11.4.2. Технологические среды. Назначение и классификация технологических сред

Технологическими средами называют вещества, в окружении которых находятся изделия в процессе термообработки. В зависимости от характера операции все ее стадии могут выполнятся в одной среде либо для отдельных стадий предусматривают различные среды, например нагрев при закалке выполняют в газовой атмосфере, а охлаждение – в масле. Особым случаем считается обработку в вакууме, то есть отсутствие среды, но она является трудоемким процессом и встречается довольно редко.

Среды используют для нагрева и охлаждения, химического воздействия на изделия, защиты поверхности изделий от окисления и обезуглероживания и др.

Некоторые среды применяют для предупреждения аварий. Так, нередко азот используют для предотвращения загорания горячего масла.

Среды классифицируют по различным признакам. Так, их делят на естественные (воздух, продукты сгорания), или нере­гулируемые, и искусственные, или регулируемые.

По агрегатному состоянию среды бывают газовые (воздух, чистые газы: азот, аргон и другие, комплексные газовые смеси, про­дукты сгорания); жидкие (вода и ее растворы, масло, расплавы солей, металлов и щелочей); твердые, или засыпки (карбюри­затор, чугунная стружка, песок, руда и другие); комбинированные (пасты, водовоздушные и водогазовые смеси). При составлении комбинированных сред можно в широких пределах варьировать составом и соотношением компонентов, что расширяет их тех­нологические возможности.

11.4.2.1.Факторы, определяющие эффективность сред

Технологический эффект действия сред определяется комплек­сом факторов: химическим составом сред, физическими свойст­вами, температурой, направлением и скоростью движения.

Температурный фактор. Некоторые материалы, например металлы и соли, становятся технологической средой в виде рас­плавов лишь при определенных температурах. Оптимальные свойства многих сред также проявляются в определенном темпера­турном интервале. Вода, например, даже при небольшом повы­шении температуры резко меняет закаливающую способность. Так, скорость охлаждения в воде, имеющей температуру 18 °С, достигает до 200…600 К/с, а в воде с температурой 75 °С – не более 30 К/с. В то же время масло сохраняет примерно оди­наковую закаливающую способность в довольно широком тем­пературном интервале.

Скорость движения сред. Характер движения среды может быть ламинарным или турбулентным, в виде потока или струй. При увеличении скорости движения сред резко повышаются теплообменные, химические и другие процессы. Так, за счет уско­рения движения печных газов в низкотемпературных печах мож­но в 4-6 раз повысить скорость нагрева.

Ускоренной подачей холодной воды через спреер высокоча­стотной установки можно в несколько десятков раз увеличить скорость охлаждения. При подаче холодной воды со скоростью 30 м/с при поверхностной закалке происходит равномерное охлаж­дение массивных и тонких частей детали и одновременное мартенситное превращение в них. Интенсивной подачей воздуха че­рез спреер можно достичь охлаждающей способности, как у масла.

Эффект от движения среды позволяет изменять среду на дру­гую, менее дефицитную, например расплав свинца на расплав солей.

Поддерживая турбулентное движение смеси из газа и мел­ких твердых частиц, можно создать принципиально новую среду, называемую псевдокипящим слоем и обладающую иным комплек­сом свойств, чем каждый ее компонент.

Быстрое движение и многократ­ная смена нейтральной атмосфе­ры в рабочем пространстве пре­дохраняют изделия от окисления даже при небольшом местном подсосе воздуха. Интенсивная циркуляция печной среды позволяет нейтрализовать опас­ное влияние перегрева и подстуживания отдельных участков.

Оборудование с циркуляцией среды, несмотря на упрощенную теплотехническую систему, позволяет выполнять довольно точно такие процессы, как цементация. Интенсивное движение техно­логической среды позволяет создавать компактное оборудование с небольшим объемом рабочего пространства.

Ускоренная циркуляция активной атмосферы через садку со­кращает длительность насыщения, снижает неравномерность кон­центрации углерода на поверхности.

Следует, однако, по возмож­ности избегать одностороннего движения среды, так как это вы­зывает локальные перегревы или переохлаждения участков изде­лия, направленных навстречу движения среды, снижая равно­мерность обработки.

Влияние неподвижных просло­ек среды. Неподвижные прослойки среды в выемках, замкнутых внутренних объемах, а также между смежными плотно уложен­ными изделиями, обладающие иными тепловыми свойствами, чем металл, оказывают существенное влияние на характер теплообменных и химических про­цессов.

Например, нагрев плотно намотанных рулонов стальной ленты при движении среды в боковом направлении из-за боль­шого числа неподвижных воздушных прослоек происходит в 8-18 раз медленнее, чем при обдуве с торцов рулона (рис. 11.57).

При закалке изделия сложной конфигурации ориентируют в закалочном баке в таком положении, чтобы в отверстиях и вы­емках этих изделий не образовывались неподвижные объемы воздуха. Для этого изделия погружают выемками и отверстия­ми вверх (рис. 11.58).

Если требуется получить в изделиях участки с различными свойствами, то неравномерности нагрева и охлаждения дости­гают, преднамеренно создавая на этих участках неподвижные объемы среды, имеющие иную теплопроводность (рис. 11.59).

Агрегатное состояние среды. При перегреве или переохлаж­дении некоторые среды, особенно их слои, контактирующие с нагретыми изделиями, изменяют свое агрегатное состояние. В от­дельных случаях такое изменение играет положительную роль. Например, при загрузке в расплав солей холодных изделий на их поверхности образуется корочка кристаллизовавшейся соли, предохраняющая изделия от опасного теплового удара.

Однако в большинстве случаев изменение агрегатного со­стояния сред действует отрицательно. Так, при закалке в воде на поверхности изделий образуется паровая оболочка, сильно ухудшающая охлаждение. На изделиях, находящихся при тем­пературе ниже 800 °С, из газового карбюризатора на изделиях осаждается сажа, замедляющая процесс науглероживания.