Классификация закалочных сред и области их применения

В настоящее время известно большое количество закалочных сред (ЗС) и тенденция роста их числа сохраняется [1]. Различают газовые среды, жидкие среды, охлаждающие твердые тела, взвеси твердых частиц в газе, взвеси твердых частиц в жидкости, жидкостно-газовые смеси. Наиболее многочисленна группа жидких сред. С точки зрения механизма теплообмена их делят на кипящие (с температурой кипения ниже температуры закалки) и некипящие (в которых во время закалки не происходит изменения агрегатного состояния).
К группе некипящих закалочных сред относятся газы, твердые металлы, расплавы металлов, солей и щелочей, псевдоожиженный слой. Скорости охлаждения в этих средах плавно уменьшаются при понижении температуры детали и зависят от теплоемкости и теплопроводности среды, а также от разности температур изделия и среды.
К группе кипящих закалочных сред относятся многие жидкие среды — вода, водные растворы, минеральные масла. Скорости охлажде­ния в кипящих средах существенно меняются при понижении температуры детали.

Различают три стадии охлаждения в кипящих средах (рис. 1): пленочное кипение А, пузырьковое кипение В и конвективный теплообмен С. На стадии А вокруг изделия образуется парожидкостная пленка, затрудняющая теплоотдачу; охлаждение протекает с малой скоростью и характеризуется неравномерным охлаждением поверх­ности изделия. Длительность стадии А может быть сокращена активным перемешиванием охлаждающей среды, применением холодных жидкостей, охлаждением душем, а также использованием различных добавок к основной среде (воде или маслу). На стадии В паровая пленка разрушается и поверхность изделия соприкасается с жидкостью. При этом температура поверхности охлаждаемого изделия резко понижается примерно до температуры кипения охлаждающей жидкости и остается постоянной до окончания пузырь­кового кипения. Интенсивность теплоотдачи зависит от теплоты па­рообразования применяемой среды и может быть повышена введе­нием добавок к основной жидкости. На стадии С кипение прекраща­ется и охлаждение происходит в результате конвекции. Скорость охлаждения в этой стадии зависит от вязкости и теплопроводности жидкости, а также от разности температур изделия и жидкости.
В таблице 1.1, построенной по предложению Лахтина [1], приве­дены наиболее часто применяемые охлаждающие среды, деление ко­торых произведено исходя из вышеприведенных критериев.

Таблица приведена с сокращениями (не представлены условия перемешивания и контакта с ЗС).

В промышленности используют водные растворы солей NaCl, CaCl2, Na2CO3, KMnO4, щелочи NaOH, кислот HCl, H2SO4. Обычно применяют (5...10)% растворы солей и (5...20)% растворы кислот и щелочей.
Водные растворы кислот и щелочей обладают более благоприятными термокинетическими свойствами, чем вода, но их использование вызывает необходимость обеспечения антикоррозионной защиты закалочных баков и обрабатываемых деталей.
В настоящее время известно множество полимерных ЗС. Это среды на основе: полиакрилатов (ПК-2, ПАА, ЗСП-1, УЗСП-1, унифлок), целлюлозы (Na-КМЦ), полигликолей (Лапрол).
В основном при разработке полимерных сред ставится задача получить продукт, способный заменить дефицитные и пожароопасные минеральные масла, и в этом направлении достигнуты определенные результаты. Так, растворы моносульфитного щелока (МСЩ) взамен масел применяли для закалки деталей из сталей 30ХГСА, 60С2А, ХВГ и др., а также деталей после горячего динамического прессования [2]. Закалочная среда ПК-2 пригодна для охлаждения при закалке углеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей [3]. Водный раствор натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы (Na-КМЦ) применялся для закалки крупных поковок [4]. Закалочная среда УЗСП-1 - водно-щелочной раствор метакрилонитрильного сополимера [5] - используется для закалки углеродистых, среднелегированных и легированных сталей [6, 7].
В работе [8] описана охлаждающая среда Лапрол на основе сополимера окиси этилена и окиси пропилена, применяемая для закалки алюминиевых сплавов. Эта среда обладает свойством так называемой обратимой растворимости, которое заключается в выделении полимера в виде вязкого концентрата из раствора при нагреве выше определенной температуры (72°С). При охлаждении ниже 72 °С полимер вновь переходит в раствор.
Значительное влияние на свойства полимерных ЗС оказывают молекулярно-массовые характеристики полимера. Так, охлаждающая способность растворов, приготовленных из концентрата с высокой молекулярной массой, резко увеличивается в первый период эксплуатации. Растворы из низкомолекулярного концентрата стабильны во времени [9]. Влияние вязкости полимерных ЗС на их охлаждающую способность изучалось также в [10]. Показано, что охлаждающая способность среды определяется в основном значением соотношения между вязкостью полимеров и молекулярной массой. Вязкость растворов при увеличении молекулярной массы возрастает. Кривые охлаждения в водных растворах одной концентрации при увеличении вязкости сдвигаются вправо, т. е. интенсивность охлаждения уменьшается. Кривые же охлаждения для растворов полимера различной концентрации, но одной и той же вязкости практически совпадают. Таким образом, контроль полимерных ЗС по концентрации при различии молекулярных масс отдельных партий полимера оказывается недостаточным.
Анализ опыта использования полимерных закалочных сред показывает, что на их охлаждающую способность влияет гораздо большее число факторов, нежели на охлаждающую способность традиционных ЗС - воды и масел. Поэтому для обеспечения качества и воспроизводимости результатов закалки в полимерных средах необходим постоянный контроль охлаждающей способности. Методы контроля и частота его проведения зависят от природы полимера и напряженности режима эксплуатации ванны. Таким образом, одно из важнейших достоинств полимерных ЗС - возможность регулирования их охлаждающей способности за счет изменения концентрации полимера - имеет свою оборотную сторону, и внедрение полимерных сред на промышленных предприятиях требует коренного изменения самого отношения работающих к технологическому процессу закалки.
Поэтому задачей разработчиков новых охлаждающих сред является создание продуктов, реализующих желательную кинетику охлаждения, а задачей технологов - разработка методов оценки параметров, влияющих на свойства среды, и проведение тщательного контроля этих параметров в процессе эксплуатации закалочных ванн.

Поиск по сайту: