6.4 Выбор способа и среды охлаждения

В практике поверхностного упрочнения деталей применяют способ душевого охлаждения (спрейерного), охлаждение погружением в закалочный бак и потоком жидкости.

Особенностью высокочастотной закалки является высокая скорость нагрева, при которой не успевают завершиться диффузионные процессы. Образующийся при нагреве аустенит не однороден по содержанию углерода, особенно в доэвтектоидных сталях. Вследствие этого участки, обедненные углеродом, имеют более высокие критические скорости закалки, чем участки аустенита, обогащенные углеродом. Такая неоднородная устойчивость аустенита, требует интенсивного охлаждения в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита. Охлаждение должно быть более интенсивным по сравнению с требуемым для закалки аустенита, полученного в равновесных условиях нагрева. Применение интенсивного охлаждения должно повлиять на структуру мартенсита. Так как аустенит по составу неоднороден, то температура начала мартенситного превращения неодинаковая.

Для получения мартенсита во всем объеме закаливаемого металла скорость охлаждения должна быть больше, чем в условиях обычной термической обработки. При интенсивном душевом охлаждении в мартенсите удается сохранить углерод значительно больше, чем при охлаждении погружением в воду.

Указанная особенность мартенситного превращения может обеспечить получение более высокой твердости, чем при объемной закалки. Интенсивное охлаждение при высокочастотной закалке деталей из углеродистой стали, в пректе будем осуществлять применением охлаждающей среды в виде душа разной интенсивности.

Наиболее распространенной охлаждающей средой является вода. В проекте будем применять воду для поверхностной закалки деталей из углеродистой слали, при этом охлаждающую жидкость подаем через спрейер. Благодаря жидкотекучести воды, можно создать простые конструкции спрееров, обеспечивающие удовлетворительную равномерность охлаждения.

Охлаждающая способность водяного душа зависит от температуры: чем ниже температура воды тем, больше скорость охлаждения. Повышение температуры снижает скорость охлаждения и является нежелательным. При закалке гладких поверхностей допустимо применение воды с температурой 20⁰С. Закалка деталей холодной водой (ниже 15⁰С) увеличивает вероятность образования трещин. В условиях “МРК” устанавливаем допустимый интервал колебаний температуры воды в пределах 20-40⁰С. При таких колебаниях свойства меняются незначительно.

Качество охлаждения зависит от равномерности омывания закаливаемой поверхности водой, а оно в свою очередь от конструкции спрейера. Отверстия спрейера имеют диаметр от 1.5-2.5 мм, на 1 см ² поверхности спрейера приходится 2-10 отверстий. При этом отверстия занимают 10-20% от общей поверхности. При расходе воды 0.1 см³/см² для спрейера с суммарным количеством отверстий 20% скорость струи в момент выхода составляет 0.5м/с. Уменьшением относительной площади отверстий и увеличением давления в магистрали можно увеличить скорость выхода струи.

Для закалки деталей из легированных сталей охлаждение водой не подходит, так как вода охлаждает слишком быстро в интервале температур мартенситного превращения, что может вызвать образование трещин и коробление изделий. Для легированных сталей требуется охлаждающая среда, которая характеризуется более низкой охлаждающей способностью в интервале мартенситного превращения. Применение душевого охлаждения не позволяет реализовать закалку с использованием масел в силу опасности их возгорания. При закалке с индукционного нагрева нельзя также использовать водные растворы солей, которые как электролиты могут привести к электрическому замыканию.

В настоящее время применяются в промышленности ряд новых негорючих закалочных сред, сочетающих свойства масла и воды. Они представляют собой водные растворы различных органических веществ.

Механизм действия этих органических веществ различен. Они изменяют температуру кипения и испарения воды, её вязкость и т п. Добавки из низкомолекулярных органических соединений позволили снизить охлаждающую способность воды. Наибольшее развитие получили среды, представляющие собой водные растворы органических полимеров. Механизм охлаждения в растворах полимерах основан на изменении вязкости воды, или на понижении или повышение растворимости полимеров при изменении температуры среды в контакте с охлаждающим материалом.

Полимерные добавки позволяют изменить охлаждающую способность воды в широком диапазоне скоростей. При малых концентрациях полимера охлаждающая способность близка к охлаждению в воде, с увеличением концентрации охлаждающая способность близка к охлаждению в масле.

Для закалки деталей специфицированной программы можно предложить полимер – полиакриламид. Этот полимер не дефицитен, недорог, негорюч, не ядовит. Этот полимер, получаемый полимеризацией акриламида по радикальному механизму, имеет формулу (С3Н5ОН)_n. Представляет собой коллоид в виде геля и содержит 7-8% акриламида. Полиакриламид термически устойчив до температуры 200С⁰, а при более высоких температурах разлагается с выделением аммиака и акриловой кислоты.

Чтобы приготовить раствор заданной концентрации надо рассчитать потребное количество воды и концентрата полиакриламида. Для расчета пользуются формулой:

М=ν·с/С0 (6.3)

где М- количество концентрата полиакриламида, кг;

ν – количество раствора закалочной среды, кг;

С0 – концентрация основного вещества в техническом полиакриламиде,

Например, требуется развести 7т 0.15% - ного раствора полиакриламида при использовании технического полимера со средней концентрацией основного вещества 7.5%

М=1000·0.15/7.5=140кг

Следовательно, надо взять для раствора 140кг концентрата и 6860кг воды. После приготовления раствора отбирается концентрация для контроля.

Контроль концентрации полиакриламида производится вискозиметрическим методом. Охлаждающая способность полиакриламида зависит от ряда факторов, в том числе от содержания основного вещества (полиакриламида) в растворе, поэтому этот параметр необходимо контролировать.

Оптимальной концентрацией является концентрация раствора полиакриламида 0.13-0.18%, а допустимая концентрация раствора может быть в пределах 0.12-0.2%, температура раствора должна быть выше 35⁰С.

Раствор с концентрацией полимера 0.1%близок к воде по своей охлаждающей способности и в этом случае есть вероятность трещинообразования при закалке стали. Растворы с концентрацией 0.2-0.3% обеспечивают максимальные скорости охлаждения в 1.5-2 раза ниже чем воды, поэтому закалка стали таким раствором должна снизить вероятность трещинообразования. Растворы с концентрацией 0.3% и выше обладают низкой охлаждающей способностью, что приводит к уменьшению прокаливаемости, по сравнению с маслом. Увеличение концентрации более 0.3% не приводит к заметному изменению скоростей охлаждения, но из-за значительного повышения вязкости раствора становится малотехнологичным.

В данном дипломном проекте в качестве охлаждающей среды предлагается использовать для углеродистых сталей воду, а для легированных сталей полиакриламид, который представляет собой бесцветную желеобразную массу с содержанием основного вещества 6-8%, т.е в проекте используем ПАА с концентрацией 0.15-0.18%, и температурой 40⁰С.