Термообработка в расплаве солей

Закалка стали – один из наиболее важных процессов в термообработке металла, от которого напрямую зависит качество продукции. Плохая закалка может привести к излишней мягкости металла, перекаленная деталь, в свою очередь, становится очень хрупкой. 

Виды закалки

Еще древние мастера, работавшие в кузнях, замечали, как тепловое воздействие в разной степени влияет на металл, меняя его структуру и свойства. С помощью термообработки можно улучшить механические характеристики детали, сделать ее более долговечной и даже уменьшить вес за счет увеличения прочности! В современном машиностроении задача комплексного улучшения эксплуатационных свойств металлических материалов в значительной степени связана с разработкой новых технологических процессов поверхностного упрочнения деталей. Термообработка позволяет даже изготавливать качественные детали из более дешевых сплавов, улучшая их характеристики до нужной отметки. Закалка стали – процесс термообработки, в результате которого сталь нагревается до критической температуры и быстро охлаждается. Цель такой обработки – повышение твердости и прочности детали с уменьшением ее пластичности.

Основные задачи, требующие решения при термообработке:

  • защита от обезуглероживания;

  • защита от цементации;

  • защита от окисления;

  • скорость охлаждения.

Для защиты от обезуглероживания, особенно быстрорежущей стали, рекомендуется применение растворов солевых ванн.

Подготовка раствора солей

В 95% рабочего объема тигля расплавляется соль Petrofer HS 760, после полного расплава добавляются 5% Petrofer NEUTROSAL. Небольшие порции NEUTROSAL посыпаются на ванну и сразу же перемешиваются. После этого следует нагрев до нужной температуры. О надежности необезуглероживания позволяет судить также и внешний вид ванны. Ванна должна быть прозрачной. На поверхности время от времени появляются язычки пламени, маленькие хлопья в ванне являются нормальными и представляют собой продукты реакции инертора с кислородом. Если ванна помутнеет, то в ней появились оксиды и растворенный кислород. В этом случае надежность необезуглероживания не обеспечивается.

Области применения:

  1. Необезуглероживающий отжиг и закалка всех видов инструментальной стали и высокопроцентной хромистой стали, а также науглероженных деталей, в особенности, если цементованный слой местами обработан.

  2. Обработка необезуглероживающим отжигом термически улучшенной или цементируемой стали (отжиг на крупное зерно).

  3. Обезуглероживающий нагрев быстрорежущей стали до 1100°C. Обезуглероживающий твердый припой в солевой ванне.

Необходимо упомянуть, что при закалке в растворах солевых теплых ваннах поверхность деталей не окрашивается в иссиня-черный цвет, как это обычно происходит при закалке в ваннах, содержащих цианид. Поверхность обычно получается пестрой, светло-коричневого или красно-коричневого цвета.

Защита деталей от цементации

Цементация - один из главных процессов в термическом упрочнении деталей, поверхности которых работают на износ. К таким деталям относятся шестерни, вал-шестерни, сателлиты, полуоси, и многие другие изделия. Очень часто в процессе изготовления таких деталей, возникает необходимость исключить науглероживание на определенном участке. Такая необходимость возникает по разным причинам: требования конструкторской документации, требования по дальнейшей механической обработке и т.д. В связи с этим возникает вопрос о защите этих поверхностей от насыщения углеродом и исключения получения высокой твердости при последующей закалке сталей. Способ защиты деталей от цементации самый интересный и перспективный. Он заключается в использовании покрытий и защитных антицементационных паст Petrofer SURFATECT различного химического состава. Новые на водной основе и классические защитные пасты на основе растворителей для частичного покрытия от цементации, азотирования стальных деталей в газовой атмосфере. В зависимости от типа-оснастки защитных паст Petrofer SURFATECT легко растворяются в воде после обработки или удаляются механическим способом.

Оксидирование стали – это один из наиболее эффективных способов защиты поверхности металла от негативных внешних воздействий. В результате на металле образуется защитное покрытие в виде специфической пленки. Особенности и функции такой пленки напрямую зависят от метода оксидирования.

Оксидирование – для увеличения коррозионной стойкости. Для оксидирования применяют оксидирующие ванны. Petrofer Blacky при рабочей температуре до 150°C.

После термообработки деталей в расплавах солей детали промывают горячей водой, что не всегда благоприятно влияет на коррозионную стойкость, для решения данной проблемы применяется 2-3% раствор концентрата Petrofer AQUAPLUS 22. AQUAPLUS 22 применяется при необходимости надежной антикоррозийной защиты без значительных изменений физических свойств воды как, например, в системах охлаждения, при поверхностной закалке с применением индукционного нагрева и газопламенной закалки.

Для каждого вида закалки металла существует отдельный режим, определяющий исход процесса. Нужно учесть температуру нагрева, вычислить точное время и скорость нагрева, продолжительность выдержки детали при максимальном значении температуры, скорость охлаждения.

На атомном уровне при достижении критической температуры перестраивается атомная решетка.

Для разных марок стали существует своя критическая температура, в зависимости от уровня содержания углерода и примесей. Закалка делает металл твердым, но в то же время хрупким. Охлаждение детали должно проходить быстро, чтобы атомная структура не преобразовалась в промежуточную структуру. При этом слишком быстрое охлаждение может привести к растрескиванию стали или короблению. Во избежании брака скорость охлаждения при достижении порога в 200°С замедляют. Некоторые марки стали закаляются и при более высоких температурных режимах (1250–1300°С). Эти марки не подвержены растрескиванию, поэтому в предварительном подогреве они не нуждаются. Сложные детали, которые имеют резкие переходы или тонкие грани, предварительно подогревают в отдельных печах или соляных ваннах, применяя соли Petrofer AS 135. Температура подогрева – до 500°С. 

Охлаждение металла – опасности и предосторожности!

В качестве основы для охлаждающих жидкостей используют воду. Водяная закалка имеет ряд недостатков. Главный минус – образование трещин и коробление металла, поэтому таким способом пользуются только при изготовлении цементированных изделий или изделий несложной формы, которые будут проходить финишную обработку. Изделия более сложной формы из конструкционной стали охлаждаются в растворе полимерных сред Petrofer AQUATENSID BW-FF. Охлаждение происходит равномерно; в отличие от закалки водой, не происходит смягчения и минимизируются разрушения. Огромное преимущество здесь – негорючесть, связанная с высоким содержанием воды, низким уровнем образования дыма и отсутствием паровой рубашки. Низкоконцентрированные растворы AQUATENSID BW-FF имеют охлаждающий эффект на уровне воды, но без их отрицательных свойств. Разумеется, неконтролируемое, неравномерное образование паровой оболочки на заготовке (феномен Лейденфроста) можно избежать. Применение AQUATENSID BW-FF с более высокой концентрацией дает характеристики охлаждения маслом. В области температур конвекционной фазы / мартенсита эффект охлаждения здесь уменьшается по сравнению с чистой водой. В результате неизбежно возникающие трансформационные напряжения не излишне накладываются высокими тепловыми напряжениями, трещины практически устраняются.

3.jpg

Термическая обработка легких металлов с помощью AQUATENSID

Легированные сплавы AL используются не только в авиации сегодня, но и в большей степени для легких конструкции в секторе транспортных средств. Закалка этих сплавов после гомогенизационного отжига, а также других сплавов AL после формования является еще одной областью применения для AQUATENSID. Из-за регулируемой скорости охлаждения, достигается снижение риска критических деформаций металла, в отличие от не контролируемой скорости охлаждения в воде. Таким образом, можно избежать серьезных усилий по переработке.

Полимерные растворы AQUATENSID также нашли множество применений при термообработке алюминиевых компонентов. Так, например, в аэрокосмической промышленности части прокаливаемого алюминиевого сплава длиной около 1,5 м с поперечными сечениями между 30 и 120 мм в 25% растворе полимера AQUATENSID почти без искажений охлаждаются, в отличие от охлаждения в воде. В случае повышенного риска растрескивания возможно использование водно-полимерной закалки Petrofer FEROQUENCH 2000.

3.jpg

Минеральные масла – наиболее подходящая охлаждающая среда для изделий из легированной стали, как и для тонких изделий, из углеродистой стали. Недостаток таких ванн состоит в том, что независимо от температуры среды скорость охлаждения не меняется. Масла для закалки разделяют на две основные группы:

  1. Масла с обычной скоростью закалки Petrofer ISODUR 220 причем скорость при температуре 30°С, что при температуре 100°С она будет одинакова.

  2. Масла, устойчивые к испарению для закалки с высокой интенсивностью охлаждения например ISORAPID 227 HM.

3.jpg

3.jpg

В частности, при использовании обычных масел для закалки сама среда имеет склонность к возгоранию. К тому же, со временем масло теряет закаливающие способности. При использовании масел, устойчивых к испарению для закалки с высокой интенсивностью охлаждения повышаются окислительные свойства, срок службы продукта, а главное качество закалки улучшается почти в два раза. Стойкость к окислению данных продуктов в пять раз выше по сравнению с индустриальным маслом - соответственно замена масла происходит намного реже.

Для оценки качества масла могут применяться и другие характеристики:

Температура вспышки - очень важное свойство в плане противопожарной безопасности. Как правило, не требуется применять масла с температурой вспышки на 50-60°С выше, чем температура процесса с учетом объема ванны масла и его теплопроводности.

Стойкость против старения - показатель экономической эффективности использования того или иного масла. Это время нормальной работы охлаждающей среды до образования продуктов горения и шлака на дне и стенках ванны. Время смены масла чаще определяется практически, по изменению цвета закаливаемых изделий или появлением мягких пятен на поверхности.

Еще одной экономической характеристикой качества масла является скорость уноса вещества с обрабатываемыми поверхностями деталей. Она не может быть однозначно определена, т.к. в большей степени зависит от конкретных условий использования (одиночный закалочный бак, бак в составе автоматической линии, с учетом времени на стекание или без учета). Однако эта характеристика находится в некоторой корреляции с вязкостью масла и чаще не превышает 1% площади обрабатываемых изделий.

При сравнении характеристик масел, нужно обращать внимание на допустимое количество воды и посторонних примесей.Вода в масле может быть причиной неравномерной твердости и возгорания закалочного бака. Чем больше воды в масле, тем больше вероятность этих явлений.

Из вышесказанного следует, что при выборе такого идеального и безопасного закалочного масла, в первую очередь следует учитывать его вязкость, температуру парообразования, теплопроводность и температуру вспышки. Идеальное закалочное масло должно охлаждать изделия максимально быстро в области минимальной устойчивости аустенита и максимально медленно в области температуры от 200°С до полного охлаждения.