8. Механизм и способы охлаждения металла после нагрева.

Основные процессы термической обработки стали связаны с примене­нием различных скоростей охлаждения, колеблющихся в широком диапа­зоне величин от долей градуса до сотен градусов в секунду. Для обеспече­ния столь разнообразных условий процессы охлаждения осуществляются вместе с печами, на воздухе, в маслах, расплавах и растворах.

При взаимодействии с охлаждаемым телом охлаждающая среда изме­няет свое состояние вследствие повышения температуры и, в ряде случаев, протекания различных физико-химических процессов, связанных с рас­плавлением или испарением. В соответствии с этим охлаждающие среды могут быть разделены на две группы.

Для первой группы в процессе охлаждения изменяются только количе­ственные характеристики: температура и тепловые свойства среды.

Для второй группы в процессе охлаждения происходит изменение агре­гатного состояния среды, связанное с кипением. Образование паровой пленки в момент погружения горячего тела в охлаждающую среду приво­дит к замедленному охлаждению в связи с низкой скоростью теплоотвода. Это называется стадией пленочного кипения. Разрушение паровой пленки вызывает соприкосновение отдельных объемов нагретой охлаждающей жидкости с нагретым телом; при этом жидкость испаряется. Испарение непрерывно подающихся к охлаждаемой поверхности объемов жидкости (пузырьков) связано с поглощением скрытой теплоты испарения и приводи! к интенсивному охлаждению (так называемая стадия пузырчатого кипения). При понижении температуры охлаждаемого тела начинается третья стадия -конвективного теплообмена, которая также характеризуется замедленным снижением температуры. Подобный характер охлаждения наблюдается при использовании сред, температура кипения которых ниже температуры ох­лаждаемого тела (вода и водные растворы солей, щелочей и т. п.).

Скорость охлаждения существенно изменяется по мере понижения температуры тела. Скорость и характер охлаждения стальных тел в воде и в водных растворах определяются многочисленными факторами, главными из которых являются: температура охладителя, скорость перемещения тела и среды друг относительно друга и содержание различных примесей.

Благодаря замедлению охлаждения в верхнем интервале температур ве­личина термических напряжений оказывается меньшей. Сохранение же высокой интенсивности охлаждения в районе мартенситного превращения способствует образованию больших фазовых напряжений, снижению проч­ности и появлению закалочшлх трещин. В связи с этим повышение темпе­ратуры воды выше 30 - 40° С так же. как и понижение ниже 10°С, является крайне нежелательным.

Для повышения охлаждающей способности воды рекомендуется при­менять циркуляцию с целью разрушения паровой пленки и сокращения второй замедленной стадии охлаждения.

Большое влияние на охлаждающую способность водных растворов ока­зывает введение специальных примесей. Некоторые из них (соли, щелочи, кислоты-) значительно ускоряют, а другие (глина, масло, мыло, желатин) замедляют'процесс охлаждения.

Большое практическое значение имеет охлаждение в маслах. Охлажде­ние в масле уменьшает скорость охлаждения в районе 650 - 550° примерно в 5 раз, т. е. значительно ослабляет закаливающую способность. Вместе с тем в районе мартенситного превращения скорость охлаждения по сравне­нию с водой уменьшается в 25 - 30 раз, что благоприятно сказывается на уменьшении закалочных деформаций и возможности образования трещин. Изменение температуры и скорости циркуляции значительно слабее сказы­вается на охлаждающей способности масел по сравнению с водой.

В последнее время для закалки, главным образом, стальных изделий больших диаметров применяется водовоздушная смесь, получаемая путем распыления воды с помощью воздуха через специальные форсунки. Ско­рость охлаждения зависит от соотношения между количеством воды и воз­духа: наименьшая - при охлаждении в струе воздуха и наибольшая - в струе воды.