Спосіб гартування металовиробів

Изобретение относится к области металлургии, машиностроения, в частности, к способам термической обработки металлоизделий методом объемной закалки в водных растворах солей. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ термической обработки изделий (фиг.2), включающий и х нагрев и охлаждение в водном растворе поваренной соли при температуре 60° С и концентрации NaCI 20% [1]. Охлаждение металла в солевом растворе с концентрацией NaCI 20% и температурой до 60° С значительно снижает скорость охлаждения по сравнению с закалкой в холодном (20°С) растворе поваренной соли этой же концентрации (фиг.2). При закалке в нагретом до 60° С растворе NaCI (20%) происходит смещение максимума теплосъема от температур металла 550-650° С (фиг.1) по сравнению с кривой охлаждения металла в холодной воде (20° С), у которой максимум теплосъема приходится на температуру охлаждаемого металла 200-300°С (фиг.1,о). Такое смещение стадии интенсивного охлаждения металла при закалке в растворе поваренной соли с концентрацией 20% NaCI и температурой 60° С значительно снижает уровень остаточных напряжений в закаливаемом металле, а соответственно и степень коробления изделий, а также вероятность их растрескивания. Однако из фиг. 1 и 2 видно, что усредненная скорость охлаждения металла в растворе поваренной соли (20%) при температуре среды 60° С имеет примерно те же значения, что и для холодной воды и значительно выше, чем в масле, что неприемлемо для деталей из различных марок сталей по причине сильного коробления или растрескивания. К тому же при таком способе закалки существуют тр удности в поддержании заданных температурно-концентрационных параметров охлаждающей среды в процессе закалки. В основу изобретения поставлена задача разработать способ закалки металлоизделий из малоуглеродистых низколегированных, средне-, и высокоуглеродистых и легированных сталей в котором за счет оптимизации температурно-концентрационных параметров закалочной среды достигается улучшение свойств закаливаемого металла путем повышения мартенситной прокаливаемости, уменьшения в структуре металла количества промежуточных продуктов превращения и остаточного аустенита при исключении растрескивания металла и снижении степени коробления изделий. При этом заявляемый способ закалки металлоизделий обеспечивает возможность стабильного поддержания заданных температурноконцентрационных параметров охлаждающей среды в процессе закалки в условия х серийного производства. Поставленная задача решается тем, что в способе закалки металлоизделий, включающем нагрев, охлаждение в водном растворе поваренной соли и отпуск, согласно изобретению охлаждение ведут в растворе поваренной соли, приготовленной при температурах 20°С -1 кипения с концентрацией 26,4-28,9%, причем температура раствора верхней зоны бака, в которой охлаждают металлоизделия 60° С -1 кипения, а концентрация соли в растворе верхней зоны бака поддерживается температурой раствора нижней зоны. В случае закалки изделий в солевом растворе при температуре его кипения процесс охлаждения происходит при дополнительном разбрызгивании над поверхностью раствора воды, количество которой равно объему испаряющейся воды из бака. Заявляемые температурно-концентрационные параметры способа закалки обеспечивают металлу оптимальные условия закалки (скорость охлаждения, уровень закалочных напряжений и т.д.), что позволяет повысить уровень эксплуатационных свойств обрабатываемых изделий по сравнению с известными способами термообработки, снизив при этом себестоимость обрабатываемых изделий при улучшении экологии в термоцехе. Ме ханизм поддержания заданной концентрации раствора 26,4-28,9% NaCI в верхней (рабочей) части бака при температурах 60° С -t кипения иллюстрируется крайними заявляемыми значениями температуры и концентрации раствора в верхней и нижней зонах бака. Концентрация поваренной соли 26,4% соответствует концентрации насыщения раствора при 20° С. Концентрация поваренной соли 28,9% соответствует концентрации насыщения раствора при температуре его кипения -108°С (Гороновский И.Т. и др., Краткий справочник по химии, 5-е изд., Киев, Наукова думка, 1987, с.651, 676). В табл.1 приведены значения предельной растворимости NaCI в воде в зависимости от ее температуры (Гороновский И.Т. и др. Краткий справочник по химии, с.676, 651). В случае приготовления для закалки солевого раствора с концентрацией NaCI 26,4%, что соответствует насыщению при 20° С, весь закалочный бак (см. заявку "Охдлаждающее устройство для закалки металлоизделий в водных раствора х солей", поданную в одном пакете с настоящим способом) заполняется раствором с указанными параметрами. Нижняя зона с солевым раствором в закалочном баке охлаждается за счет установленных там охладительных змеевиков и температура раствора нижней зоны поддерживается постоянно при 20°С. Верхняя часть солевого раствора в закалочном баке при подготовке его к работе нагревается до температуры 60°С - t кипения (в зависимости от марки стали и степени сложности формы изделия) за счет нагревателей, установленных в этой зоне бака. Начальная концентрация NaCI в растворе верхней и нижней зон бака одинакова –26,4%, но температура разная: в нижней зоне 20°С (раствор предельно насыщен NaCI); в верхней зоне 60°С - t кипения (раствор не насыщен до предела). При опускании нагретого изделия в раствор верхней зоны закалочного бака будет происходить испарение воды из бака и концентрация соли в растворе верхней зоны будет повышаться выше 26,4% (т.