СРЕДА ДЛЯ ЗАКАЛКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2001 года по МПК C21D1/60 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к закалочным средам на основе водорастворимых полимеров, используемых при термообработке углеродистых, легированных сталей и др. металлов.

Известна закалочная среда на основе полиакриламида /1/, существенным признаком которой является "акриламид" (звенья в полимере), совпадающий с существенными признаками предлагаемой закалочной среды. Среда /1/ характеризуется относительно низкими концентрациями рабочих растворов (0,1 - 0,5%) из-за их высокой вязкости. Однако они не позволяют проводить наиболее эффективный процесс закалки погружением в ванну с рабочим раствором, а применяются только при "душевом" способе закалки. Последний сильно сужает номенклатуру сталей и часто приводит к "пятнистой" закалке изделий.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленной является полимерная закалочная среда /2/, содержащая в качестве полимера сополимер (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила, и используемая с концентрацией рабочих растворов 0,1 - 10 мас.%. Содержание мономерных звеньев в сополимере по массе следующее:
(мет)Акриловая кислота (в Н-форме) - 50 - 90%,
Акрилонитрил - 10 - 50%, при щелочной среде раствора
Существенные признаки известной закалочной среды: "содержание звеньев (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила" и "концентрацией рабочих растворов от 0,1%" совпадает с существенными признаками предлагаемой закалочной среды.

Известным уровнем техники является "Универсальная закалочная среда полимерная УЗСП-1", выпускаемая на ОАО "СК Премьер" (г. Ярославль) в соответствии с авт. свид. СССР /2/, при соотношении мономерных звеньев: (мет)акриловая кислота - 60% и акрилонитрил - 40% (водный концентрат калиевой соли сополимера с величиной pH 9 - 10). Свойства среды подробно описаны в /3/.

Недостатками наиболее близкого аналога /2/ являются более высокая концентрация рабочих растворов практически для всех испытанных сталей и, следовательно, большие потери полимера при закалке за счет выноса на деталях и повышенная щелочная коррозия вследствие более высокой величины pH рабочих растворов (> 8 ед.), т.к. иначе сополимеры не переводятся в раствор (не растворяются).

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание новой экологически чистой, нетоксичной закалочной среды, обеспечивающей пониженную концентрацию рабочих растворов и, соответственно, низкие потери полимера за счет выноса на деталях, практическое отсутствие щелочной коррозии, вследствие нейтральной величины pH концентрата и рабочих растворов. Последнее позволяет использовать заявляемую среду для упрочнения изделий из цветных металлов. Указанный технический результат достигается тем, что закалочная среда на основе карбоксилсодержащего сополимера содержит сополимер акриламида, акриловой или метакриловой кислоты и акрилонитрила при следующем содержании мономерных звеньев, мас. %: акриламид - 25-90%, (мет)акриловая кислота - 10-55% и акрилонитрил - 0-30% при концентрации рабочих растворов 0,1 - 5,0% и величине pH 6,8 - 7,5.

Существенные признаки заявляемого изобретения "акриламид" и содержание мономерных звеньев в основном компоненте закалочной среды - сополимере являются основными отличительными признаками от признаков наиболее близкого аналога. Закалочная среда дополнительно может содержать различные технологические добавки, не меняющие сути изобретения, например антикоррозионные соли - нитрит натрия, монотриэтаноламины, бораты и фосфаты, а также вещества, регулирующие вязкость и скорость охлаждения, например глицерин, моно- и полигликоли и др.

Сополимеры по заявляемому изобретению представляют собой водорастворимые продукты, которые получают следующим образом:
- гидролизом в щелочной среде при величине pH 12 - 13 при 60 - 90^oC сополимеров акриламида и акрилонитрила с содержанием звеньев 60-90% и 10-40% соответственно, полученных радикальной сополимеризацией в водной среде. При гидролизе образуются сополимеры акриламида и акриловой кислоты или сополимеры акриламида, акриловой кислоты и акрилонитрила с содержанием звеньев акриловой кислоты не менее 20% и акрилонитрила не более 25%. Величину pH концентрата снижают до 7 введением раствора о-фосфорной кислоты. Полученный концентрат (15 - 20%) непосредственно использовался для приготовления рабочих растворов,
- радикальной сополимеризацией акриламида, метакриловой или акриловой кислоты и акрилонитрила при заявленном соотношении мономеров в водной среде при степени предварительной нейтрализации кислоты щелочью, равной 30 - 70% с конверсией мономеров практически 100% в соответствии с патентом РФ N 2105014, 1998 (БИ N 20, 1996). Величину pH концентрата поднимают введением раствора тринатрийфосфата (или полифосфата) до 7. Полученный концентрат (15 - 25%) непосредственно использовался для приготовления рабочих растворов.

Промышленная применимость вышеприведенных методов получения концентратов растворов сополимеров указанного состава подтверждается их синтезом на пилотной установке и испытаниями среды в опытных заводских условиях.

При содержании звеньев акриламида в сополимере более 90 мас.% ухудшаются охлаждающие свойства закалочной среды при закалке погружением в ванну (увеличивается скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения сталей) аналогично применению полиакриламида. При содержании звеньев акриламида менее 25% свойства среды приближаются к свойствам наиболее близкого аналога - сополимера (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила /2/. При увеличении содержания акрилонитрила более 30% снижается растворимость сополимера при величине pH, равной 7. При концентрации рабочего раствора менее 0,1% охлаждающие свойства закалочной среды приближаются к воде, использование концентрации более 5,0% нецелесообразно вследствие снижения твердости поверхности закаливаемых деталей, получения "пятнистой" закалки поверхности изделий.

Все полученные и испытанные растворы сополимеров - закалочные среды относятся по токсичности к малотоксичным жидкостям - IV класс по ГОСТ 12.1.007 - 76 и способны биологически разлагаться.

Характеристики закалочных сред приведены в табл. 1. Среды составов 1-5 и 8-10, 12, 13 испытывались при закалке углеродистых и легированных сталей погружением в ванну, результаты приведены в табл. 2 - 6. Среды составов 6, 7, 11 и 13 испытывались при поверхностной ("душевой") закалке, результаты приведены в табл. 7.

Длительное сохранение постоянной концентрации рабочих растворов предлагаемой среды в процессе закалки определяется меньшими рабочими концентрациями и лучшей растворимостью сополимера в воде при pH 7 при охлаждении деталей в конце процесса закалки, что заметно сокращает его вынос из раствора с деталями.

Как видно из данных табл. 2 - 5, предлагаемая среда обеспечивает качественную требуемую объемную закалку погружением в ванну деталей из углеродистых и легированных сталей широкой номенклатуры в закалочных растворах различных концентраций. Данные табл. 6 показывают эффективность заявляемой среды при закалке деталей сложной формы (с концентраторами напряжений) типа распределительного или коленчатого вала на деталях диаметром 25 мм через 25 мм имеются два утолщения (диска) диаметром 40 мм. Данные табл. 7 показывают возможность применения более концентрированных растворов при поверхностной (душевой) закалке.

Как следует из данных, приведенных в табл. 2 - 7, наблюдается снижение эффективных рабочих концентраций среды по сравнению с наиболее близким аналогом в 2-3 раза и расширение технологических возможностей за счет увеличения числа марок сталей (У8, 9ХС, 30ХГСА).

Предлагаемая закалочная среда характеризуется относительно низкой электропроводностью, что необходимо для надежной работы высокочастотных установок, химически инертна и нетоксична.

Предлагаемая среда для закалки металлов отличается от известной - наиболее близкого аналога (авт. свид. СССР N 1296603, C 21 D 1/60, 1986) составом применяемого основного компонента среды, обладает расширенными технологическими возможностями, заключающимися в пониженном расходе полимера и практическим отсутствием коррозии. По сравнению с закалкой в маслах среда обеспечивает повышенную твердость поверхности изделий, хорошие гигиенические условия труда в термических цехах, отсутствие пожароопасности и снижение расходов на термообработку.

По комплексу требований заявляемое изобретение "Среда для закалки металлов" является "новой", имеет "изобретательский уровень" и "промышленно применимо".

Промышленное использование изобретения планируется в 1999-2000 гг.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 469758, C 21 D 1/56, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР N 1296603, C 21 D 1/60, 1986.

3. Русов К.Д., Едемский С.П./ Новая закалочная среда УЗСП-1 // Металловедение и термическая обработка металлов. БИ N 10, 1986, с. 29-31.

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к закалочным средам на основе водорастворимых полимеров, используемых при термообработке углеродистых, легированных сталей и др. металлов. Техническим результатом изобретения является создание экологически чистой, нетоксичной закалочной среды, обеспечивающей пониженную концентрацию рабочих растворов и, соответственно, низкие потери полимера за счет выноса на деталях, практическое отсутствие щелочной коррозии вследствие нейтральной величины рН концентрата и рабочих растворов, что позволяет использовать среду для упрочнения изделий из цветных металлов. Среда содержит водный раствор карбоксилсодержащего полимера, при этом в качестве полимера она содержит сополимер акриламида, (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила следующей формулы
,
где m - акриламид, n - метакриловая или акриловая кислота, р - акрилонитрил, Me - Н и/или катион щелочного металла при следующем содержании мономерных звеньев, маc.%:
Акриламид - 25-90
(мет)Акриловая кислота - 10-55
Акрилонитрил - 0-30
и с концентрацией сополимера в рабочих растворах 0,1-5,0 маc.%. 7 табл.

Среда для закалки металлов, включающая водный раствор карбоксилсодержащего полимера, отличающаяся тем, что в качестве полимера она содержит сополимер акриламида, акриловой или метакриловой кислоты и акрилонитрила следующей формулы:

где m - акриламид;
n - акриловая или метакриловая кислота;
р -акрилонитрил;
Me - Н и/или катион щелочного металла,
при следующем содержании мономерных звеньев, мас.%:
Акриламид - 25 - 90
Акриловая или метакриловая кислота - 10 - 55,
Акрилонитрил - 0 - 30
и с концентрацией сополимера в рабочих растворах 0,1-5,0 мас.%.