зависимости от температуры об-
разца характеризуют в действительности термокинетические свойства
охлаждающей среды, но с точки зрения оценки возможности закалки
определенных марок стали и при определенных сечениях более при-
годны кривые в системе координат температура время. Если для
времени охлаждения принять логарифмическую шкалу, то такие кри-
вые охлаждения после их нанесения на диаграммы фазовых превра-
щений ВТПС или ВТП; позволяют определить ожидаемую струк-
туру и твердость, получаемые в результате охлаждения.
Рис. 6.17. Скорость ох-
лаждения на глубине
1,5 мм (3) ив середине
образца диаметром 30 мм
и длиной 120 мм (4) из
стали 15 в обычном масле
и во взвешенной среде из
зерен корунда диаметром
Ю0 мкм при числе v. около
2,5 [106]:
I — взвешенная среда; 2 —
' масло
160
Рис. 6.18. Скорость охлаждения се-
редины образца диаметром 35 мм из
стали 15 в различных охлаждающих
средах:
/ вода; 2 — масло; 3 взвешенная среда из
морского песка; 4 - взвешенная среда с темпе-
ратурой 350 °C; 5 — взвешенная среда с тем-
пературой 350 °C; 6 — спокойный воздух (107]
Г,С
Рис. 6.19. Скорость ох-
лаждения поверхност-
ного слоя р (около
1,5 мм) и середины s
образца диаметром 30
и длиной 120 мм из ста-
ли 15 во взвешенной
среде из электрокорун-
да с диаметром зерна
100 мкм при темпера-
туре 40 °C (сплошные
линии) и 300 °C (штри-
ховые линии) [106]
На рис. 6. 18 приведены кривые этого вида для середины образца
диаметром 35 мм из стали 15, а на рис. 6.19 для наружного слоя р
и середины s образца диаметром 30 мм из стали 15, охлажденного
в кипящем слое с температурой 30 и 300 °C.
Как уже упоминалось в разделе 6.1, в немецкой литературе часто
используется для оценки охлаждающей среды параметр времени ох-
лаждения от 800 до 500 °C. Сравнение этого параметра с соответ-
ствующим наименьшим временем стойкости аустенита на диаграммах
ВТП позволяет приблизительно определить пригодность охлаждающей
среды для конкретной марки стали. На рис. 6.20 показано в соответ-
ствии с исследованиями автора значение этого параметра для середи-
ны и наружного слоя после охлаждения в кипящем слое с
температурой от 30 до 300 °C.
Из представленных выше характеристик охлаждающей способно-
сти взвешенных сред легко сделать вывод о том, что в наиважней-
шей температурной области перлитного превращения, т. е. 600—400 °C,
эта способность мала для большинства марок стали, даже леги-
рованных. Это создает основное ограничение для области применения
этих охлаждающих сред, несмотря на многие их преимущества. В
связи с этим, в последнее время делаются попытки, направленные
на преодоление этого барьера. Так, например, в работе автора [33]
показано, что образование кипящего слоя с помощью газообразного
азота, полученного испарением из жидкого состояния, и снижение
таким способом температуры среды до — 100 °C позволяет увеличить
примерно на 40 % охлаждающую способность по сравнению с такой
же средой, но при температуре +20 °C (рис. 6.21).
Это исследование было проведено с помощью лабораторной уста-
11 Зак. 3245
161
Рис. 6.20. Время охлаждения
с 800 до 500 °C верхнего слоя
р и середины s образца диа-
метром 30 и длиной 120 мм из
стали 15 в зависимости от
температуры взвешенной сре-
ды из электрокорунда с диа-
метром зерна 100 мкм [106]
новки, представленной на рис. 2.13. Полученный эффект объясняется
увеличением градиента температуры в наружном слое, который при
теплообмене в соответствии с законом Ньютона является основным
фактором этого обмена.
Рис. 6.21. Скорость охлаждения серебряного
образца диаметром 8 и длиной 24 мм во взве-
шенных средах из электрокорунда с диамет-
ром зерен 100 мкм в зависимости от темпе-
ратуры образца и температуры взвешенной
среды (цифры у кривых, °C) в сравнении
со скоростью охлаждения в масле
(штриховая линия) [33]
6.4.4. Лабораторные испытания и промышленное
применение
В литературе в последние 15 лет можно найти многочисленные опи-
сания лабораторных испытаний во взвешенных средах, а также экспе-
риментальных и промышленных печей и закалочных ванн. Перед
приведением некоторых результатов этих исследований целесообраз-
но напомнить общий принцип оценки возможности закалки опреде-
ленной марки стали при заданной величине сечения в оцениваемой
охлаждающей среде. Этот принцип заключается в наложении кривых
охлаждений поверхности и середины сечения (рис. 6.19) на диаграм-
му ВТПС или ВТП; рассматриваемой стали. На рисунках 6.22 и 6.23
приведены два примера такой операции: для стали 19ХМ (слой науг-
лерожен до 0,88 % С, а середина содержит 0,22 °/0 С) при непрерывном
охлаждении, а также для двух подшипниковых сталей (ШХ15 и
ШХ20М) в случае изотермического охлаждения. Из рис. 6.22 видно,
162
Рис. 6.22. Скорости охлаждения верх-
него слоя р и середины образца s ди-
аметром 30 и длиной 120 мм из стали
15 во взвешенной среде с температурой
30 °C, нанесенные на диаграммы ВТП,.
для стали 19ХМ (штриховые линии) и
после науглероживания этой стали до
0,88 % С (сплошная линия) [106]
что в науглероженном слое можно ожидать мартенситной структуры
как основной, в то время как в середине преимущественно содержится
бейнит, но с добавкой перлита. Из рисунка 6.23 видно, что сталь
UJX20M может быть закалена ступенчато или изотермически при сече-
чиях до 30 мм, а в стали ШХ15 значительная часть переохлажденного
чустенита подвергается перлитному превращению.
С целью экспериментального подтверждения описанного теорети-
ческого анализа была проведена обычная и ступенчатая закалка
чбразцов различной толщины из подшипниковых и инструментальных
сталей во взвешенных и масляных средах. Как следует из табл. 6.5,
Рис. 6.23. Графики скорости охлажде-
ния верхнего слоя р и середины s об-
разца диаметром 30 и длиной 120 мм
из стали 15 во взвешенной среде с тем-
пературой 300 °C, нанесенные на диа-
граммы ВТП/ для сталей ШХ15 и
I1IX20M (860 °C, 15 мин) [106]
163
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕРОВ ТВЕРДОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОДШИПНИКОВЫХ 65
И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ сталей после обычной и ступенчатой закалю
ВО ВЗВЕШЕННЫХ МАСЛЯНЫХ СРЕДАХ 11061
£ о Сечение Аустенизация Твердрсть HRC после закалки
обычной ступенчатой
толщи- диаметр. масло, кипящий
на, мм мм /, °C т.мии 50 °C слой, 30 °C 180 °C слой 180 °с
ШХ15 5 — 860 20 64—65 65—64 64—65 64
12 — 860 20 64—65 39 64—65 28 -29
15 — 860 20 63—65 62,5—64 62,5—63 62—63
1IJX20M 26 — 860 25 63—65 62,5—64 62-63,5 62-63
45 — 860 30 61-62 60—62 58—59 57—58
NWC 15 830 20 64—65 62—64 ' ?
SW7M — 20 1210 5 — 62—63
SW352 — 60 1120 20 60—61 58—59 — —
полученные твердости подтверждают прогнозы, опирающиеся на ди-
аграммы фазовых превращений.
По Варигину и Ольшанову [108] во взвешенных средах в тем-
пературной области перлитного превращения скорость охлаждения
0,5—60 К/с, а критическая скорость охлаждения легированных сталей
находится в пределах 0,1 —100 К/с. Отсюда следует, что для многих
марок стали можно получить после закалки в кипящем слое мартен-
ситную структуру, но это требует выбора определенных параметров
диспергирования порошка и возможно лишь только при довольно
малых сечениях. Конструкционные углеродистые стали, критическая
скорость охлаждения которых равна 100—600 К/с, не могут быть
закалены во взвешенных средах.
Винокуров с коллегами [109] доложил об удачных результатах
закалки в кипящем слое из электрокорунда коленчатых валов из
стали 40ХНВА. Как и после закалки была получена твердость 388—
401 НВ.
Адрье с сотрудниками [НО] сообщает о промышленном приме-
нении ступенчатой закалки матриц из стали 30DCV28 (0,ЗС, 2,8Сг,
2,8Мо, 0,4V), а также 40DC 12.(0,4С, ЗСг, 0,5Мо) в среде с темпе-
ратурой 550 °C с последующим охлаждением в масле. Получают тре-
буемую твердость 40HRC. В соответствии с этими авторами кривые
охлаждения от 1030 до 550 °C в соляной ванне и в кипящем слое
почти совпадают.
Большое количество литературных данных о результатах закалки
во взвешенных средах относится, прежде всего, к инструментальным
сталям, например, NC10, WCL, WNL, WNW2, а также быстроре-
жущим сталям. Для многих марок средне- и высоколегированных
конструкционных сталей также применяется эта охлаждающая среда
как на экспериментальном, так и на промышленном уровне. Много-
численные примеры приведены в монографии [111]. Очень хорошие
результаты были получены в СССР при изотермической закалке кос
из различных марок легированных сталей и углеродистой У7А, а также
рессорных листов автомобилей.
К очень удачному промышленному внедрению охлаждения в кипя-
щем слое следует отнести патентирование проволоки малого и среднего
164
Рис. 6.24. Счхема агрегата для патентирования проволоки во взве-
шенных средах и распределение температуры в проволоке (сплош-
ные линии) во время процесса:
I разматыватель; 2 — печь для аустенизации; 3 — водяное охлаждение ванны со
взвешенной средой; 4 — ванна с температурой около 100 °C; 5 — ванна с температурой
500 СС; 6 — рециркуляция горячих газов; 7 — контрольно-измерительный шкаф
сечения. В работе [111] подробно описаны советские и английские
конструкции агрегатов для этой цели, технологические параметры
аустенизации и охлаждения во взвешенных средах, а также механи-
ческие свойства после патентирования.
