11.4.2.2. Характер теплообменных процессов

При использовании сред для нагрева и охлаждения учиты­вают такие их характеристики, как теплоемкость и теплопровод­ность, степень черноты и устойчивость агрегатного состояния.

Среды с высокой теплоемкостью обладают большим тепло­вым потенциалом, что дает возможность при их применении со­здавать компактные конструкции оборудования. Однако такие среды медленно нагреваются и охлаждаются и тем увеличивают инерцию процесса.

Среды с низкой удельной теплоемкостью, например, свинец обладают меньшей тепловой инерцией, позволяющей изготовлять оборудование с малой удельной мощностью. Зато при загрузках значительного количества холодных изделий такие среды быстро остывают вследствие чего приходится предусматривать запас та­ких сред для создания резервного количества теплоты.

Среды-теплоносители. К ним относятся продукты сжигания топлива, перегретый водяной пар, расплавы солеи и металлов, нагретый воздух или газ, нагретые засыпки и др. В зависимости от состава температуры, вида контакта теплоносителя с изде­лиями теплота может одновременно передаваться излучением, конвекцией или теплопроводностью или всеми видами теплообмена одновременно.

Среды-охладители. К ним относятся вода, масло (в том числе горячее) расплавы солей, щелочей и металлов, засыпки, ком­бинированные составы. Жидкие охладители находят распростра­нение при закалке, хотя некоторые инструментальные высоко­легированные стали закаливают в струе холодного воздуха.

Газовые среды применяют для охлаждения при отжиге, нор­мализации, отпуске. Засыпки для охлаждения используют редко.

Закалочные среды. Они при закалке должны обеспечивать вы­сокие скорости охлаждения в интервале минимальной устойчи­вости переохлажденного аустенита и низкие скорости в интер­вале мартенситного превращения, чтобы не возникали опасные напряжения.

Эффективность различных закалочных сред определяется их тепловыми характеристиками, скоростью движения, склонностью к образованию паровой оболочки на поверхности. Для примера в табл. 11.93 приведены скорости охлаждения стали в некоторых видах закалочных сред.

По скорости охлаждения закалочные среды разделяются на:

– сильнодействующие (>1000 К/с): смесь сухого льда и аце­тона, интенсивно циркулирующая холодная вода, 5…15 %-ный вод­ный раствор NaOH, жидкий азот и др.;

– среднедействующие (100…500 К/с): растительные и нефтя­ные масла, мазут, расплавы солей, щелочей и металлов, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и др.;

­– слабодействующие (< 100 К/с): мыльная вода, горячая вода, струи воздуха, паровоздушные смеси и др.

При контактировании с нагретыми изделиями прилегающие слои некоторых жидких сред переходят в газообразное состоя­ние, что существенно влияет на скорость охлаждения при закал­ке. С учетом этого закалочные среды разделяют на среды, не изменяющие своего агрегатного состояния при закалке, – расплавы солей, металлов, щелочей (температура кипения этих сред обычно повышает температуру нагретых изделий) – и на среды, изменяющие свое агрегатное состояние при закалке, - масла, вода, водные растворы солей, различные эмульсии и т.п.

Таблица 11.93

Охлаждающая среда	Скорость охлаждения в интер­вале температур °С, К/с		Охлаждающая среда	Скорость охлаждения в интер­вале температур °С, К/с
	650-550	300-200		650-550	300-200
Вода при температуре, °С: 18 28 50 74 10%-ный водный раствор при 18 °С: едкого натра поваренной соли соды серной кислоты 5%-ный раствор марганцовокислого калия	600 500 100 30 1200 1100 800 750 450	270 270 270 200 300 300 270 300 100	Глицерин Эмульсия масла в воде Мыльная вода Минеральное машинное масло Трансформаторное масло Сплав 75 % Sn и 25% Cd (температура расплава 175°С) Воздух: неподвижный движущийся под дав­лением	135 70 30 150 120 450 3 30	175 200 200 30 25 50 1 10

При погружении нагретых изделий в последний вид сред на­блюдается три стадии изменения их агрегатного состояния.

В момент погружения на поверхности изделия происходит ин­тенсивное испарение жидкости и образуется паровая оболочка, которая, являясь промежуточной прослойкой, замедляет скорость охлаждения изделий. Неодинаковое распределение паровой обо­лочки по различным участкам изделия сложной конфигурации, изготовленного, например, из среднеуглеродистой стали, приво­дит к получению после закалки «пятнистой» (неодинаковой) твердости.

Интенсивное движение изделий в охладителе или энергичное перемешивание самого охладителя снижает эффект действия па­ровой оболочки. При использовании струйного способа подачи жидкости на изделия паровой оболочки может не возникать, что ускоряет охлаждение и повышает прокаливаемость металла.

