способ закалки металлических изделий

Формула изобретения

1. Способ закалки металлических изделий, включающий нагрев изделия до температуры аустенизации и отвод тепла закалочной средой, отличающийся тем, что используют двухфазную закалочную среду в виде водовоздушной пены, подачу которой осуществляют одновременно и равномерно по всей закаливаемой поверхности изделия при избыточном давлении до 0,6 атм с помощью спрейерного устройства, при этом регулируют интенсивность подачи закалочной среды и изменение ее состава, исходя из требуемых условий и режимов отвода тепла от металлических изделий.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухфазную закалочную водовоздушную пену создают путем перемешивания воды и воздуха в спрейерном устройстве при температуре 80-90°С, давлении от 2 до 4 атм и расходе от 100 до 450 см³/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для закалки изделий, выполненных из конструкционных и легированных сталей.

Известен способ регулируемой закалки литых заготовок из легкого металла и устройство для его осуществления, в котором литые заготовки в жидкостной ванне обдувают снизу, по меньшей мере, периодически восходящим потоком газовых пузырьков, образующихся на дне жидкой ванны с равномерным распределением, при этом образование потока пузырьков начинают перед полным погружением в жидкость, а прекращают перед извлечением литых заготовок из жидкости, заготовки укладывают на некотором расстоянии над зоной образования пузырьков, жидкую ванну перекачивают и охлаждают в циркуляционном контуре, в жидкую ванну у дна постоянно подают новую жидкость, а сливную жидкость постоянно отводят (RU 2001110910/02, МПК⁷ C22F 1/00). Недостатком способа является неравномерность охлаждения по всей поверхности изделий после помещения их в жидкостную ванну при обдувании их снизу восходящим потоком газовых пузырьков, поскольку нижняя, боковые и верхняя поверхности изделия обдуваются с разной интенсивностью и с разным результатом забора тепла. Дело в том, что по закону гравитации пузырьки газа стремятся кверху, поэтому при обдувании неподвижных изделий более или менее равномерно обдуваются только боковые стороны изделия. При этом верхняя поверхность обдувается менее интенсивно или вообще не обдувается, поскольку пузырьки газа поднимаются кверху, а не перемещаются горизонтально вдоль верхней поверхности и не опускаются вниз в случае наличия выемки на верхней поверхности изделий. В связи с этим верхняя поверхность изделия оказывается вне потока пузырьков газа, то есть оказывается в роли «мертвой зоны». Отличается интенсивность обдувания и нижней поверхности, поскольку под ней часть пузырьков упирается в поверхность и останавливается, сливается друг с другом, образуя большой газовый пузырь, вероятность образования которого наиболее высока при наличии выемки на нижней поверхности. Кроме этого, недостатком способа является низкое соотношение между пузырьками газа и жидкостью, недостаточное для образования пены. Исключение образования пены для охлаждения металлических изделий снижает в данном способе диапазон возможной интенсивности отвода тепла от изделий, сужает в связи с этим диапазон применимости способа закалки металлических изделий и не позволяет качественно закаливать изделия из различных легированных сталей. Отсутствие в способе условий для образования различного соотношения между водой и воздухом вплоть до образования воздушной пены и отсутствие последовательности действий с использованием пены, обеспечивающих управляемый и равномерный отвод тепла одновременно со всей поверхности независимо от наличия выемок, исключает использование в способе воды в качестве охлаждающей жидкости. Вода с малым содержанием пузырьков газа, которые в соответствии с предложенным способом перемещаются в ней кверху, остается водой, а не пеной. В связи с этим охлаждающая жидкость остается жидкостью, а охлаждающая ванна - жидкостной, а не пенной ванной, поэтому способ не обладает достаточной динамикой отвода тепла, необходимой для качественной закалки изделий из различных легированных сталей. Помимо этого, отсутствие в способе управляемости процессом интенсивности отвода тепла от металлических изделий в процессе их закалки не обеспечивает оптимальную динамику остывания изделий из различных легированных сталей и вследствие этого не обеспечивает достижение высокого качества их закаливания. Отсутствие в способе условий для образования пены из воды не позволяет использовать для закалки не только воду, но и воздух для образования газовых пузырьков, поскольку применение воздуха для образования пузырьков в иных, чем вода, жидкостях способствует появлению химического взаимодействия между отдельными газами воздуха и жидкостью. Вероятность химического взаимодействия между воздухом и охлаждающей жидкостью (но не водой) возрастает при закаливании раскаленных изделий из-за повышения температурного режима жидкости. Химическое взаимодействие между воздухом и охлаждающей жидкости изменяет ее физико-химические свойства, что проявляется изменением свойств теплоемкости жидкости и процесса закаливания с ее применением, что снижает качество закаливания изделий.

Известен способ упрочняющей закалки деталей из легированных сталей, включающий подготовку закалочного бака с кипящей циркулирующей водой с температурой 80-100°С и приборами для контроля ее температуры, нагрев - аустенизацию деталей, контроль свойств и отсутствия трещин, охлаждение деталей, которое ведут прерывисто через воду на воздухе. При этом в воде детали выдерживают в течение времени, не менее необходимого для выравнивания температуры поверхности деталей и воды и прекращения интенсивного испарения воды на поверхности деталей, что проверяют на пробных деталях методом окунания (RU 2000117975/02, МПК⁷ C21D 1/56, C21D 1/25, C21D 1/63, G01N 25/00).