На рис. 6.24 приведена схема изготовленного в 1972 г. агрегата
английской фирмы «Хедфарб Дивелопмент Лтд.». Между двумя ос-
новными ваннами для аустенизации и изотермического превращения
при температуре около 500 °C находится переохлаждающая короткая
ванна со взвешенной средой с температурой 100 °C, однако в резуль-
тате кратковременного пребывания проволоки в этой ванне темпера-
тура снижается только до 500 °C. Подобные промышленные агрегаты
предлагают французские и японские фирмы.
-— 7. ОСНОВЫ ВЫБОРА
---------- ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД
Окончательный результат закалки зависит как от кинетики фазовых
превращений переохлажденного аустенита и геометрии деталей, так
и от свойств, а также условий применения закалочной среды. Вза-
имозависимость этих двух комплексных факторов имеет настолько
сложный характер, что в настоящее время, а вероятно и в будущем,
трудно ожидать полной их количественной связи как научной основы
выбора охлаждающей среды. Тем не менее, кроме экспериментальных
проб, применяемых наиболее часто в практике в качестве основания
для выбора, известные общие и полуколичественные зависимости по-
зволяют рационально выбрать охлаждающую среду. Важнейшие из
этих принципов являются предметом дальнейшего анализа.
165
7.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
Охлаждение стали со скоростью, обеспечивающей превращение
аустенита в мартенсит, проводят неуклонно до достижения двух пр0,
тивоположных результатов: увеличения твердости и улучшения других
желаемых эксплуатационных свойств, с одной стороны, и одновре-
менно нежелательном изменении размеров и деформаций или даже
трещин, с другой стороны. Сущность выбора сорта материала и вида
охлаждающей среды (скорость охлаждения) заключается в оптималь-
ном сочетании этих двух противоположных результатов. Теоретически
можно выбирать или материал для охлаждения или наоборот. Однако
чаще всего выбирают охлаждающую среду для определенного материа-
ла и вида деталей, хотя иногда с экономической точки зрения лучше
поступать наоборот, т. е. применять менее легированную или углеро-
дистую сталь вместо необходимости применения более быстроохлаж-
дающей среды.
При принятии решения, касающегося выбора охлаждающей среды,
рассматриваются следующие основные критерии:
прокаливаемость стали и кинетика фазовых превращений, кото-
рую описывают соответствующие диаграммы;
размеры сечения закаливаемой детали и степень сложности ее
формы;
требования к распределению твердости в заданных сечениях;
способ контакта охлаждающей среды с охлаждающей поверхно-
стью и интенсивность ее циркуляции;
тип и конструкция закалочной установки;
условие безопасности и охрана окружающей среды;
стоимость, которая состоит из стоимости первого наполнения
ванны, восполнения потерь за счет уноса и испарения, стоимости
промывки и очистки, а также брака и необходимости повторной
закалки.
Некоторые из приведенных условий выбора, а тем самым и об-
щий диапазон применения отдельных видов охлаждающих сред уже
были рассмотрены ранее. Известно, что вода может быть применена
для закалки деталей из углеродистых сталей при простой их форме,
а также для охлаждения водяным душем; масла предназначены в
основном для легированных сталей с очень широким диапазоном
прокаливаемости и даже при очень сложной форме закаливаемых
предметов, а водные растворы полимеров занимают промежуточное
положение между водой и маслами, частично совпадая (в граничных
областях) с областями применяемых традиционно этих двух наиболее
распространенных типов охлаждающих сред. Расплавленные соли и
щелочи, высокотемпературные масла, а также взвешенные среды при
повышенной до около 500 °C температуре предназначены для ступен-
чатой и изотермической закалки, а нейтральные газы при атмосфер-
ном и повышенном давлении нашли применение почти исключительно
для закалки в вакуумных агрегатах.
Однако эти рассмотренные области применения далеко недоста-
точны для многих конкретных случаев. Это относится особенно к
группе охлаждающих масел, ассортимент которых в последнее время
значительно расширился как с точки зрения охлаждающей способно-
сти, так и других технологических свойств. Поэтому существенное
значение приобретает проблема связи свойств охлаждающих сред
с результатами закалки как основы рационального их выбора. В свя-
зи с этим, более подробно в этой главе будут освещены три главных
критерия выбора, а именно:
прокаливаемость и кинетика превращений;
166
лабораторные характеристики охлаждающих сред и интенсивность
закалки в них;
тип и конструкция закалочных устройств.
7.2. ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ И КИНЕТИКА
ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ КАК КРИТЕРИЙ ВЫБОРА
ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД
Известное и устойчивое распределение скорости охлаждения вдоль
образцов Джомини, закаливаемых с торца струей воды (табл. 7.1),
а также распределение твердости в зависимости от расстояния от
торцовой поверхности позволяет решить многие практические пробле-
мы при выборе стали, требуемой прокаливаемости или наоборот —
выбора интенсивности охлаждения при известной прокаливаемости.
Возможность использования кривых прокаливаемости (рис. 1.19)
для этих целей основана на двух предпосылках:
ТАБЛИЦА 7.1
СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ 700 "С ВДОЛЬ ОСИ ОБРАЗЦА
ДЖОМИНИ (ТОРЦОВАЯ ЗАКАЛКА)
Расстояние от закаленного
торца, мм 1,5 3 5 7 9 II 13 15 20 25 30 35 40 45 50
Скорость охлаждения, К/ч 225 135 75 40 26 18 15 13 8 5 4 3 2,5 2,2 2
зависимости твердости и структуры от скорости охлаждения
после аустенизации;
корреляции между скоростями охлаждения вдоль образца в сече-
ниях прутков различных диаметров и на торце. Выражая эти зави-
симости по-другому, можно утверждать, что одинаковым твердостям
в сечении прутков или детали и на торце образцов, изготовленных из
одной стали, отвечают одинаковые скорости охлаждения и наоборот.
Эти зависимости для случаев закалки в обычном масле и воде при-
ведены на рис. 1.20. Однако известно, что интенсивность охлаждения
в воде в очень сильной степени зависит от интенсивности циркуляции
среды и температуры, а в маслах существенное влияние имеет, кроме
того, и его сорт. Поэтому на рис. 7.1 каждая кривая корреляции
между скоростями охлаждения в сечении прутков выбранных диа-
метров и с торца образца относится к определенной интенсивности
охлаждения //. На рис. 7.1, как и на рис. 2.22, учтены не ^только
типичные виды охлаждающих сред, но также в определенной степени
и их циркуляция.
Зависимости, приведенные на рисунках, позволяют выбрать охлаж-
дающую среду с определенной скоростью охлаждения или с помощью
коэффициента Гроссмана Н интенсивность охлаждения, которая
позволяет на стали известного сечения и известной прокаливаемости
достигнуть требуемое распределение твердости в сечении. Таким об-
разом, этот метод выбора охлаждающих сред опирается на критерий
прокаливаемости. Следует, однако, подчеркнуть, что он имеет полу-
количественный характер, так как приведенные зависимости прибли-
зительны, а словесное определение интенсивности циркуляции охлаж-
дающей среды не относится к количественной категории.
Способ использования описанного метода объясняет следующий
167
Диаметр прутков, мм
Рис. 7.1. Корреляция скорости охлаждения при
700 °C поверхности цилиндрических образцов, зака-
ленных с торца струей воды, а также сечения прут-
ков выбранных диаметров во время охлаждения их
в средах с различной интенсивностью охлаждения
Н по Гроссману [112]:
н Среда Движение раствора
0,20 Масло Нет
0,35 > Умеренное
0,50 > Сильное
0,70 Резкое
1.0 Вода Нет
1.5 Резкое
2.0 NaCI Нет
5,0 Резкое
со Закалка Идеальное
168
п„цмер: пруток диаметром 40 мм из стали 35Х с прокаливаемостью,
представленной на рис. 1.19, должен после закалки иметь твердость
ак минимум 43 HRC на поверхности и 35 HRC в середине. Какое
значение Н должна иметь охлаждающая среда, которая отвечает
поставленным требованиям. Чтобы решать эту задачу, следует выпол-
нить следующие операции:
из рис. 1.19 определить для твердости 43 и 35 HRC соответствую-
щие скорости охлаждения, имеющие место на расстоянии би 11 мм
от торца образца;
из рис. 7.1 можно установить, что для прутка диаметром 40 мм
0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 2000
воздух
Диаметр ,, । ,_______। । i । i ।
пруткоО, s jo 20 50 100 150 200 300 500
мм Масло
LJ______I________I-------1---1-1---1-----1
10 20 50 100 150200 300 500
Вода a
Рис. 7.2. Диаграмма превращения переохлажденного аус-
тенита в середине прутков из стали 605А37 (0,35 °/оС,
1,53 %Мп, 0,28°/0Мо) при непрерывном охлаждении СТПс
на воздухе, в масле и воде (а) и твердость после пре-
вращения (б) [114]:
/ — полоса прокаливаемости; 2 — без отпуска; 3 — после отпуска
169
0,1 0,2 0,5 12 5 10 20 50 100 200 500 2000
Воздух
Диаметр , ,______,________, । । । । ।
прутков, 5 ig 20 50 jgo J5g ?00 500 s00
масло
I_i_______i________1_________i_____i__i___i____i
10 20 50 100 150 200 500 500
Вода
Рис. 7.3. Диаграмма превращения переохлажденного аустенита в се-
редине прутков из углеродистой стали (0,40 °/0Сч, 0,70 %Мп) при не-
прерывном охлаждении на воздухе, в масле и воде [114]
расстояниям от торца 6 мм на поверхности и 11 мм в сердцевине
отвечает охлаждающая среда с величиной Н соответственно 0,62
и 0,60;
из таблицы к рис. 7.1 и рис. 2.22 следует, что требуемую охлаж-
дающую способность имеет довольно интенсивно циркулирующее
масло.
Подобный этому способ выбора охлаждающих сред основан на
диаграммах фазовых превращений. В более давней версии этого ме-
тода, рекомендованного в немецкой литературе, используется так
называемая величина Кт, т. е. время охлаждения от температуры
аустенизации до 500 °C. Это время определяют с помощью диаграмм
ВТП для отдельных марок стали. Каталог закалочных масел фирмы
«Эссо делит стали по значениям Кт на 5 групп [ИЗ]: А — выше
30 с, В - от 15 до 30 с, С - от 8 до 15 с, Д — от 2,5 до 8 с и F —
ниже 2,5 с. Отдельным группам стали приписывают соответствующие
сорта масел, которые дают хорошие или оптимальные результаты
закалки.
Рекомендации этой фирмы сводятся к следующему:
обычные масла применять для стали группы А или при малых
сечениях для группы В'
170
быстроохлаждающие масла—для сталей А—Д в зависимости от
сечения и геометрии детали;
высокотемпературные масла (быстро- и медленноохлаждаю-
щие) — для сталей А—С.
Значительно более точную информацию дают графики ВТПС ново-
го поколения. В некоторых промышленно развитых странах разрабо-
таны атласы этого вида графиков с учетом скорости охлаждения на
поверхности, в середине и на определенных расстояниях от поверх-
ности прутков различных диаметров в результате охлаждения в
типичных средах (воздух, масло, вода). С помощью этих графиков
можно определить структуру и твердость (иногда и после отпуска)
при значительно более широком диапазоне скорости охлаждения
(размер сечения и вид охлаждающей среды) чем те, которые имеют
место на закаленном с торца образце диаметром 25 и длиной 100 мм
для исследования прокаливаемости стали со средней прокаливаемо-
стью. Пример графика ВТПС нового поколения описан в главе 1
(рис. 1.8). Рисунки 7.2 и 7.3, взятые из атласа Аткинса [114], до-
полняют информацию.
На рис. 7.2 для стали, содержащей 0,35 %С, 1,55 °/оМп и 0,28 %Мо,
и на рис. 7.3 для углеродистой стали, содержащей 0,40 %С и 0,70 °/0Мп,
на осях абсцисс вместо времени в логарифмической шкале нанесена
скорость охлаждения при 700 °C и диаметр прутков, в середине кото-
рых наблюдается эта скорость во время охлаждения на воздухе, в
масле и воде. На рис. 7.2 приведены также твердости в середине
прутков после соответствующих фазовых превращений, а в случае
мартенситной и бейнитной структур также и после отпуска.
Из диаграммы ВТПС можно определить скорость охлаждения,
необходимую для получения мартенситной или бейнитной структуры
и на этой основе выбрать охлаждающую среду, которая при заданном
сечении может обеспечить требуемую скорость охлаждения.
7.3. ВЫБОР ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД,
ИСХОДЯ ИЗ ИХ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И ИНТЕНСИВНОСТИ ЗАКАЛКИ
При настоящем уровне знаний невозможно количественно связать
кривые охлаждения, особенно полученные с помощью серебряного
образца с твердостью, полученной после закалки деталей различного
сечения. Немногочисленные исследования на эту тему позволяют,
однако, сформулировать определенные общие правила, которые сле-
дует принимать во внимание при выборе охлаждающих сред и осо-
бенно закалочных масел. Кроме того, французским авторам уда-
лось найти связь между температурами Т, и Т2, разграничивающими
отдельные фазы па кривых охлаждения, и коэффициентами интенсив-
ности закалки К, определение которых описано в разделе 2.6.2
(рис. 2.27). Эта связь может стать основой более надежного полу-
количественного метода выбора охлаждающих сред.
Бек с сотрудниками [25] исследовали с помощью серебряного
образца диаметром 18 и длиной 48 мм положение фаз охлаждения,
нескольких значительно отличающихся масел и влияние этих термо-
кинетических свойств на глубину упрочнения образцов с различ-
ным состоянием поверхности из углеродистой стали, содержащей око-
ло 0,80 °/оС. По результатам этих исследований авторы сделали
следующие выводы:
если поверхность закаленных деталей не окислена (например,
171
после нагрева в вакууме), то с повышением температуры начала
пузырькового кипения увеличивается глубина закаленного слоя;
в случае окисленной поверхности деталей глубина упрочнения
увеличивается вместе со снижением температуры начала конвектив-
ной фазы;
состояние поверхности оказывает существенное влияние на
результаты закалки;
Рис. 7.4. Схема зависимости желаемой температурной об-
ласти Д t фазы пузырькового кипения от величины се-
чения:
а — небольшое сечение; б — большое сечение: р — поверхность;
i - середина
Рис. 7.5. Схема влияния
размеров сечения на же-
лаемую температурную
область с большой скоро-
стью охлаждения [71]
наиболее глубокое упрочнение получают в охлаждающих средах,-
начало пузырькового кипения которых расположено близко к точке
Асз, а температура начала фазы конвективного теплообмена низка.
Это означает, что увеличение температурных границ пузырькового
кипения повышает глубину закалки.
Оценка пригодности охлаждающих сред, исходя из их скоростей
охлаждения в зависимости от диаметра сечений закаливаемых деталей,
а тем самым способности к упрочнению вглубь, схематически показана
на рис. 7.4 и 7.5. Из рис. 7.4 с допущением, что во всей температур-
ной области Ai—Ms для середины сечения скорость охлаждения долж-
на быть больше критической, что является большим упрощением,
следует, что эта область расположена выше для малых сечений,
172
чем для больших. Эта зависимость, но в координатах температура —
скорость охлаждения, схематически показана на рис. 7.5.
Кроме наиважнейшего критерия — охлаждающей способности —
в выборе охлаждающих сред следует учитывать и их влияние на
деформацию. Это очень важный, но одновременно и сложный аспект,
и, собственно говоря, только практические пробы могут дать одно-
значную оценку. Однако и с этой точки зрения анализ кривых охлаж-
дения позволяет делать приблизительные прогнозы. При температурах
образования паровой подушки и начала пузырькового кипения воз-
никают термические напряжения, но предел текучести аустенита также
низок. Для уменьшения деформаций в этой фазе охлаждения жела-
телен медленный переход от фазы паровой подушки к фазе пузырь-
кового кипения. Однако многие факторы говорят в пользу широко
распространенного мнения, что закалочные деформации являются
главным результатом структурных напряжений, возникающих при
температурах ниже Ms. На этом основании предпочитают среды,
медленно охлаждающие в конвективной фазе.
Приведенные выше правила выбора охлаждающих сред очень
несовершенны и носят качественный характер. Поэтому кажется це-
лесообразным тщательное рассмотрение несколько более точных и
по характеру полуколичественных принципов выбора, основанных на
коэффициенте интенсивности закалки К. Точнее говоря, эти показа-
тели позволяют рационально выбрать охлаждающие среды, исходя
только из металловедческой точки зрения, т. е, твердости и структуры.
Этот аспект проблемы, как наиважнейший, рассматривается, как
правило, в первую очередь, т. е.-перед анализом эксплуатационных
физико-химических свойств, а также экономических показателей.
Коэффициент интенсивности закалки К по методу СЕТ1М является,
как и коэффициент Гроссмана И, мерилом охлаждающей способности
среды в условиях, интегрирующих влияние всех факторов на эту
способность. В работе [11] приведена даже взаимозависимость между
этими коэффициентами (рис. 7.6), что не исключает справедливости
оговорок, приведенных в разделе 2.6.1, в отношении коэффициента
Гроссмана Н. Коэффициент К лучше всего определять с помощью
образцов, размещенных в производственной садке и закаленных в
конкретной промышленной установке. Однако так как основными
факторами, от которых зависит его значение, являются вид охлаж-
дающей среды и интенсивность ее циркуляции, то для выбора охлаж-
дающей среды можно определять коэффициент К в лабораторной
установке, схематически представленной на рис. 7.7. Сосуд для
Рис. 7.6. Зависимость между
коэффициентами интенсивно-
сти закалки Н по Гроссману
и К по CETIM; s —середина
образца [11]
173
Рис. 7.7. Схема установки для опреде-
ления коэффициента интенсивности
закалки К с помощью метода СЕТЯМ
, [74]:
1 — нагревательный элемент; 2 — печь; 3 — цилин-
дрический образец; 4 — исследуемое масло; 5 —
мешалка
исследуемой охлаждающей среды (чаще всего масла) имеет емкость
60 л, а образцы диаметром 20, 30 и 40 мм изготовлены из стали 40Х
[74|. Если закалка осуществляется в спокойной охлаждающей среде,
то коэффициент интенсивности прокаливаемости обозначают как Ко,
а в случае турбулентного движения как Л95. Способ измерения ин-
тенсивности циркуляции среды описан в разделе 4.5 (рис. 4.7 и 3.8).
Принимая, что значения К для имеющегося в наличии ассорти-
мента охлаждающих сред известны, процедуру выбора планируют из:
определения истинного сечения и подсчета эквивалентного этому
сечению диаметра прутка (рис. 7.8);
определения марки стали, из которой должны быть изготовлены
детали, и принятия, средней кривой прокаливаемости для этой марки
или лучше кривой, характеризующей конкретную плавку;
определения требуемой твердости обычно на половине радиуса
или в середине и эквивалентного для этой твердости значения / на
графике прокаливаемости, как показателя минимальной скорости
охлаждения, обеспечивающей получение требуемой твердости;
определения минимального значения Kmin из соотношения экви-
валентного диаметра с! к /;
сравнения требуемого минимального значения Kmj„ с такими же
значениями для имеющегося ассортимента охлаждающих сред и иск-
лючения охлаждающих сред с K<Knlin.
На рис. 7.9 приведен порядок определения Kmin (для эквива-
лентного диаметра d=12 мм), а на рис. 7.10 дано сравнение ?\mjn со
значениями К, имеющихся в наличии охлаждающих сред (Kt — Ко)
174
рис. 7.8. Приблизительные
значения коэффициентов для
пересчета прямоугольных и
квадратных сечений на экви-
валентные с точки теплообме-
на на круглые сечения при
охлаждении в масле; B/g —
ширина/толщина (цифры у
кривых)
2,0
высота сечения д, мм
Рис. 7.9. Способ определения
ния коэффициента интенсивности закалки ДП|!п на
примере прутка диаметром 12 мм при требуемой
твердости на половине радиуса 400 HV30 [11]
минимального значе-
Рис. 7.10. Выбор охлаждающей
среды путем сравнения требуемой
интенсивности закалки /(min с ве-
личинами Д для имеющегося ас-
сортимента пяти видов охлажда-
ющих сред [74]
Из этого сравнения вытекает, что охлаждающие среды со значениями
Ki и Да следует исключить, так как они охлаждают очень медленно.
Из остальных охлаждающих сред также следует исключить Д4 и Дв,
175
так как они охлаждают очень быстро, а охлаждающая среда
ближе всех к требуемому значению Amin.
С целью упрощения методики выбора охлаждающих сред многие
исследователи пытались установить зависимости между лабораторнц.
ми характеристиками охлаждающих сред и особенно между темпера,
турной областью пузырькового кипения A T=Tt— Т2 и коэффициентами
интенсивности прокаливаемости.
В книге Мансона [11] предложена математическая модель такой
зависимости в виде уравнения:
lgXo = 44-Blg7'i + Clg7’2+Dlg7’ilg7’2,
где А, В, С, D — постоянные, полученные экспериментальным
В случае сильной циркуляции охлаждающей
эффициента А95 значения постоянных в этом у у а
венно изменяются. На основе этой математической
строена также номограмма (рис. 7.11),
определить Ко и Коо, если известны
и т
с
в
группе закалочных масел, доступных
путем,
среды и поиска ко-
в этом уравнении соответст-
1-"'т::-:сс::зй модели была по-
позволяющая графически
—... критические температуры 7,
Т2. Однако эта номограмма построена на основе исследования
помощью серебряного образца диаметром 8 мм и длиной 24
rovnne яякялпиша» и»/.»™ ------------- ( во франции.
мм
Рис. 7.11. Номограмма для определения коэф-
фициентов интенсивности закалки К, исходя из
критических температур Г, и Т2 на кривых ох-
лаждения серебряного образца диаметром 8 и
длиной 24 мм
7/7/7
ООО
500
ООО
зоо \
100
\200
300
ВЫБОР ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД
7.4. ВЫБОР ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД,
ИСХОДЯ ИЗ ТИПА ЗАКАЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
В прошлом печи и закалочные ванны были, как правило, отдельными
установками и в то же время вид охлаждающей среды не оказывал
влияния на условия работы закалочных печей и поверхностные реак-
ции во время аустенизации. Однако уже пару десятилетий растет
176
генденция к конструированию закрытых комплексных установок, в
которых операции аустенизации или1 диффузионного насыщения по-
верхностного слоя и охлаждения, а иногда также мойки и отпуска,
производятся в одном агрегате. В такого рода агрегатах одним из
условий, которые ставятся перед охлаждающей средой, является от-
сутствие отрицательного (например, коррозионного) воздействия на
виутренние стенки печи и его атмосферу. На основе работ Бургдорфа
[115] и Лапина [116] рассмотрим этот аспект выбора закалочных
сред. В качестве рассматриваемых групп устройств принято: соляные
печи, камерные и муфельные печи, закалочные прессы, устройства
‘для поверхностной закалки, ванные печи, проходные закалочные печи,
многоцелевые камерные печи, толкательные печи для науглероживания,
вакуумные печи.
В соляных печах могут быть осуществлены различные виды тер-
мической обработки. В связи с этим они оборудованы закалочными
ваннами с двумя, а иногда и тремя видами охлаждающих сред, на-
пример, водой, маслом и соляной ванной. В случае закалки в воде
соль из нагревательной ванны переносится и частично растворяется
в воде, приводя к повышению охлаждающей способности. Смена воды
легко предупреждает это явление. Минеральные масла, предназна-
ченные для охлаждения после нагрева в солях, не должны содержать
животных или растительных жиров как добавок (так называемые
компаундовые масла), так как соли способствуют омылению этих
жиров. В маслах без этих добавок соль приводит к их регенерации
вследствие химической связи продуктов старения и термического раз-
ложения. В соляных нагревательных ваннах нагревательная соль при-
водит к образованию шлама, который периодически необходимо уда-
лять. Другие виды охлаждающих сред (полимерные, кипящий слой,
газовые) для работы с соляными печами непригодны.
Камерные печи (обычно муфельные и барабанные) не создают
никаких ограничений в выборе охлаждающих сред, так как их
нагревательное пространство прямо не соединяется с закалочными
ваннами.
Закалка в прессах требует масел с большим сопротивлением к
испарению (условие безопасной работы для обслуживающего персо-
нала), медленно охлаждающих при низких температурах и с ма-
лым влиянием интенсивности циркуляции среды на охлаждающую
способность. Этим условиям отвечают высокотемпературные масла.
Предметы малого сечения и геометрии, способствующей деформации
(например, ведомый диск сцепления), могут быть закалены в водо-
охлаждаемых матрицах.
В устройствах для поверхностной закалки (после индукционной
или пламенной аустенизации) охлаждение может быть проведено
путем погружения деталей в охлаждающую среду или наиболее часто
путем напыления охлаждающей среды на нагретую поверхность.
Охлаждение погружением может быть осуществлено как в водяных,
так и в масляных охлаждающих средах. В этом случае выбор охлаж-
дающей среды продиктован факторами, связанными с материалом,
а также с геометрией детали и не создает особых требований к зака-
лочной установке. Наиболее часто, однако, применяется душевое
охлаждение при замкнутой системе водоснабжения. В этом случае
не могут быть применены никакие масла, так как они загорелись
бы, ни водные растворы солей, которые как электролиты могут при-
водить к электрическому замыканию, а также к сильной коррозии
арматуры из цветных металлов. Применяемая ранее, а в некоторых
странах также и в настоящее время вода приводит к образованию
трудных для исправления во многих случаях белых пятен и трещин.
12 Зак. 3245\ 177
Водно-масляные эмульсии охлаждают медленнее, чем вода, но только
в верхнем температурном интервале, от которого в небольшой степени
зависит опасность возникновения трещин и деформаций. В этой ситуа.
ции оптимальные условия создают водные растворы полимеров, 'ко.
торые широко применяются в развитых странах. Их охлаждающую
способность можно легко регулировать с помощью концентрации, а
нейтрализацию сточных вод производить эффективно путем биологи-
ческого разложения. Однако долговечность этих охлаждающих сред
в условиях напыления значительно меньше, чем при охлаждении
погружением.
Специфика ванных печей с точки зрения выбора охлаждающих
сред заключается в том, что вся масса садки брутто (вместе с арма-
турой), одноразово погружаемая в охлаждающую среду обычно велика.
В связи с этим очень редко применяются для охлаждения водные
и селитровые охлаждающие среды. Водные охлаждающие среды не-
зависимо от. неравномерности охлаждения, вызванной локальным
повышением их температуры, приводят к деформации и разрушению
арматуры. Зато селитровые или щелочные соли трудны для полного
их удаления из этой арматуры, что отрицательно влияет на состав
печной атмосферы при последующем цикле термической обработки.
Для закалки садки после нагрева в печах этого типа не рекомендуются
также и высокотемпературные масла, так как незначительное
уменьшение деформации не уравновешивает многие неблагоприятные
при их применении результаты. К ним относятся: сниженная стой-
кость этих масел по сравнению с низкотемпературными (особенно
с быстроохлаждающими), быстро ухудшаемая смываемость (асфаль-
тово-смоляные осадки), высокая стоимость и малая охлаждающая
способность. Наиболее предпочтительными для рассмотренной цели
следует признать быстроохлаждающие масла малой вязкости. Они
имеют достаточную охлаждающую способность для широкого сорта-
мента марок стали и значительных сечений, а благодаря малой теку-
чести они менее пожароопасны.
Проходные закалочные печи с защитной атмосферой могут иметь
различную конструкцию и способ перемещения садки через нагрева-
тельное пространство, но их общей и важной с точки зрения выбора
охлаждающей среды характерной чертой является наклонная шахта,
через которую садка непрерывно или периодически падает в зака-
лочную ванну. Эта шахта заполнена не только печной атмосферой,
но и парами охлаждающей среды, которые'” тем самым изменяют
состав атмосферы. Если в атмосфере допускается повышенное коли-
чество водяного пара, что имеет место, например, при закалке поко-
вок, то можно применять водные охлаждающие среды, так как повы-
шенное содержание водяного пара в этого типа атмосфере допустимо.
В то же время, если требуется чистая светлая поверхность и полное
отсутствие обезуглероживания, то в качестве охлаждающей среды
следует применять только минеральные масла, лучше быстроохлаж-
дающие. Лишь в двух случаях можно отступить от этого принципа:
когда детали малого сечения подлежат изотермической закалке или
когда падающая шахта спроектирована таким образом, что исключает
возможность попадания водяного пара в печную атмосферу (рис. 7.12).