е. выше начальной). Но в закалочном баке находится нижняя зона с раствором, имеющим температуру 20°С, который имеет постоянную концентрацию и ее значение меньше, чем концентрация соли в верхней зоне при закалке изделий и испарении воды. Из-за возникающего в процессе закалки градиента концентрации и температуры раствора по высоте бака будет происходить выравнивание концентрации соли за счет диффузии из зоны с большей концентрацией соли (раствор верхней зоны) в раствор с меньшей концентрацией, т.е. в раствор нижней зоны бака, где температура и концентрация соли поддерживается постоянной. А в связи с тем, что в нижней зоне раствор находится в состоянии насыщения, то повышение концентрации соли в нем за счет диффузии из раствора верхней части бака приведет к выпадению избытка соли в виде осадка. И за счет этого поддерживается заданная концентрация солевого раствора (26,4-28,9) в верхней зоне закалочного бака, т.е. концентрация NaCt в растворе верхней зоны бака будет обусловлена температурой и концентрацией раствора в нижней части бака. А в связи с тем, что каждой температуре раствора в пределах заявляемого интервала 60° С -1 кипения соответствует предельная концентрация насыщения (см. табл.1), заявляемый способ закалки металлоизделий в водном растворе поваренной соли может стабильно поддерживать заданную концентрацию NaCI (26,4-28,9%) в процессе закалки изделий. Например, если необходимо производить закалку в 28% растворе NaCI надо нагреть воду в баке до 90°С (этой температуре соответствует предельная растворимость NaCI - 28%), растворить требуемое количество соли для того, чтобы концентрация раствора соответствовала 28% и производить закалку при температуре раствора верхней зоны 90°С - t кипения. Но при этом температура раствора нижней зоны должна поддерживаться 90°С. И только в случае реализации крайних верхних значений из заявляемых параметров - концентрации соли в растворе верхней зоны 28,9% или близкой к этому значению, при температуре кипения раствора (108 С) и параметрах раствора нижней части бака (концентрация 28,9%, температура 108°С), механизм выравнивания концентрации соли в растворе верхней зоны бака при закалке изделий будет замедлен, т.к. при таких условиях о хлаждение металла будет идти только за счет испарительного охлаждения и при этом за счет выпаривания воды концентрация соли в растворе верхней зоны бака быстро увеличится выше предельной, т.е. приведет к пересыщению раствора. Избыток соли в растворе верхней зоны сразу начнет выпадать в осадок и на поверхности изделия начнется кристаллизация в виде сплошного слоя, что резко уменьшит скорость охлаждения и приведет к браку изделия по низкой твердости металла и др. характеристикам. Для устранения этого недостатка и поддержания концентрации соли в растворе верхней зоны бака на заданном уровне дополнительно производят разбрызгивание холодной воды над зеркалом ванны из разбрызгивателей в количестве, равном испаряющемуся объему воды при закалке конкретного изделия. Такая операция осуществляется за счет того, что термист до проведения закалки знает соотношение "вес детали - количество испарившейся воды при закалке" и пропускает через дозатор на разбрызгиватели в процессе охлаждения детали требуемое количество воды из подводящей системы водооснабжения. При этом холодная вода из разбрызгивателей попадая на поверхность ванны, кроме уменьшения концентрации соли в растворе снижает и температуру приповерхностных объемов раствора, что способствует уменьшению бурления и выплескивания кипящего солевого раствора из бака. Это происходит за счет того, что поднимающиеся от горячей детали пузыри пара, достигая области раствора с температурой на 5-7°С ниже температуры кипения (за счет разбрызгиваемой воды) схлопываются на какой-то глубине в растворе и не выходят на поверхность ванны. Способ закалки металлоизделий опробован на изделиях из различных марок сталей в опытнопромышленных условия х машиностроительных заводов Украины и России. Пример конкретного исполнения. В опытный бак объемом закалочного раствора 2 м 3 заливали воду с температурой 20°С в количестве 1472 литра и засыпали поваренную соль весом 528 кг для приготовления закалочного раствора с концентрацией 26,4%. После приготовления раствора включали нагреватели в верхней зоне бака и нагревали раствор до 50° С, затем отключали подвод пара к нагревателям верхней зоны и после опускания в раствор нагретого изделия через змеевики нагревателей верхней зоны пропускали холодную воду для стабилизации температуры раствора верхней зоны бака на уровне 50°С. Температуру раствора нижней зоны бака (20°С) поддерживали постоянной за счет работы охлаждающих змеевиков. Для создания термической нагрузки на закалочный бак с раствором, близкой к промышленным условиям при серийном производстве, исследования проводили по следующей схеме: Закалка первого комплекта цилиндрических образцов с кольцевыми проточками (фиг.З) ® ®Закалка отработанных штамповых кубиков весом по 200 кг (всего 1т)®· ® Закалка второго комплекта образцов с кольцевыми выточками После этого определяли количество испарившейся воды из закалочного бака при работе с использованием элемента испарительного охлаждения. При таком режиме закалки на 1 τ металла охлаждении испарялось 380 кг воды из раствора. Таким образом, зная количество испарившейся воды из бака, начальную концентрацию соли в растворе, определяли концентрацию NaCI в растворе после закалки 1 тонны металла без корректировки состава ванны. Исходный вес раствора поваренной соли в баке - 2000 кг (воды - 1472 кг при концентрации соли 26,4%). Вес соли при такой концентрации раствора - 528 кг. Вес испарившейся воды из бака после закалки 1 тонны металла в условиях испарительного охлаждения - 380 кг (т.е. в баке осталось 1092 кг воды). Исходя из указанных данных определяли концентрацию (расчетную) NaCI в растворе, считая, что количество соли в растворе оставалось постоянным (выносом соли на изделиях пренебрегали). 1620 кг-100% 528 кг – x где 1620 кг - вес раствора поваренной соли после испарения из него 380 кг воды; 528 кг - вес соли, растворенной в растворе; 528 ´ 100 = 32,5 % 1620 - расчетная концентрация соли в растворе после закалки 1 тонны металла. Исходя из того, что температура раствора в нижней зоне бака при исследовании нижних значений параметров, заявляемых в способе, была равна 20°С, а предельное насыщение при такой температуре раствора солью составляет 26,4% NaCI, то избыточное количество соли из раствора верхней зоны диффундируе т в раствор нижней зоны, где выпадает в осадок на дно бака. Таким образом осуществляется поддержание заданной концентрации соли в верхней зоне бака. Результаты испытаний приведены в табл.2. Из приведенных значений видно, что в случае закалки образцов из инструментальной стали с кольцевыми проточками, используемыми для определения уровня закалочных напряжений при испытании охлаждающих сред в случае постановки изделия на производство, способ термообработки, принятый за прототип, не обеспечивает целостности металла опытных образцов из-за высокого уровня закалочных напряжений. Разрушение происходит в места х конструктивных концентратов напряжений. Аналогичным образом ведет себя и раствор с концентрацией соли 25%. И только после того, как в растворе верхней зоны с начальной концентрацией 25% и температурой 100°С закалили 1 тонну металла, выпарив при этом из раствора 380 кг воды, концентрация соли в растворе верхней зоны повысилась до уровня, превышающего предельное насыщение раствора в нижней (холодной) зоне бака. При таких условиях сработал механизм саморегуляции концентрации раствора за счет разности температур раствора по высоте бака. Для закалки изделий с конструктивными концентраторами напряжений радиусом 5 мм из средне-, высокоуглеродистых и легированных сталей по заявляемому способу можно использовать следующие параметры: концентрацию поваренной соли в растворе 26% при температуре раствора верхней зоны 100°С (кипения) и при температуре раствора нижней зоны 20°С. При повышении концентрации соли в растворе возможно использования для закалки вышеназванных изделий хладагента с температурой 60° С (для верхней зоны) и 20° С для раствора нижней зоны бака. При разработке режимов закалки изделий сложной формы и большой разнотолщинности, имеющих конструктивные концентраторы напряжений радиусом 2 мм, необходимо использовать раствор поваренной соли с концентрацией 27%, при температуре раствора верхней зоны 60°С и нижней зоны 60°С. В случае закалки сложных изделий из инструментальных марок сталей с использованием верхних заявляемых параметров способа закалки (концентрация раствора 28,9%, температура раствора в верхней и нижней зонах бака 108°С) необходимо дополнительно к реализуемому механизму поддержания заданной концентрации соли в растворе при закалке деталей еще разбрызгивать холодную воду над зеркалом ванны в количестве, равном объему воды, испаряющемуся из бака при охлаждении изделия конкретного веса. Это необходимо для предотвращения быстрого пересыщения раствора верхней зоны и выпадения избыточной соли на поверхности закаливаемого изделия, что резко снижает скорость охлаждения металла и приводит к браку по твердости, микроструктуре и т.д. х=