Теоретическая часть

Процесс закалки состоит из трех основных операций: нагрев до требуемой температуры, выдержка при этой температуре, охлаждение. Качество закалки во многом зависит от свойств закалочной среды, в которой происходит охлаждение детали. Важнейшим свойством среды является ее охлаждающая способность. В настоящее время известно большое количество закалочных сред (ЗС), которые по агрегатному состоянию можно разделить на газовые среды, жидкие среды, охлаждающие твердые тела, смешанные среды (взвеси твердых частиц в газе, взвеси твердых частиц в жидкости, жидкостно-газовые смеси).

Чаще всего используют жидкие среды. Их делят на кипящие (с температурой кипения ниже температуры закалки) и некипящие (в которых во время закалки не происходит изменения агрегатного состояния). Некипящие среды - это расплавы солей и металлов. Среди кипящих ЗС основными являются среды на водной основе и закалочные масла. Минеральные масла являются наиболее распространенными закалочными средами. Они обеспечивают малую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и позволяют при закалке легированных и инструментальных сталей получать оптимальное сочетание твердости и закалочных деформаций. Основными недостатками минеральных масел являются их пожароопасность, высокая стоимость и токсичность паров, выделяющихся при погружении нагретых деталей в закалочный бак. Самая простая и дешевая из ЗС - техническая вода - имеет высокую охлаждающую способность и применяется для закалки углеродистых сталей. ЗС на водной основе - это растворы солей, щелочей и полимеров. Основной отличительный признак этих сред - возможность в широких пределах регулировать их охлаждающую способность при изменении концентрации растворенного компонента.

При погружении закаливаемой детали в ЗС образуется паровая пленка (рис. 4.1). На этой стадии (стадии пленочного кипения или паровой рубашки) тепло, излучаемое поверхностью детали, так велико, что закалочная жидкость, соприкасающаяся с поверхностью, немедленно испаряется. Когда температура поверхности детали падает, излучение убывает и толщина пленки уменьшается. Наконец закалочная жидкость приходит в контакт с поверхностью детали и начинает кипеть (наступает стадия пузырькового кипения). Кипение отнимает большое количество тепла от поверхности, поэтому температура детали падает быстро. Когда температура всей поверхности детали упадет ниже точки кипения, охлаждение происходит путем конвекции (стадия конвективного теплоотвода).

В настоящее время известно множество полимерных ЗС. Это среды на основе полиакрилатов (ПК-2, УЗСП-1, Aquaquench ACR), целлюлозы (Na-КМЦ), полигликолей (Камгидрол-ЗАК, Breox Quenchant, Osmanil E) и др. В водных растворах полимеров механизм охлаждения зависит от вида основного растворенного компонента. Например, в ЗС на основе поливинилового спирта на поверхности деталей протекает процесс полимеризации. Образовавшийся слой полимерных соединений изолирует деталь от среды, снижая тем самым интенсивность охлаждения. Чем больше толщина этого слоя, тем значительнее снижение отвода тепла.

Охлаждающие среды на основе полигликолей обладают обратимой растворимостью. Полимеры, обладающие этим свойством, при температурах выше (65...85) °С утрачивают растворимость в воде. В результате при погружении нагретых до температуры закалки деталей в ЗС в пленочном режиме кипения на границе между паром и жидкостью из раствора выделяется полимерный концентрат, который повышает устойчивость паровой пленки (рис. 4.2). В режиме пузырькового кипения молекулы полимера, потерявшие растворимость, выделяются на пузырях пара и вместе с ними удаляются из зоны кипения. В растворах с большей концентрацией полимера скорость охлаждения ниже. На стадии конвективного теплоотвода, когда температура поверхности близка к температуре кипения воды, полимерный концентрат остается на поверхности детали и существенно замедляет охлаждение.

Существенной особенностью водных растворов полимеров является изменение их охлаждающей способности при изменении концентрации раствора. В процессе эксплуатации водных растворов полимеров необходимо поддерживать заданную рабочую концентрацию, т.к. происходит, во-первых, вынос полимера из бака на закаливаемых деталях, а во-вторых, испарение воды. Поэтому необходимы методы и средства для периодического контроля охлаждающей способности ЗС. Поэтому, несмотря на то, что разработка полимерных ЗС ведется уже не одно десятилетие, количество машиностроительных предприятий, на которых эти среды применяются в массовом термическом производстве, весьма невелико.

Охлаждающая способность закалочной среды – это способность отводить тепло от поверхности детали с той или иной интенсивностью. Распределение температуры по сечению детали бесконечной протяженности (плоская задача) можно получить, решив дифференциальное уравнение теплопроводности:

,

где c - удельная теплоемкость материала;  - плотность; Т – температура; t - время;  - коэффициент теплопроводности; q_v(x,y) - плотность мощности внутреннего источника теплоты; x, y - пространственные координаты. Для решения этого уравнения необходимо задать начальные и граничные условия. Типичными граничными условиями являются условия третьего рода (закон Ньютона), задающие величину плотности теплового потока между поверхностью охлаждаемого тела и закалочной жидкостью:

q= α∙(Т_ср - Т_п),

где q – удельный тепловой поток, α – коэффициент теплоотдачи, Т_ср и Т_п – температуры среды и поверхности охлаждаемого тела соответственно. Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теплоотвода, то есть охлаждающую способность ЗС. При прочих равных условиях – форма детали, ее материал и т.д. – вместе с начальными условиями значение коэффициента теплоотдачи однозначно определяет решение уравнения теплопроводности и тепловое состояние тела. Поэтому необходимо знать значение коэффициента теплоотдачи при различных температурах.

Температурную зависимость коэффициента теплоотдачи ЗС можно определить экспериментально. В качестве образца служит цилиндр или шарик размеров настолько малых, что можно пренебречь разницей температур в центре датчика и на его поверхности (теплотехнически тонкое тело). Материал образца должен быть устойчив к воздействию высоких температур, в нем не должно происходить фазовых превращений при нагреве и охлаждении, чтобы тепловые эффекты от превращений не искажали реальную картину охлаждения.

Плотность теплового потока, отводимого от теплотехнически тонкого тела:

,

где m – масса, c - удельная теплоемкость, F – площадь поверхности образца.

В соответствии с законом Ньютона плотность теплового потока между поверхностью образца и закалочной жидкостью:

q= α∙(Т_ср - Т_п),

Учитывая равенство тепловых потоков, получим выражение для вычисления коэффициента теплоотдачи:

,

где V – скорость охлаждения поверхности образца.

В данной работе коэффициенты теплоотдачи ЗС рассчитывают по кривым охлаждения образца из хромоникелевого сплава (рис. 4.3 а). Образец (датчик) представляет собой цилиндр диаметром 12,5 и длиной 60 мм, в геометрическом центре которого помещена термопара. Эксперимент проводят с помощью установки (рис. 4.3 б). Датчик (1) нагревают в лабораторной электропечи (2) до 850 °С в течение 10 мин, а затем переносят его в закалочный бак (3) с исследуемой закалочной средой. Сигнал термопары датчика регистрируют с помощью компьютера (4), к которому через устройство сопряжения (5) подключают провода термопары. Устройство сопряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого показания датчика с частотой 0,5 с в цифровом виде поступают на последовательный порт компьютера. Обработка данных проводится с помощью специально разработанной программы (6).