В первом случае охлаждающей средой являются расплавленные соли
селитры или щелочные соли, во втором — водные растворы полимеров.
Основы конструирования ванн для закалки в полимерных охлаждаю-
щих средах, особенно предназначенных для совместной работы с
атмосферными печами, отличны от масляных или водяных ванн и
описаны в работе [116). В многоцелевых атмосферных камерных пе-
178
Рис. 7.12. Пример конструкции
падающей шахты, предупрежда-
ющей попадание паров из поли-
мерного водяного охлаждения
в печную атмосферу [ 116]:
/ — отвод пара и дыма; 2 фланце-
вый холодильник; 3 — напыление; 4 —
перфорированный лист; 5 — напыле-
ние на полосу
чах, например, производимых на предприятии LZT-Эльтерма по ли-
цензии фирмы «Ипсен>, нагревательное пространство печи и простран-
ство над закалочной ванной разделено плотными затворами, но оба
эти пространства имеют общий газоплотный кожух, который в момент
подачи садки с печи в ванну соединяется. В этих условиях применение
водных охлаждающих сред или расплавленных солей исключено, так
как пары этих охлаждающих сред приводят к коррозии деталей печи,
а также недопустимым изменениям состава атмосферы. Поэтому
в печах этого типа применяются исключительно закалочные масла,
чаще всего низкотемпературные быстроохлаждающие и в некоторых
случаях высокотемпературные или универсальные. Из-за значи-
тельной массы садки брутто по отношению к массе масла его точка
воспламенения должна быть не ниже 200 °C. Горячие масла харак-
теризуются в этих печах большой устойчивостью, так как печная
атмосфера защищена от окисления.
В печных агрегатах с проталкиванием заготовок для науглеро-
живания, науглероживания - азотирования и термического улучшения,
как и в многоцелевых камерных печах, исключена возможность приме-
нения водных охлаждающих сред и сред на базе расплавленных солей.
Здесь вступают в игру исключительно минеральные или универсаль-
ные масла.
Закалка после аустенизации в вакуумных ванных печах не создает,
в принципе, никаких ограничений в области выбора рода охлаждающих
сред, хотя наиболее часто применяют газовые охлаждающие среды.
В то же время в более распространенных камерных вакуумных печах
исключены водные охлаждающие среды и расплавленные соли. Проб-
лематика газового охлаждения в этих печах рассмотрена в разделе
6.3, а охлаждение в маслах — в разделе 4.9.
7.5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОХЛАЖДЕНИЯ
В конце приведенных в этой книге целевых установок, по-видимому,
целесообразно сделать прогноз перспективных направлений в раз-
витии технологии охлаждения. Ни термическая обработка как целое,
12*
179
ни тем более охлаждение, как одна из ее составных операций, Не
является самоцелью, они направлены лишь на достижение более
широких целей в изготовлении машин и конструкций Интересные
материалы на эту тему помещены в работах Бураковского и Сали
[117], в соответствии с которыми этими целями являются: экономия
энергии, экономия материалов, повышение выхода продукции путем
механизации и автоматизации процесса, улучшение условий работы
и охраны окружающей среды.
Предпринимая попытки прогнозирования развития технологии
охлаждения на ближайшую и даже отдаленную перспективу, следует
это развитие рассматривать в аспекте сближения с рассмотренными
задачами.
Энергию можно экономить или путем применения таких новых
материалов, в которых требуемые свойства достигаются без приме-
нения термической обработки, или с помощью менее энергоемкой
термической обработки. Здесь темой анализа может быть только вто-
рое направление. К этого рода термической обработке можно отнести:
термическое улучшение с температуры пластической обработки,
опуская таким образом отдельный процесс аустенизации;
изотермическую закалку без отпуска;
поверхностную закалку (в основном индукционную токами сред-
ней частоты) вместо теплохимических диффузионных процессов.
Более подробное освещение проблематики экономии энергии при
термической обработке содержится в работе [117].
В первом из приведенных видов термической обработки большие
возможности для развития имеют в основном полимерные охлаждаю-
щие среды, в которых охлаждение протекает медленно и не препят-
ствует диффузионному превращению переохлажденного аустенита, а
охлажденные в них поковки получают свойства, равноценные со свой-
ствами деталей после классического улучшения. В странах, произ-
водящих охлаждающие среды этого типа, они уже в настоящее время
применяются, например, в автомобильной промышленности, но можно
прогнозировать их более широкое применение.
Технология изотермической закалки, особенно отливок из сфе-
роидального чугуна, имеет широкие перспективы развития и лишь
отсутствие безопасной и удобной охлаждающей среды для темпера-
турной области 250—400 °C является существенным тормозящим
фактором. По мнению автора, взвешенные среды после соответствую-
щего их улучшения могут уже в недалеком будущем восполнить этот
пробел. Для некоторых изделий, например, болтов для строительства,
может быть использована цинковая ванна с температурой 450 °C,
в которой, кроме беГгнитного превращения, происходит также и по-
крытие поверхности цинком с целью защиты от коррозии.
При индукционной или пламенной поверхностной закалке уже в
настоящее время полимерные охлаждающие среды с успехом вытес-
няют воду и водо-масляные эмульсии и, вероятно, дальнейшее раз-
витие пойдет в этом направлении. Интенсивно развивающаяся в по-
следнее время поверхностная импульсная закалка не требует ника-
ких охлаждающих средств, так как в этих условиях происходит до-
статочно быстрое самопроизвольное охлаждение (путем теплопереда-
чи внутрь сечения).
Экономия материалов может быть достигнута как путем замены
легированных сталей углеродистыми или менее легированными, так
и путем уменьшения расхода охлаждающих сред, особенно дефицит-
ных масел. Первое из этих направлений требует расширения приме-
нения улучшающих термических обработок и тем самым увеличивает
180
расход охлаждающих сред, особенно с охлаждающей способностью,
промежуточной между водой и маслом. Таких охлаждающих сред
требуют углеродистые стали и низко- или микролегированные. Отсюда
потребность в усовершенствовании этого типа охлаждающих сред.
Этой цели можно также достигнуть, применяя современные быстро-
охлаждающие масла вместо обычных. Применение масел этого типа,
особенно если они характеризуются большим сопротивлением к испа-
рению, приводит к уменьшению потерь через вынос и испарение.
В этом же направлении идет развитие масел всех видов путем повы-
шения их стойкости (сопротивление окислению и термическое разло-
жение). В то же время стойкость полимерных охлаждающих сред в
настоящее время лимитирована в основном их малым сопротивлением
действию микроорганизмов. Необходимо, следовательно, ожидать улуч-
шения их свойств также и с этой точки зрения.
Дальнейшее развитие механизации и автоматизации процессов
термической обработки потребует существенного прогресса в техно-
логии охлаждения. Прогресс в области разработки охлаждающих сред
и применения автоматического регулирования их охлаждающей спо-
собности во время охлаждения должен опережаться разработкой
промышленных методов измерения этой способности с результатами,
скоррелированными по распределению твердости по сечению. Пара-
метрами такой регулировки для масел может быть характер и интен-
сивность циркуляции, для расплавленных солей — содержание воды,
для полимерных охлаждающих сред — концентрация, циркуляция и
температура, для газов — давление и перемешивание, для взвешен-
ных охлаждающих сред — интенсивность протекания газа. Развитие
автоматизации будет также стимулировать индукционные методы
поверхностной закалки и приспособленные для этой цели охлаждаю-
щие среды.
С точки зрения техники безопасности и охраны природной среды
наилучшие перспективы из жидких охлаждающих сред имеют растворы
полимеров, хотя, вероятно, с многих точек зрения в обозримом буду-
щем они не вытесняют минеральных масел.
Подводя итог, можно утверждать, что прогноз развития в области
закалочных охлаждающих сред приводит к следующим выводам.
Развитие атмосферных и вакуумных печей будет способствовать
увеличению потребности различного рода и все лучшего качества
закалочных масел, которые долго еще будут занимать свое домини-
рующее положение.
В области синтетических охлаждающих сред перспективы раз-
вития самые радужные. По мере улучшения их технологических свойств
и расширения их ассортимента они будут постепенно заменять мине-
ральные масла.
В технологии бейнитной закалки не удалось преодолеть большие
преграды для температурной области 250—450 °C, но, вероятно, соля-
ные и металлические ванны будут заменены соответственно улучшен-
ными взвешенными охлаждающими средами. Предполагает, что лишь
в массовом производстве мелких деталей и дальше будут применяться
расплавленные соли и щелочи.
Газовые охлаждающие среды, в особенности при повышенном дав-
лении, будут широко использоваться для закалки коррозионностойких,
быстрорежущих и других высоколегированных сталей после аустени-
зации в вакуумных печах.
181
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Wever F., Rose A.: Atlas zur W&rmebehandlung der Stfihle. T.I. DQsseldorf, Verlag
Stahleisen 1954/1958.
2. CiaS W.M.: Phase Transformation Kinetics and Hardenability of Medium-Carbon
Alloy Steels. Connecticut 06830. Climax Molibdenum Company 1973.
3. Rohling Handbuch fiir Baustahle. Katalog stali. Volkingen (RFN).
4. Thelning K.E.: CCT-diagrams with Natural Cooling. Scandinavian Journal of
Metals 1978, Vol. 7, s. 253—263.
5. Atkins M.: Atlas of Continuous Transformation Diagrams for Engineering Steels.
Sheffield. British Steel Corporation, BSC Billet, 1977.
6. Maynier P., Dallet I., Bastier P.: Revue de Metallurgie 1970. Vol. 67, No. 4,
s. 343.
7. Sklujew P.W.: Mietody rasczeta kriticzeskich skorostiej zakalki i twierdosti
zagotowok iz konstrukcjonnych stalej. MietaRowiedienie i Tiermiczeskaja Obra-
botka Mietallow 1981. No. 4, s. 2—7.
8. Hengerer F. i in.: Rasczet s pomoszczju EWM processow ochlazdienia dietalej
iz legirowannych uluszczajemych stalej. Czernyje Mietally 1969. No. 12, s. 22.
9. Poradnik inzyniera. Obrobka cieplna stopdw zelaza. Red. W. Luty. Warszawa,
WNT 1977. rozdz. 4.
10. Eyssel F.W.: Die Zwischenstufenvergiitung und ihre Anwendung. Drahtwelt
1973. Bd. 59. Nr. 1, s. 32—37.
11. Mansion J., Bournicon C., Sayettat C.: Les huiles de trempe. Senlis, France,
Centre Technique des Industries M6caniques, 1978.
12. Staub F., Janicki J., Tymowski J.: Wspolczesne metody hartowania izotermicz-
nego. Przeglqd Mechaniczny 1956. Nr 2, s. 46—49.
13. Schaaber O.: Zum Problem def Warmebehandelbarkeit. Harterei Technische
Mitteilungen 1966. Bd. 21. Nr. 2, s. 107—110.
14. Rose A.: Eigenspannungen als Ergebnis von Warmebehandlung um Umwan-
dlungsverhalten. Harterei Technische Mitteilungen 1966. Bd. 21. Nr. 1, s. 1—6.
15. Hougardy II., Wildan M.: Entstehung von Spannungen und Eigenspannungen
beim Abschrecken von Stahl. HSrterei Technische Mitteilungen 1983. Bd. 38.
Nr. 3, s. 121—127.
16. Wyss U.: Uberblick fiber die wichtigsten Gesetzmassigkeiten der Massanderungen
bei der Warmebehandlung. Microtecnic 1966. Bd. 7. Nr. 27.
17. Lament B.S.: Distorsion in Tool Steels. Park Novelty, Ohio. American Society
for Metals 1959, s. 40.
18. Murry G.: Contraintes et deformations engendrees par la trempe des aciers.
Referat wygloszony na MiQdzynarodowym Kongresie Obrobki Cieplnej Metali
w Warszawie. 27—30 pazdziernik 1981.
19. Rossow P.: Verzug bei der Warmebehandlung. Zeitschrift fiir wirtschaftliche
Fertigung 1978. Nr. 9, s. 478—481.
20. French H.J.: The Quenching of Steels. Cleveland. American Society for Steel
Treating 1930, s. 177.
21. Kraus K.: Untersuchungen zum Einfluss metallurgisch-technologischer, insbe-
sondere hartereitechnischer Faktoren auf die Auswahl vergfiteter Baustfihle.
Neue Hutto 1981. Nr. 4, s. 132—136.
22. Metals Handbook. Ed. 8. Ohio. American Society for Metals Vol. 1. 1969.
23. Lachtin J.M.: Pismo z dnia 9.08.1979 r. skierowane do Komisji Chlodziw Hartow-
niczych Micdzynarodowej Organizacji Obrobki Cieplnej (AITT).
24. Grossmann М.Л., Asimoiv M., Urban S.F.: The Hardenability of Alloy Steel.
Cleveland. American Society for Metals 1939, s. 124—180.
25. Beck G. i in.: Planungs- und Auswahlprinzipien fiir ein Abschreckol. Harterei
" Technische Mitteilungen 1975. Bd. 30. Nr. 6, s. 346—358.
26. Kobasko N.I.: Tieplowyje processy pri zakalkie stali. MietaRowiedienie i Tier-
miczeskaja Obrabotka Mietallow 1968. No. 3.
Rose A.: Das Abkiihlvcrmogen von Stahlabschreckmitteln. Archiv fiir das Eisen-
hiittenwesen 1940. Nr. 13, s. 345—354.
9g. Beck G., Dumont C., Moreaux F., Simon A.: Principes de conception et de choix
d une huile de trempe. Traitment Thermique 1975. No. 95, s. 67—75.
од. Wolfson Heat Treatment .Centre: Laboratory Test for Assessing the Quenching
Characteristics of Industrial Quenching Media. Birmingham 1982.
30. Tensi H.M.: Labormethode zur Priifung der Abschreckleistung von Polymer-
losungen. Referat wygloszony na posiedzeniu Mi^dzynarodowego Komitetu Chlo-
dziw Hartowniczych. Wiedeh 30 maja 1983.
31. Commission Mixte ATTT-SFM: Drasticite des huiles de trempe. Essai au capteur
d’argent. Paris. Recommandation No. 5-applicable le 13.10.1983.
32. Luty W.: Die Reproduzierbarkeit der Abschreckkurven bei der Untersuchung
von Polymerlosungen und Olen. Harterei Technische Mitteilungen 1983. Bd. 38.
Nr. 6, s. 2G3—267.
33. Luty W..* Effect of Temperature Gradient on the Quenching Power in Fluidized
Beds. Journal of Heat Treating, December 1983, s. 108—113.
34. Luty W.: Wlasnosci termokine.tyczne niekt6rych krajowych i zagranicznych chlo-
dziw wodnych przy chlodzeniu zanurzeniowym i natryskowym. Metaloznawstwo
i Obrobka Cieplna 1985. Nr 4.
35. Hampshire J.M.: Niepublikowane pismo RHP Bearing Research Centre do prof.
B. Liscica (przewodniczqcego Miqdzynarodowego Komitetu Chlodziw Hartowni-
czych) z dnia 15.10.1981.
36. Hick A.J.: The Wolfson Test for Assesssing the Cooling Characteristics of Quench-
ing Media. Heat Treatment of Metals 1983. No. 3, s. 69.
37. Lakin J.J.: Adaptation of the Wolfson Test Technique to Polymer Quenchats.
Heat Treatment of Metals 1983. Nc. 3, s. 69.
38. Augustyniak W., Burakowski T., Luty W.: Automatyczne urz^dzenie do po-
miaru zdolnosci chlodzqcej olejdw hartowniczych metodq magnetyeznq. Metalo-
znawstwo i ОЬгбЬка Cieplna 1984. Nr 68, s. 33—35.
39. Grossmann M.A.: Principles of Heat Treatment. Cleveland. American Society
for Metals 1940.
40. Furman G.R.: Quenching — Metallurgical Aspects. Lubrication 1971. Vol. 57.
No. 2, s. 13—36.
41. Luty W., Derlacki K., Stachyra J.: Opracowanie wymagan technologicznych oraz
sposobow wytwarzania i zasad stosowania olej6w hartowniczych — etap II.
Niepublikowane sprawozdanie Instytutu Mechaniki Precyzyjnej Nr 12.0C.15. War-
szawa 1977.
42. Russel T.E.: Some Mathematical Consideration on the Heating and Cooling of
Steel. The Iron and Steel Institute, London 1936. Special Report No. 14, Section
IX, Pt. C. s. 149—187.
43. Mitchel J.A.: Practical Utilization of Intermediate Quench Severities. Heat
Treating April 1971, s. 12—14.
44. Воиттсоп C.: Methode de caracterisation du pouvoir trempant des instalations
de trempe industrielles. Traitement Thermique 1976. No. 104, s. 67—70.
45. W tinning J.: Berechnung und Steuerung des Temperaturverlaufs beim Abs-
chrecken von Stahl in Wasser und 01. HSrterei Technische Mitteilungen 1981. Bd.
36. Nr. 5, s. 231—241.
46. Wanning J., Liedike D.: Versuche zum Ermitteln der Warmestromdichte beim
Abschrecken von Stahl in fliissigen Abschreckmitteln nach der QTA-Methode.
Harterei Technische Mitteilungen 1983. Bd. 38. Nr. 4, s. 149—155.
47. Liscic B.: Der Temperaturgradient auf der Oberflache als Kenngrosse fiir die
reale Abschreckinfensitat beim Harten. Harterei Technische Mitteilungen 1978.
Bd. 33. Nr. 4, s. 179—194.
48. Liscic B.: Moglichkeiten der Berechnung, Messung und Steuerung des Tempe-
raturverlaufes beim Abschrecken. Neue Hiitte 1983. Nr. 11, s. 405_411.
497’Pitrasz L.W.: Zakaiocznyje sredy. Moskwa, Maszgiz 1959.
183
50. Monroe R.W., Bates C.E.: Evaluating Quenchants and Facilities for Hardenjn
Steel. Journal of Heat Treating 1983. Vol. 3. No. 2, s. 83—99.
51. Beitz H.: Einsatzmoglichkeiten und Einsatzgrenzen synthetischer, wiisseriger
Abschreckfliissigkeiten in der HSrtereitechnik. Harterei Technische Mitteilungen
1979. Bd. 34. Nr. 4, s. 180—188.
52. Research Institute of Mechanical and Electrical Technology P.R.C.: Quenching
Media in China. Informacja dostarczona na Migdzynarodow’ym Kongresie Obr6b-
ki Cieplnej we Florencji. Sierpien 1982.
53. Kopietz K.H.: Controlled Quenching of Ferrous Metals in Sodium Polyacrylate
Aqueous Solutions. Industrial Heating. June 1979.
54. Burgdorf E.: Eigenschaften und Einsatzgebietc synthetischer Abschreckldsungen
Zeitschrift fiir Wirtschaftliche Fertigung 1979. Bd. 74. Nr. 9, s. 431—436.
55. Mason K.J., Griffin T.: The Use of Polymer Quenchants for the Patenting of
High-carbon Steel Wire and Rod Heat Treatment of Metals 1982. No. 3, s. 77 83.
56. Bergen R.T.: New Developments in the Technology and Application of Polymer
Quenchants. Heat Treatment of Metals 1984. No. 1, s. 7—8.
57. Prospekty firmy Edgar Vaughan. Birmingham.
58. Houghton Chemie H.R. Fischer-Hildesheim. Prospekt Chlodziwa Aquatensid.
59. Beitz II.: Einsatzmoglichkeiten und Einsatzgrenzen wiissriger Abschreckfliissig-
keiten in der Hartereitechnik. Harterei Technische Mitteilungen 1979. Bd.1 34.
