Синтетические закалочные среды

Для качественной закалки охлаждающая среда должна характеризоваться высокой охлаждающей способностью в интервале температур перлитного превращения в стали (700...500 º С) и низкой – в интервале температур мартенситного превращения (300...100 º С). Вода и масло не отвечают этим требованиям, что привело к созданию сред, в основе которых лежат полимерные соединения. Эти среды, сочетающие в определенной степени положительные свойства масла и воды, представляют собой водные растворы различных веществ [6, 7]. Они получили название синтетических закалочных сред (СЗС). СЗС негорючи и нетоксичны.

Механизм действия добавок различен: они изменяют температуры кипения и испарения воды, ее вязкость. Механизм охлаждения в растворах полимеров основан на их влиянии на вязкость раствора, а также на понижении или повышении растворимости полимеров при изменении температуры среды в контакте с охлаждаемым металлом.

Различают две группы полимерных закалочных сред. В средах первой группы растворимость полимера уменьшается с повышением температуры. При контакте с горячим металлом полимер выпадает из раствора, образуя вокруг детали слой, замедляющий охлаждение. При дальнейшем охлаждении металла этот слой вновь растворяется.

Ко второй группе относятся закалочные среды, в которых, на поверхности охлаждаемого металла образуется пленка, которая стабилизирует паровую рубашку и в конце охлаждения оседает на поверхности детали, тем самым замедляя охлаждение в нижнем интервале температур.

Определяющими для применения полимерных сред являются три фактора: концентрация раствора, его температура и скорость перемешивания. Основным недостатком этих сред является зависимость их охлаждающей способности от температуры самой среды, при нагреве бака выше 55...60 º С скорость охлаждения существенно снижается.

СЗС применяют в двух случаях, для получения промежуточной охлаждающей способности между водой и маслом, а также для полной замены закалочных масел, недостатки которых отмечены выше.

При постановке вопроса о замене закалочного масла на синтетическую закалочную среду прежде всего следует уяснить с какой целью планируется замена.

Опыт показывает, что смену закалочного масла на СЗС на водной основе целесообразно осуществлять в следующих случаях (по степени важности) [7]:

1. при частом возникновении в термических подразделениях пожаров или пожароопасных ситуаций.

2. при необходимости улучшения экологической ситуации в помещении термического подразделения и на близлежащих территориях, а также улучшения уcловий труда работающего персонала;

3. когда только с помощью замены на СЗС могут быть осуществлены процессы закалки и достигнуты необходимые свойства изделий:

4. при возможности снижения себестоимости продукции и получения достаточно существенного экономического эффекта.

Обязательно следует учитывать, что любая СЗС по своей физической природе не является аналогом минеральных масел и не может однозначно их заменить, а также, что внедрение СЗС сопряжено с усложнением технологического процесса, оборудования и системы контроля качества среды.

Приступая к выполнению работ, необходимо учитывать ряд особенностей, характерных для большинства СЗС на водной основе [6, 7].

1. Охлаждающая способность синтетических, в том числе и полимерных закалочных сред является регулируемой и может изменяться в процессе эксплуатации в широких пределах. При этом скорость охлаждения в СЗС может быть от близкой V в воде до V значительно меньшей, чем в масле.

2. При близких скоростях охлаждения в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (500...550 С) скорость охлаждения в СЗС при температурах мартенситного превращения (ниже 250 С) всегда выше, чем в масле.

3. При повышении рабочей температуры среды выше определенного уровня закаливающая способность СЗС резко снижается.

4. При эксплуатации СЗС необходимо обеспечить постоянный контроль ее технологических и физико-химических параметров: температуры, концентрации, вязкости, охлаждающей способности, рН и т.п. Для контроля рабочего раствора СЗС производственное оборудование должно быть оснащено контрольной или контрольно-регулирующей термопарой; необходимо также иметь слециальную службу, обеспечивающую систематическое проведение экспресс-анализов и физико-химических параметров СЗС. Недопустимо приступать к работе по опробыванию и внедрению в эксплуатацию СЗС при отсутствии на заводах контрольно-исследовательских служб, оснащенных необходимым оборудованием и владеющих методиками контроля.

5. СЗС не являются универсальными закалочными средствами, аналогичными воде или маслу. В связи с этим в каждом конкретном случае следует опытным путем подбирать оптимальные СЗС и их технологические параметры для получения минимально возможных напряжений и деформаций, избежания образования трешин и достижения наилучшего комплекса свойств изделий в зависимости от марки стали, конфигурации, размеров и разности масс различных частей изделия, состояния поверхности, наличия конструктивных и технологических концентраторов напряжений, способов нагрева и охлаждения при закалке, типа оборудования, состава теплоносителя, типа атмосферы печи.