Недостатком способа является низкое соотношение между пузырьками газа и жидкостью, исключающее образование пены. Исключение образования пены в способе уменьшает диапазон возможной интенсивности отвода тепла от изделий, сужает в связи с этим диапазон применимости способа закалки металлических изделий и не позволяет качественно закаливать изделия из различных легированных сталей. Отсутствие в способе условий для образования пены из воды и последовательности действий с использованием водной пены для качественного отвода тепла от металлических изделий исключает использование в способе воды в качестве охлаждающей жидкости. Вода с малым содержанием пузырьков газа, которые в соответствии с предложенным способом перемещаются в ней кверху, остается водой, а не пеной. В связи с этим охлаждающая жидкость остается жидкостью, а охлаждающая ванна - жидкостной ванной, поэтому способ не обладает достаточной динамикой отвода тепла, необходимой для качественной закалки изделий из различных легированных сталей. Способ не предусматривает образование пены из воды и воздуха, поэтому не обеспечивает достаточный диапазон интенсивности отвода тепла, необходимый для качественного закаливания изделий из легированных сталей. Помимо этого в способе отсутствует управляемость процессом интенсивности отвода тепла от металлических изделий в процессе их закалки, поэтому способ не обеспечивает оптимальную динамику остывания изделий из различных легированных сталей и вследствие этого не обеспечивает достижение высокого качества их закаливания.

Задачей предложенного способа является расширение диапазона закаливания в охлаждающей жидкости изделий из различных металлов за счет управления в расширенном диапазоне интенсивностью отвода тепла.

Решение поставленной задачи достигается тем, что закалку металлических изделий, включающую нагрев-аустенизацию, осуществляют путем полного погружения их в закалочную среду в виде двухфазной водовоздушной пены при избыточном давлении до 0,6 атм. Подачу закалочной среды на поверхность изделия осуществляют через спрейерное устройство одновременно и равномерно по всей поверхности теплосъема, а интенсивность подачи закалочной среды и изменение ее состава регулируется, исходя из требуемых режимов отвода тепла для изделий из углеродистых, конструкционных и легированных сталей.

При этом закалочную среду, представляющую собой двухфазную водовоздушную - воздушно-водную пену, создают предварительно в спрейерном устройстве путем перемешивания воды и воздуха при определенных температурах и давлениях, обеспечивающих заданные условия теплосъема для закаливаемого материала.

В технологическом процессе горячей штамповки на ковочном прессе при начальной Т=1050-1100°С и конечной 950-980°С температурах традиционно применяемая при закалке изделий из углеродистых и легированных сталей термообработка ведется путем закалки в масло с последующим отпуском в печи. Предлагаемый способ позволяет после горячей штамповки на ковочном прессе изделие с конечной температурой 950-980°С подвергнуть закалке двухфазной водовоздушной - воздушно-водной средой при температуре 80-90°С без последующего отпуска с обеспечением заданной структуры и твердости материала.

Способ реализован для закалки стали 60С2. Закалочная среда формируется в спрейерном устройстве из воздуха при давлении 3 атм, массовым расходом 100 см³/с и воды с давлением 2.6 атм, массовым расходом 200 см³/с. Избыточное давление двухфазной водовоздушной - воздушно-водной пены на поверхность теплосъема не превышало 0,6 атм, за счет установки расстояния от спрейерного устройства до поверхности теплосъема 25 мм. При этом получена твердость 35 HRC. При давлении воздуха 3 атм, массовым расходом 150 см³/с и воды под давление 2.6 атм, массовым расходом 250 см³/с получена твердость 50 HRC. Избыточное давление двухфазной водовоздушной - воздушно-водной пены на поверхность теплосъема не превышало 0,6 атм, за счет установки расстояния от спрейерного устройства до поверхности теплосъема 35 мм.

Структура полученных образцов имела различные формы от бесструктурного мартенсита до пластинчатого перлита без дополнительного отпуска. Проведенные исследования показали возможность применения двухфазной водовоздушной - воздушно-водной среды для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей марок типа 60С2, Ст40, Ст50, 40ХНМА, 65Г, 65С2 ВА без проведения дополнительного отпуска. При этом теплосъем для каждой конкретной стали регулировался за счет соотношения количества воздуха и воды при температуре Т=80-90°С, подаваемого в спрейерное устройство.

Так, используя при создании двухфазной водовоздушной - воздушно-водной среды с температурой Т=80-90°С воздух, с давлением 2 атм и расходом 100 см³/с, скорость теплосъема в интервале температур охлаждаемой поверхности 950-980°С составляла 10-30°С/с, при этом расход воды составлял 10-20 см³ /с. С увеличением давления на входе в спрейерное устройство воздуха до 4 атм и расхода до 450 см³/с скорость теплосъема в том же интервале температур охлаждаемой поверхности составила от 30 до 200°С/с в зависимости от расхода воды 20-100 см ³/с.

При определенных настройках, связанных с подачей воды и воздуха, теплосъем возможен в диапазоне от 10-30°С/с, что соответствует охлаждению сжатым воздухом до 270-600°С/с, что соответствует охлаждению в воде.

Применение способа позволит:

1. Сократить этапы технологических операций в комплексном процессе изготовления изделий и снизить расходы материала и времени на производство.

2. Повысить уровень безопасности проведения работ за счет отказа от применения агрессивных сред, таких как масло, эмульсии, керосин, обеспечивая при этом нормативы противопожарного состояния.

3. Улучшить экологические аспекты производства, минимизировав при этом величину вредных выбросов в окружающую среду.