Nr. 4. s. 180—188.
60. Tenaxol Inc. Prospekt chlodziwa Ucon Quenchants.
61. Foreman R.W.: Polymer Quenching. Industrial Heating, January 1984, s. 22—29.
V 62. Rusoic K.D., Stiekolnikow W.W.: Nowaja polimiernaja zakalocznaja sreda ZSP-l.
Miotallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow 1977. No. 2, s. 35—37.
I/ 63. Biedarjew A.S. i in.: Primienienie wodoraztworimych polimierow dla zakalki
dietalej iz aliuminiewych splawow. Miotallowiedienie i Tiermiczeskaja Obra-
botka Mietallow 1978. No. 1, s. 48—52.
64. China M.L. i in.: Zakalocznyje sredy na osnowie wodorastworimych polimierow.
Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow 1978. No. 8, s. 70—74.
65. Astaszczenko W. J. i in.: Primienienie zakalocznoj zidkosti „Tosot-К” dla obje-
mnoj zakalki stak-j. Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow
1982. No. 6. s. 5—8.
V 66. Zakamaidin A.A. i in.: Nowyje zakalocznyje sredy. Mietallowiedienie i Tiermi-
czeskaja Obrabotka Mietallow’ 1983. No. 1, s. 9—14.
V 67. Zimin N.W. i in.: Zakalocznaja sreda, sodierzaszczaja wodnyje rastwory trieta-
nolamina i poliwinylowogo spirta. Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka
} Mietallow 1984. No. 6, s. 18—22.
68. Goriuszin W.W., Kobasko N.I.: Swojstwa zakalocznych sredstw na wodnoj osno-
wie z dobawkami polimiera PK-2. Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka
Mietallow 1984. No. 7, s. 29—32.
69. Wyszkowski J., Sob6l S., Tomaniak E., Zagdrny T.: Wodol-3 — nowe syntetyezne
chlodziwo hartownicze zastqpujqce olej lub wodg. Zbior referatow na XVIII
Seminarium Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 1979.
70. Sob6l S. i in.: Nowe krajow'e hartownicze oSrodki chlodzqce na bazie wody.
Zbior referatow na XXIV Seminarium Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, War-
szawa 1984.
71. Kopietz K.H.: Aufbau, Eigenschaften und Anwendung von Olen fiir die WSr-
mebehandlung von Stahl. Mineraldl-Technik 1963. Nr. 4/5.
72. Keyser W.: Mineralole in der Hfirtetechnik. Werkstatt und Betrieb 1972. Nr. 6,
s. 421—426.
73. Commission mixte ATTT-SFM: Caracteristique physico-chkniques des huiles de
trempe.' Traitement Thermique 1980. No. 146, s. 34—38.
74. Mansion J.: Caracterisation et choix des huiles de trempe. Traitement Thermique
1976. No. 104, s. 59—66.
75. Beitz Н.» Rettberg U.: Wasser in Abschreckdlbadern. Zeitschrift fflr wirtschaft-
liche Fertigung 1979. Nr. 7, s. 378—377.
184
76. Burgdorf E.: Fltissige Abschreckmittel — Priifung und Uberwachnung. Techni-
sches Zentralblatt fiir praktische Metallbearbeitung 1979. Nr. 9, s. 109—114.
77. Boor U.: Ein vollautomatisiertes Priifgerat zur Beurteilung der Abschreckffihigket
von Harteblen. Technisches Zeitschrift fiir praktische Metallbearbeitung 1975.
Nr. 9, s. 299—301.
78. Prospekty chlodziw hartowniczych firmy Houghton-Hildesheim.
79. Beitz H., Rettberg U.: Olwarmbfider fiir moderne Ofenanlagen. Fachberichte fill
OberflBchentechnik 1975. Nr. 9, s. 642—651.
/io. Marmier E.N. i in.: Ochlazdajuszczaja sposobnost niekotorych jvakuumnych ma-
siel pri razlicznych razrieieniach. Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka
Mietallow 1983. No. 1, s. 14—16.
81. Luty W.: Sprawozdanie z podr6iy sluzbowej do Ipsen-Industries w Rockford
Illinois. USA. grudzien 1975.
82. Luty W., Brocka-Lubik E., Woiniak W.: Opracowanie wymagah technologicznych
oraz sposob6w wytwarzania i zasad stosowania olej6w hartowniczych. Spra-
wozdanie Instytutu Mechaniki Precyzyjnej Nr 104.00.0015. Warszawa 1979.
83. Luty W., Woiniak W..’ Badanie niektdrych wlasnoSci technologicznych krajo-
wych i wybranych zagranicznych olej6w hartowniczych. Sprawozdanie Instytutu
Mechaniki Precyzyjnej Nr 104.06.0195. Warszawa 1980.
84. Beitz H.: OlbrSnde in Hfirtereien und ihre Vermeidung. Houghton-Hildesheim
Bericht.
85. Gliick T.: Metody ochrony hartowni zwi^kszajqce bezpieczehstwo pracy. Meta-
loznawstwo i ОЬгбЬка Cieplna 1984. Nr 67, s. 35—37.
86. Gulajew A.P.: Tiermiczeskaja obrabotka stali. Moskwa, Maszgiz 1960.
87. Pietrikow W.G.: Swojstwa goriaczich rozplawow- sielitr s wodoj. Mietallowie-
dienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow 1977. No. 8, s. 4—7.
88. Babicz A.P. i in.: Stabilizacja tiempieratury i ochlaidajuszczej sposobnosti ras-
plawa solej. Mietallowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow 1982. No. 1,
s. 51—52.
/ 89 Gulajew A.P. i in.: Stupienczataja zakalka w rasplawach jedkich szczeloczej.
Wiestnik Maszinostrojenia 1953. No. 8.
90. Instrukcja projektowania i obslugi wanien saletrzanych. Instytut Mechaniki
Precyzyjnej. Warszawa 1969.
91. Bauer E.: Moglichkeiten und Grenzen des Gasabschreckens von WerkzeugstShlen
in Vakuum-Ofen. Zeitschrift fiir wirtschaftliche Fertigung 1981. Nr. 8, s. 405—
410.
92. Karpow L.P.: Zakalka w potokie szatych gazow. Mietallowiedienie i Tiermicze-
skaja Obrabotka Mietallow 1966. No. 7, s. 59—62.
93. Dawes C., Reynoldeon R.W.: Parameters for Gas Quenching in Vacuum Furna-
ces. Metal Progress. July 1971, s. 72—73.
94. Cheary W.J.: Aspects of Vacuum Heat Theatmenti Metallurgy and Metal Form-
ing 1973. Vol. 40. No. 11, s. 350—356.
95. Soltan S., Zolciak T.: Hartowanie stali szybkotnqcych w piecu prozniowym przy
podwyzszonym cisnieniu gazu. XVIII Seminarium Instytutu Mechaniki Precy-
zyjnej. Warszawa 1977.
• 96. LataS Z., Kowalski S.: Gazowyje ochlazdajuszczyje sriedy primieniajemyje pri
tiermiczeskoj obrabotkie w wakuumnych pieczach. Mietallowiedienie i Tiermi-
czeskaja Obrabotka Mietallow 1983. No. 11, s. 15—20.
97. Merlini N. i in.: Trempe sous gaz a haute pression d’aciers rapides traites sous
vide. Traitement Thermique 1983. No. 171, s. 44—48.
98. Ruffle T.W., Byrnes E.R.: Quenching in Vacuum Furnaces. Heat Treatment of
Metals 1979. No. 4, s. 81—87.
99. Floury D.: Four sous vide d echangeur exterieur — amelioration des perfor-
mances de refroidissement. Traitement Thermique 1975. No. 97, s. 65—71.
100. Falkenmayer K.: Das Wirbelbett-Verfahren als Mittel zur Warmebehandlung
von Stahlteileri. Zeitschrift fiir wirtschaftliche Fertigung 1983. Nr. 7, s. 339—347.
185
101. Mickley H.S., Thrilling C.A.: Heat Transfer Characteristics of Fluidized Beds
Ing. Eng. Chem. 1949. No. 41, s. 1195—1197.
102. Kuhn F.: Die Abkuhlung in der Wirbelschicht. Gas-Wfirme-International 198q
Nr. 9, s. 481—485.
103. Calperin NJ., Einstein V.G.: Heat Transfer in Fluidized Beds, w Davidson I.F.>
Harrison D. „Fluidization”. London Academic Press 1971.
104. Luty W., Derlacki K.: Opracowanie wymagah technologicznych oraz sposobdw
wytwarzania i doboru fluidalnych chlodziw hartowniczych. Niepublikowane
sprawozdanie z pracy Instytutu Mechaniki Precyzyjnej Nr 120.00.0017. War-
szawa 1978.
105. Varygin N.N.: The Dubbling Layer in New Quenching Medium with Controllable
Cooling Capacity. Metal Science and Heat Treatment 1961. No. 5/6, s. 248—251.
106. Luty W.: Untersuchung der thermokinetischer Eigenschaften und des An wen-
dungsbereiches einer Wirbelschicht als ^bschreckmedium. Harterei Technische
Mitteilungen 1981. Bd 36. Nr. 4, s. 194—199.
107. Rapsch M.: Moglichkeiten und Grenzen bei der Anwendung der Wirbelschicht-
technik fiir die Wjirmebehandlung. Elektrowarme International 1977. Nr. 35,
s. 38—41.
108. Warygin N.N., Olszanow EJ.: Primienienie kipiaszczego sioja dla tiermiczeskoj
i chimikotiermiczeskoj obrabotki mietallow. Mietailowiedienie i Tiermiczeskaja
Obrabotka Mietallow 1971. No. 6, s. 2—11.