Следующий важный этап – выбор конкретной синтетической закалочной среды. Его следует осуществлять в зависимости от марки стали, типа изделия и способа термической обработки каждого конкретного изделия. Предельными критериями получения удовлетворительных результатов при использовании СЗС (как и других сред) при термической обработке являются, с одной стороны, максимально возможное количество мартенсита в структуре закаленной стали, с другой – отсутствие трещин на обработанных изделиях.

Рис. 1.21. Зависимость α (tпов) для полимерных сред и масла

В настоящее время наиболее изучены и достаточно широко применяются в нашей промышленности следующие СЗС: водные растворы полимеров и их солей (полиакриламид, неполная железная соль полиакриловой кислоты – ПК-2, раствор водно-щелочной метакрилонитрильного сополимера УЗСП-1, модифицированная целлюлоза ВП-3, натриевая соль карбоксилметилцеллюлозы - Na-КМЦ, оксиэтилнрованый алкилфенол – Тосол-К), водные растворы органических соединений (сульфитно-спиртовая барда, концентрат сульфитно-дрожжевой барды, сульфитно-спиртовой щелок) [7, 8].

Охлаждающая способность водных растворов Na-КМЦ и ПК-2 приведена на рис. 1.21. Данные получены автором с помощью призматического термозонда Д.В. Будрина. Для масла И-20А (кривая 3) максимальное значение α составляет 1700 Вт/(м²·К) при температуре поверхности около 700 º С. Изменение концентрации Na-КМЦ с 0, 5 до 2, 5% (кривые 1, 4, 5) приводит к существенному снижению максимума α и сдвигу его в область более низких температур. Для 0, 65%-ного раствора ПК-2 (кривая 2) характер изменения α аналогичен маслу (кривая 3), но идет несколько выше практически во всем интервале температур охлаждения.

Из всех перечисленных выше отечественных СЗС наибольшее применение получили ПК-2 и УЗСП-1 [7]. Технические, экологические и прочие показателя, а также области применения УЭСП-1 во многом аналогичны соответствующим показателям и областям применения ПК-2. Эти две среды практически являются заменителями друг яруга и могут быть даже использованы в смесях друг с другом с различными количественными соотношениями концентраций в пределах оптимальных.

Обе эти среды могут быть использованы на том же оборудовании, что и закалочное масло, при условии наличия систем охлаждения и активного перемешивания. Не допускается длительное взаимодействие этих сред с деталями и узлами оборудования, а также емкостями для хранения из алюминия и его сплавов

Среды УЗСЛ-1 и ПК-2 могут эффективно использоваться в тех случаях, когда невозможно применение воды или масла. Так, например, при спрейной закалке с индукционного нагрева изделий из чугуна использование воды невозможно из-за интенсивного образования трещин, а масла – из-за пожаробезопасности.

Различие указанных сред состоит в том, что рабочая концентрация УЗСП-1 в 2...4 раза выше (3% против 1%), пределы допустимых отклонений по концентрации в 2...3 раза (±0, 5% против ±0, 02%) больше, а стоимость 1 т рабочего раствора ниже в 3, 5...4 раза, чем ПК-2, и в 2...3 раза, чем масла.

Удельные расход сред УЗСП-1 и ПК-2 на 1 т обрабатываемых изделий в 1, 2...2 раза меньше, чем масла.

Среды УЗСП-1 и ПК-2 не требуют слива в сточные системы и утилизации (хотя ее методы разработаны), так как эксплуатируются в закрытых системах, снабженных резервными емкостями.

После закалки в указанных средах иногда на отдельных участках поверхности изделий наблюдается незначительный налет полимерной пленки, который легко устраняется при последующем отпуске или очистке дробью.

Закалка в растворах УЗСП-1 и ПК-2 приводит к разрыхлению окалины на поверхности обработанных поковок и существенному уменьшению ее количества, что облегчает последующую очистку дробью, песком или травлением.

Из зарубежных СЗС наибольшее распространение получили " ЮКОН" и Акваквенч (США), Аквапласт и Османил-Е2 (Германия), " Водол" (Польша) и ряд других. Многие указанные среды выпускаются в виде различных модификаций, например, " ЮКОН-А", " ЮКОН-251" и т.д. [6, 7].

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: