close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

68.Термическая обработка деталей машиностроения в натрий–бор–силикатных расплавах

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
А.С. Помельникова, С.А. Герасимов
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В НАТРИЙ-БОР-СИЛИКАТНЫХ
РАСПЛАВАХ
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по дисциплине
«Технология термической обработки»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.78(075.8)
ББК 34.651
П551
Ч
24
П551
Рецензенты: В.П. Ступников, В.П. Конев
Помельникова А.С., Герасимов С.А.
Термическая обработка деталей машиностроения в натрий-бор-силикатных расплавах: Учеб. пособие по дисциплине «Технология термической обработки». — М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 46 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3095-6
В пособии дано представление о современных безокислительных и травящих средах, применяемых для нагрева при термической
обработке. Показано, что эффективность выбора среды для термической обработки деталей из конкретных сталей непосредственно
связана с ее физико-химическими и технологическими свойствами.
Рассмотрены особенности термической обработки деталей машиностроения из различных сталей с нагревом в жидкой среде —
натрий-бор-силикатных расплавах. Описано влияние способа нагрева на механические свойства деталей из коррозионно-стойкой, шарикоподшипниковой, быстрорежущей и других сталей.
Для студентов 4-го курса факультета «Машиностроительные
технологии», изучающих дисциплину «Технология термической обработки».
УДК 621.78(0.75.8)
ББК 34.651
ISBN 978-5-7038-3095-6
2
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с программой специального курса «Технология термической обработки», читаемого студентам 4-го
курса специальностей 150501 (120800) «Материаловедение в машиностроении» и 150601 (071000) «Материаловедение и технология новых
материалов», которые ранее прослушали курс общего материаловедения,
физической химии, теории термической обработки.
Известно, что нагрев стали при термической обработке и пластической
деформации обычно сопровождается интенсивным окислением, обезуглероживанием и обеднением поверхностных слоев изделий легирующими
элементами, что приводит к большим потерям металла, ухудшению его
качества и эксплуатационных свойств изделий. Удаление окалины осуществляется специальным технологическим процессом с применением вредных и дорогостоящих кислот для травления, связано с потерями металла и
образованием отходов, которые не поддаются утилизации и обезвреживанию и ухудшают экологическое состояние среды.
Методы борьбы с окислением и обезуглероживанием весьма разнообразны.
В пособии приведены данные по использованию жидких безокислительных и травящих сред, эффективность выбора которых для термической
обработки конкретных сталей непосредственно связана с физикохимическими и технологическими свойствами. Показана перспективность
использования конкретной жидкой среды — натрий-бор-силикатных расплавов для термической обработки различных деталей.
В гл. 1 пособия даны сведения о безокислительных и травящих средах для нагрева при термической обработке.
В гл. 2 приведены характеристики натрий-бор-силикатных расплавов,
их физико-химические и технологические свойства и методика выбора
оптимальных составов такой жидкой среды на примере различных групп
сталей.
В гл. 3 рассмотрены особенности термической обработки деталей
машиностроения из различных сталей с нагревом в натрий-борсиликатных расплавах. Показано влияние способа нагрева на механические свойства изделий из коррозионно-стойких, шарикоподшипниковых,
быстрорежущих и других сталей.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. СВЕДЕНИЯ О БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНЫХ
И ТРАВЯЩИХ СРЕДАХ ДЛЯ НАГРЕВА
ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Потери металла с окалиной, вызванные высокотемпературной
газовой коррозией, составляют около 5…6 % от всей получаемой в
мире стали [1].
Помимо окисления газы печной атмосферы приводят к обезуглероживанию и обеднению поверхностных слоев стали легирующими элементами (угар), что также способствует снижению
коэффициента использования металла за счет удаления дефектных слоев и повышению себестоимости термически обрабатываемой продукции. Так, при нагреве жаропрочных сплавов в
интервале температур 1150…1220 °С [2] глубина обедненного
легирующими элементами слоя достигает 50…300 мкм, что
приводит к снижению механических и антикоррозионных
свойств изделий из них.
Окисленный слой металла с изделий, подвергнутых термической обработке, чаще всего удаляют травлением в кислотах и щелочах. Химическое травление значительно усложняет и удорожает
производство и также связано с потерями металла. Этим объясняется большое внимание, уделяемое проблеме безокислительного
нагрева стали и разработке новых сред для предупреждения и удаления окалины.
Применяемые методы борьбы с окислением и обезуглероживанием подразделяют на две группы [3]. К первой группе относят
методы, которые способны уменьшить угар в 1,5 – 2,0 раза, но не
ликвидировать его полностью:
– улучшение условий эксплуатации печей;
– автоматизация управления тепловым режимом;
– усовершенствование процесса сжигания топлива;
– применение скоростного нагрева и т. п.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К второй группе относят более эффективные методы, позволяющие полностью или почти полностью обеспечить защиту поверхности металла. Это методы нагрева в различных средах:
– в продуктах неполного сжигания топлива, в печах с двух- и
многостадийным сжиганием топлива, обогащение атмосфер солями лития, бора и других элементов;
– в кипящем слое;
– в контролируемых средах и вакууме;
– в расплавах солей;
– в силикатных и боратных расплавах и покрытиях на их основе.
Остановимся на некоторых методах второй группы.
Нагрев в кипящем слое, сочетающий в себе преимущества скоростного и безокислительного методов [4] и позволяющий нагревать изделия равномерно со скоростью в 1 – 3 раза выше, чем в
пламенных печах, до настоящего времени не получил широкого
промышленного применения.