109. Winokurow W.A. i in.: Tiermiczeskaja obrabotka w pieczi s kipiaszczim slo-
jem. Mietailowiedienie i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietallow 1971. No. 6,
s. 11—16.
110. Adrien J. i in.: Trempe 6tage de matrices en lit fluidise. Traitement Thermique
1976. No. 103, s. 33—38.
111. Zawarow A.S., Baskakow A.P., Graczew S.W.; Tiermiczeskaja obrabotka w ki-
piaszczim sloju. Moskwa, Mietallurgia 1981.
112. Jatczak Ch.F.: Determining Hardenability from Composition. Metal Progress.
September 1971, s. 60—65.
113. Prospekt firmy Esso. Harteole auf einen Blick. Hamburg.
114. Cook W.T.: The Role of Hardenability in the Choice of Quenching System.
Heat Treatment of Metals 1980. No. 4. s. 83—87.
115. Burgdorf E.: Auswahl der Abschreckmittel in Bezug auf vorhandene HSrtean-
lagen. Zeitschrift fiir wirtschaftliche Fertigu'ng 1977. Nr. 10, s. 523—528.
116. Lakin J J.: The Use of Polymer Quenchants in Surface Heat Treatments. Heat
Treatment of Metals 1982. No. 3, s. 73—76.
117. Burakowski T., Sala A.: Racjonalizacja zuzycia energii w obr6bce cieplnej me-
tali. Instytut Mechaniki Precyzyjnej. Warszawa 1980.
118. Burgdorf E.: Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der fliissigen Abschreck-
mitell. Zeitschrift fiir wirtschaftliche Fertigung 1982. Nr. 7, s. 347—351.
- ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Акванвенч 94, 95
Аквасал 83
Акваранид 83
Аппаратура:
для определения коэффициента
интенсивности 174
— — свойств сред 51
— поверхностной закалки 17-7
— получения взвешенных
сред 53
— измерения турбулентности
закалочных масел 119
— исследования охлаждаю-
щей способности масел 119
— — по методу никелевого
шарика 58
— патентирования проволоки
во взвешенных средах 165
Ароматические масла 106
Аустенит, понятие, образование 9
— переохлажденный, превраще-
ние II, 22
Бейнит, превращение 11, 22
Биота число 62
Вакуумные масла 126
Ванны, определение их закалочной
способности 56
— техника безопасности при ра-
боте 144
Взвешенные среды 155, 157
Вода, растворы 70, 78, 79
— водопроводная 147
— дистиллированная 147
Водно-масляные эмульсии 84
Водоль 99, 101
Вольфсона метод 57
ВТП (время—температура—прев-
ращение)-диаграммы 11 —13. 16
Вюнника метод 62, 68
Вязкость 11 I
Гликоль оксиалкиловый 89
Гроссмана коэффициент 28, 57, 120
— метод 62
— номограмма 66
— число 62
Деформации, пути предупрежде-
ния 35, 36
Джомини метод 16, 26, 27, 61
— образец 66
Диспергатор 53, 54
Диспергированные среды 158, 159
Дуриксоль (масло) 129
Дюйма величина 63
Закаливаемость 25
Закалка:
в вакуумных печах 149
— воде 74
— газах 152
— кипящем слое 155
— масле 56, 70, 121
— прессах 177
— солях 142
— щелочах 142
в лияние на свойства стали 23
во взвешенных средах 155, 163
изотермическая 20, 24, 139,
142, 180
критические температуры ох-
лаждения 50
на бейнит 20, 181
— воздухе 146
187
— мартенсит 20, 21
напылением 54
объемная 20
ступенчатая 21, 142
торцовая 16, 26, 61, 167
Закалочные деформации 34
— среды, классификация 40
— — основы выбора 165, 171
Закалочные устройства:
ванны 72, 103, 144
печи, выбор сред для них 176
Инконель 600, химсостав 55
Интенсивности охлаждения коэф-
фициент 28, 61—67, 78, 173, 176
Кипение 44, 105
Кислотное число 112, 114
Компаундированные масла 117
Конвекция 45
Конических образцов метод 60
Конрадсона число 112, 114
Критерии выбора сред 167
Критическая скорость 16—19
— температура 50
Критический диаметр 18, 19, 26, 28
— время 14, 15
Лейденфроста точка 45, 68
Летучесть 113
Лишчича метод 62, 72
Магнитный метод (США) 48, 58
Макронапряжения 28
Марпуссона метод 112
Мартемп (масло) 124, 126
Мартенса — Пенски метод 112
Мартенсит, превращение 10, II
Масла, 70:
загрязнение водой 121
классификация 107, 108
охлаждающая способность 170
старения процессы 123
термокинетические свойства
109, НО
техника безопасности 121, 133
турбулентность 119, 120
физико-химические свойства
109, НО, 131
циркуляция 118
Методы исследования:
конических образцов 60
Рози 47
цилиндра (Англия) 47
— серебряного (Франция) 47,
48
шарика никелевого (США»
48, 58
— серебряного (ФРГ) 47
CETIM 67
Минеральные масла 104
Молочная эмульсия 83
Напряжения 29, 32, 34
Напыление 102
Напылитель 54
Натрия хлорид, раствор, плотность
82
— полиакрилат 91
Нафтеновое масло 112
Неорганические кислоты 79
— соли 83
Ньютона уравнение (для теплопе-
реноса) 41
Обработка резанием, предупрежде-
ние деформации. 36
Образец-зонд 55, 72
Образцы, подготовка поверхности
56, 65
Омыления число 112, 114
Отпариваемость 114
Охлаждающая способность:
аргона 147
воздуха 147
воды 70
гелия 147
дисперсных сред 52
солей 70
масла 49, 70, 117, 147
методы определения 46, 49,
60
понятие 61
Охлаждающие среды:
выбор 16, 54
классификация 40, 42
характеристика 55, 70
теплообмен 45
Охлаждение:
в воде 14, 77, 78
— водоле 101
— газах 145
— расплавленных солях
136
— средах с ламинарным дви-
жением 53
— масле 69, 106, 107, 119
— полимерах 90, 98
— щелочно-соляных ваннах
136, 142
188
во взвешенных средах 160
водяным туманом 149
душевое 177
интенсивность 28, 161
напылением 85, 102
погружением 85
прогноз технологии 180
серебряного шарика 47, 83, 84,
87, 90, 107
стальных прутков 15
фазы 46
цилиндрического образца 85
Охлаждения скорость:
в середине стальных прутков
14, 20
влияние интенсивности цирку-
ляции воды 77
качества поверхности 38
— размеров сечения образцов
28, 161
температуры 75
— содержания углерода в
аустените 173
— турбулентности 119
- химического состава 18
влияющие факторы 37
Парквенч-90 97
Парафиновые масла 105, 112
Паровая оболочка 44
Паровая подушка 46
Паровое покрытие 44
Перемешивание 52
Переохлаждение 9
Перлит, превращение 9
Печи:
вакуумная с газовым охлаж-
дением 152 ,
— Эльтерма 149
- Эльтерма — Ипсен 152
— тина VTTC 154
проходные закалочные с за-
щитной атмосферой 178
* соляные I77
Пластическая деформация, пути
предупреждения 35, 36
Пленочное кипение 38
Поливиниловый спирт 89
Поликрилан натрия 89
Полимерные среды, классификация
88
ПНР 99
— — характеристика 94, 98
Полимероль 99
— G3 102
— LQR 97
Полимеры 52, 86, 94, 98
Прокаливаемость 16, 25, 27,
167
Псевдоожиженные среды 155
Пузырьковое кипение 38, 45, 46,
105
— — влияние добавки соли к
воде, схема 81
Селитровая соль 82, 137, 140
Синтетические среды 181
Соли неорганические 83
Соляная кислота 70
Соляные растворы 79, 138
Смываемость 114
Структурные изменения 29
Сублимикронапряжения 29
Температурного градиента метод
62, 72
«Тень» 157—159
Теплообмен при охлаждении 40, 45
— конвективный 46
— схема влияния расположения
образцов 159
Теплопередачи коэффициент 40
Теплопереноса коэффициент 40,
41
Термические напряжения 29, 32,
34
Термическое улучшение 24
Термообработка, предупреждение
деформации 36
Турбулентность масла 40
Упрочняемость 25
Фазовые превращения:
виды 32
влияние скорости охлаждения
9, 10
— легирующих элементов 11
— углерода 10
кинетика 11, 13, 16
Форма детали, влияние на скорость
охлаждения 37
Фурье уравнение»41
Хартеноль (масло) 128
Циркуляция воды, влияние на твер-
дость 78
Шахта падающая 179
Щелочи 79, 138
— расплавы 142
189
Экономия материалов 180 Энглера вязкость 11!
Эксплуатационная устойчивость 39 Энерголь (масло) 129
Электрокорундовые среды 162 Юкон 97
Эмульсия 83, 84 с. . . 1О_
BN-64 (масло) 129
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Вацлав Люты
ЗАКАЛОЧНЫЕ СРЕДЫ
Редактор издательства А. П. Сорманов
Художественный редактор А. А. Якубенко.
Технический редактор Т. С. Кох.
Корректор В. А. Поткина.
4
Сдано в набор 17.07.89. Подписано в печать 22.03.90.
Формат бумаги 84Х Ю8'/за. Бумага офсетная № 2.
Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 10.08.
Усл. кр.-отт. 10,5. Уч.-изд. л. 13,95. Тираж 5400 экз.
Заказ № 3245. Цена 90 коп. Изд. № 2145.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Металлургия»,
Челябинское отделение, 454000, г. Челябинск, ул. Красноармейская, 166.
Типография издательства «Челябинский рабочий», 454080, г. Челябинск,
Свердловский проспект, 60.
ИБ №3778