Для предупреждения появления паровой оболочки иногда ис­пользуют не свежую, а уже прокипевшую отстойную воду или в обычную воду добавляют органические соединения ЭСП-1, АЗЛК и др.

При дальнейшем охлаждении изделий увеличивается газооб­разование; в результате паровая пленка разрушается и проис­ходит интенсивное контактирование охладителя с горячими из­делиями, идет энергичное испарение жидкости, сопровождаемое выделением пузырьков, способствующих перемешиванию охла­дителей и интенсивной подаче к поверхности изделий новых пор­ций холодной жидкости и более быстрому охлаждению изделий (стадия пузырькового кипения).

После этого следует стадия конвективного теплообмена, ха­рактеризующаяся замедлением скорости охлаждения.

Закаливающая способность охладителя тем выше, чем значи­тельнее время пузырькового кипения, т. с. чем выше темпера­тура перехода ко второй стадии и ниже температура перехода к третьей.

Из охладителей наиболее распространена вода. При нагреве она снижает свою охлаждающую способность, которая все же остается в интервале температур 400…100 °С высокой. Наличие в воде солей даже в небольшом количестве существенно повы­шает охлаждающую способность. Так, дистиллированная вода, не имеющая солей, обладает в интервале 550…650 °С в два раза меньшей закаливающей способностью, чем водопроводная.

Другой распространенный охладитель — масло в интервале температур 400…800 °С – является хорошей закаливающей сре­дой, обеспечивающей интенсивное охлаждение в области малой устойчивости аустенита и замедленное охлаждение в мартенсит-ном интервале. Масло в высокотемпературной области (400-800 °С) охлаждает примерно в 5-6 раз медленнее, чем вода, а при температуре порядка 200 °С – в 5-25 раз (рис. 11.60).

Достоинством масла является то, что оно в широком темпера­турном интервале мало изменяет свою закаливающую способ­ность.

Для светлой закалки мелких деталей используют масла МЗМ-26, МЗМ-120, а также И-20А с добавками 10…30 % гор­чичного или подсолнечного масла. Перед употреблением масла должны осушаться в течение суток (масло И-20А – при темпе­ратуре 140…150 °С, горчичное – при температуре 120….130 °С).

Два раза в неделю масло контролируют на наличие в нем влаги. Если влага присут­ствует, масло либо бракуется, либо регене­рируется путем отстоя при температуре 70…90 °С.

Недостатком масла является его горю­честь. При постепенном накоплении в мас­ле продуктов термического разложения, грязи, окалины и других примесей вязкость масла повышается, а закаливающая спо­собность снижается. Масло становится не­пригодным для закалки, если его вязкость повышается более чем на 40 %, а также когда содержание смол возрастет более чем на 10 %, а механических примесей – боль­ше чем на 0,15 %.

В качестве горячих закаливающих сред (в температурном интервале 160…190 °С) используют особое масло — вапор. Однако горячее масло при контакте с воздухом быстро стареет и примерно через два года превращается в асфальтоподобную массу.

Закалка изделий в расплавах солей имеет по сравнению с закалкой в масле ряд преимуществ: повышаются вязкость и поверхностная твердость; в ряде случаев отпадает необходимость низкотемпературного отпуска; снижается коробления, уменьшается вероятность образования трещин.

Для некоторых видов закалки используют водовоздушные сме­си. Например, при давлении воздуха 300 кПа при расходе воды 100 л/ч скорость охлаждения в такой смеси приближается к ско­рости охлаждения в масле.

В последнее время большое внимание уделяют разработке и применению закалочных сред на основе водорастворимых поли­меров. Так, на КамАЗе объемную закалку коленчатых валов из стали 42ХМФА и шатунов из стали 40ХН2МА производят в водном растворе оксиэтилированного алкифенона с антипенными и антикоррозионными присадками; для спреерного охлаждения при поверхностной закалке деталей применяют растворы ТО-КОЛ-К, ОСМАНИЛ-Е2 и др.

Расчет скорости охлаждения изделий при термообработке. В качестве исходных данных принимают температуру нагрева температуру охладителя, состав закалочной среды, размеры и форму изделий, состояние их поверхности.

Выявлено, что независимо от геометрических характеристик скорость охлаждения изделий простой формы в конкретной тех­нологической среде определяется коэффициентом формомассы S/V. При этом изменение содержания углерода в стали от 0,19 до 1,15 % при температуре нагрева 870 °С не оказывает сущест­венного влияния на скорость охлаждения. Взаимосвязь между скоростью охлаждения υ и коэффициентом формомассы выражена уравнением

.

Числовые значения величин c и n зависят от формы тела и вида охладителя и для некоторых случаев приведены в табл. 11.94.

На основе указанного уравнения, кроме того, составлена но­мограмма (рис. 11.61), позволяющая определить скорость охлаждения изделий простой формы.