ЗАКАЛОЧНАЯ СРЕДА С УПРАВЛЯЕМОЙ ВЯЗКОСТЬЮ Российский патент 1997 года по МПК C21D1/60 

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности, к закалочным средам, применяемым при закалке металлических изделий.

Как известно, в качестве закалочных сред широко используются масла.

Основным достоинством масел является небольшая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает опасность возникновения закалочных дефектов и приводит к постоянству закаливающей способности в широком интервале температур среды (20 150^oC). Охлаждающая способность закалочных масел зависит от их вязкости (температуры).

При необходимости использовать закалочную среду с различной вязкостью требуются масла нескольких типов.

Недостатком масла является и то, что в процессе работы они становятся непригодными для закалки. Изменение свойств закалочных масел обусловливается процессами окисления при контакте масла с нагретой металлической поверхностью; оксиды металлов, имеющиеся на поверхности изделий, ускоряют процессы окисления. Более интенсивно окисление масла протекает при повышенных температурах. К недостаткам закалочных масел следует отнести необходимость дополнительной операции отмывки и обезжиривания поверхности закаленных изделий, а также пожароопасность.

Известен [1] водный раствор натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, применяемый в качестве закалочной среды, мас.

натрий карбоксиметилцеллюлоза NaКМЦ ТУ 6-55-39-90 1,3 2,0
Натрий хлористый ГОСТ 13830-91 15 20
Бура Na₂B₄O₇•10H₂O ГОСТ 4199-76 0,1 - 0,2
Вода остальное
Вязкость по вискозиметру В 3 4 ГОСТ 8420-74 рабочего раствора колеблется в пределах 12,0 12,8 сек.

Существенным недостатком водного раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы является относительно низкая и неизменная вязкость и, как следствие, большая скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения, вызывающая возникновение значительных напряжений в закаливаемых изделиях.

Ближайшим аналогом является известная закалочная среда с управляемой вязкостью, содержащая тринатрийфосфат, добавку и воду [2]
Недостатком известной среды является невозможность управления вязкостью среды в широком диапазоне, в зависимости от марки стали и конфигурации металлического изделия.

Технический результат от использования изобретения состоит в том, что состав закалочной среды на основе водного раствора солей выполнен с вязкостью, управляемой в широком диапазоне, в зависимости от марки стали и конфигурации металлического изделия.

Для достижения технического результата закалочная среда содержит магний сернокислый 7-водный и тринатрийфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.

Магний сернокислый 7-водный 34,6 38,5
Тринатрийфосфат 13,5 22,1
Вода остальное до 100
На Таганрогском металлургическом заводе провели испытания закалочной среды.

При испытаниях использовали следующие материалы:
Магний сернокислый 7-водный MgSO₄•7H₂O 4523-77
Тринатрийфосфат Na₃PO₄•12H₂O ГОСТ 201-76
Натрий карбоксиметилцеллюлоза NaКМЦ ОСТ 6-05-386-80
Натрий хлористый NaCl ГОСТ 13830-91
Бура Na₂B₄O₇•10H₂O ГОСТ 4199-76
Масло индустриальное 20 ГОСТ 20799-88
Сталь марки 40Х ГОСТ 4543-71
Сталь марки 40ХМФА ГОСТ 4543-71
Сталь марки 9ХФ ГОСТ 5950-73
Сталь марки 5ХВ2СФ ГОСТ 5950-73
Условную вязкость различных закалочных сред определяли по вискозиметру ВЗ-4 ГОСТ 8420-74.

Приготовление закалочной среды проводили следующим образом. Для этого использовали выкрашенный металлический бак емкостью 1,5 м³. Последовательность и количество материалов, вводимых в бак, указаны в таблице 1.

Испытание образцов из стали различных марок проводили по ГОСТ 1497-84 на растяжение, по ГОСТ 9012-59 на твердость по Бринеллю, по ГОСТ 9013-59 на твердость по Роквеллу.

При обосновании состава закалочной среды приготовили 22 композиции (табл. 2), путем добавления в насыщенный водный раствор сернокислого магния (композиция 1) нормированных присадок тринатрийфосфата (композиции 2 22).

Установлено, что ввод тринатрийфосфата в количестве 2,7 22,8 мас. в водный насыщенный раствор сернокислого магния обуславливает изменение вязкости по ВЗ-4 от 11,5 до 64,8 сек. При этом образуется коллоидный раствор, содержащий фосфорно-кислый магний, в результате протекания следующей реакции:
3MgSO₄ + 2Na₃PO₄ Mg₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄
При испарении воды этот раствор может переходить в студень или гель.

Для обоснования предельных содержаний компонентов в закалочной среде приняли за основу минимальную и максимальную вязкости применяемых закалочных масел (табл. 3).

Из данных таблицы 3 видно, что среда с вязкостью 60 сек по ВЗ-4 не существует, а предлагаемая закалочная среда имеет вязкость 60 сек по ВЗ-4 при приготовлении по рецептуре композиции 19 (табл. 2).

Испытание закалочной среды с минимальной вязкостью провели с использованием деталей из стали марки 40Х по ГОСТ 4543-71 (табл. 4).

Из данных таблицы 4 видно, что при использовании закалочной среды с вязкостью менее 12,5 сек по ВЗ-4 твердость термообработанных деталей превышает верхний предел. Это требует увеличения температуры отпуска и, как следствие, повышения энергозатрат, что экономически нецелесообразно.

Последующие испытания закалочной среды провели на образцах стали марки 40ХМФА ГОСТ 4543-71, вырезанных из замков приварных для бурильных труб ГОСТ 27834-88 (табл. 5). Из данных таблицы 5 видно, что при термической обработке образцов из стали марки 40ХМФА с использованием закалочной среды, по сравнению с водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, обеспечиваются все свойства согласно требованиям ГОСТ 4543-71.

Образцы с использованием при закалке водного раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы не удовлетворяют требованиям стандарта по относительному удлинению.

Испытание закалочной среды с максимальной вязкостью провели с использованием образцов из стали марок 9ХФ и 5ХВ2СФ по ГОСТ 5950-73 (табл. 6). Из данных табл. 6 видно, что при закалке с использованием водного раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы на образцах выявлены трещины. При использовании закалочной среды с вязкостью более 60 сек твердость термообработанных деталей ниже допустимого нижнего предела.

Предлагаемая закалочная среда нетоксична, рН раствора 7 8, пожаробезопасна, не требует наличия приточно-вытяжной вентиляции, бака аварийного слива.

Использование: изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано при закалке металлических изделий. Сущность: закалочная среда содержит магний сернокислый 7-водный и тринатрийфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний сернокислый 7-водный 34,6 - 38,5, тринатрийфосфат 13,5 - 22,1, вода - остальное до 100,0. Технический результат: изменением соотношения компонентов можно управлять вязкостью закалочной среды в зависимости от марки стали и конфигурации металлического изделия. 6 табл.

1 Закалочная среда с управляемой вязкостью, содержащая тринатрийфосфат, добавку и воду, отличающаяся тем, что в качестве добавки используют магний сернокислый семиводный при следующем соотношении компонентов, мас.3 Магний сернокислый семиводный7 34,6 38,53 Тринатрийфосфат7 13,5 22,13 Вода7 Остальное