Интенсивно снижается окисление и обезуглероживание сталей
при добавлении к защитным атмосферам солей лития, хлоридов
алюминия, хрома, кремния и бора [5 – 8]. В экономическом отношении этот метод выгоден только для нагревания высоколегированных сталей.
Нагрев в защитных средах широко распространен в промышленности. При использовании контролируемых сред поверхность
изделий не окисляется, в поверхностных слоях конструкционных
сталей сохраняется заданная концентрация углерода и легирующих элементов, а в изделиях из специальных сплавов в 2 – 3 раза
сокращается глубина измененного по химическому составу слоя.
Однако применение печей с контролируемыми средами связано
со сложностью их герметизации при выгрузке садки, трудностями при очистке газов до содержания в них выше 10–4 % остаточного кислорода. При очистке до 10–4 % на поверхности коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов появляются оксидные
пленки толщиной 20…50 мкм, а также наблюдаются большие
расходы газа. Наиболее существенным недостатком является
окисление поверхности изделий после выгрузки из печи. При нагреве выше 900 °С защитная среда начинает взаимодействовать с
кладкой печи.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нагрев в расплавах солей применяют при термической обработке с давних пор [9 – 13]. При температурах выше 600…700 °С
нашли применение главным образом чистые хлористые соли бария, натрия, калия или их смеси. К достоинствам обработки в солях относят большую скорость и равномерность нагрева изделий,
высокую чистоту поверхности, защиту от окисления и обезуглероживания, однако в контакте со сталью при высоких температурах галоидные соли разлагаются, вызывая коррозию обрабатываемых изделий. Соли щелочных и щелочно-земельных металлов на
границе с воздухом вступают в реакцию с кислородом и растворенными в расплаве газами, образуя оксиды и карбонаты, что приводит к обезуглероживанию поверхности. Даже незначительное
содержание оксидов железа в расплавах солей (0,2…0,5 %) [14]
резко увеличивает глубину обезуглероженного слоя. Это приводит
к ухудшению качества термически обрабатываемых изделий, снижению их предела выносливости, появлению трещин при закалке.
С состоянием поверхности тесно связаны закаливаемость и
прокаливаемость [15]: максимальная твердость соответствует нагреву в среде, исключающей обезуглероживание. Имеются сведения о межкристаллитной коррозии на деталях после нагрева в соляных ваннах [7].
К недостаткам солей следует отнести плохое смачивание поверхности детали расплавом, окисление поверхности кислородом
воздуха при извлечении из ванны. Оксидная пленка способствует
пригару масла, что ухудшает чистоту обрабатываемой поверхности. Галоидные соли обладают высокой упругостью пара при рабочих температурах, для удаления токсичных паров и газов требуется мощная вытяжная вентиляция. Незначительное количество
влаги, внесенное с деталями в ванну, вызывает выбросы расплавленной соли. Большим недостатком является и высокая стоимость
солей, вследствие чего их применяют только при термической обработке особо ответственных изделий.
Известны два способа использования силикатов [16]: нагрев в
их расплавах и нанесение суспензионных покрытий на изделия
перед нагревом. Важным достоинством первого способа является
возможность использования для многих сталей и сплавов: углеродистых, низколегированных, высоколегированных и легкоокисляющихся металлов в большом температурном интервале
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(до 1600 °С) [3, 16, 17]. В отличие от соляных ванн ванны с силикатным расплавом не реагируют на попадание в них воды. Закалка
погружением в воду или масло изделий с силикатной пленкой не
сопровождается выбросами и разбрызгиванием. Защитное действие расплава и силикатной пленки на металле заключается в интенсивном снижении скорости диффузии кислорода воздуха в поверхность металла, что уменьшает высокотемпературную
коррозию. Пленка защищает поверхность металла от окисления и
при транспортировке, разрушаясь лишь при низких температурах.
Это важно, так как только в процессе деформирования и охлаждения заготовок угар достигает 1 %.
Впервые способ нагрева металла в расплаве силикатов (в бое
оконного стекла) в промышленном масштабе применен фирмой
Fiav Mazzachera (Милан, Италия), которая использовала его для нагрева заготовок из углеродистой стали перед прессованием [18].
Стоимость такого нагрева оказалась в 18 раз ниже по сравнению со
стоимостью нагрева заготовок в соляной ванне. Работы по нагреву в
силикатных расплавах проводились и в других странах [19 – 21].
При использовании силикатных расплавов в качестве безокислительной защитной среды возникают некоторые сложности
[14, 22 – 27]. К их числу относят:
– необходимость использования печей специальной конструкции;
– загрязнение ванны оксидами железа и необходимость ее замены после определенного времени работы;
– трудности использования способа для нагрева крупногабаритных заготовок и деталей.
Расплавы должны обладать определенными физикохимическими и технологическими свойствами. К силикатным расплавам предъявляют следующие требования:
– высокая насыщающая способность при поверхностном упрочнении;
– химическая нейтральность к нагреваемому металлу при термической обработке;
– отсутствие окисления и обезуглероживания;
– минимальное взаимодействие с футеровкой печи;
– отсутствие кристаллизации в рабочем интервале температур,
т. е. при химико-термической и термической обработке;
– плавное изменение вязкости с изменением температуры;
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– обеспечение хорошей смачиваемости и минимальной толщины
пленки на изделии при выгрузке из расплава (не более 0,1…0,3 мм);
– коэффициент теплового расширения и адгезии материала покрытия (расплава) к поверхности изделий при их охлаждении должен обеспечивать быстрое и легкое удаление пленки с поверхности последних;
– расплав не должен ухудшать экологическое состояние внешней среды (в нем не должно быть токсичных летучих компонентов);
– экономичность используемой среды (невысокая стоимость и
недефицитность компонентов, составляющих расплав).
В табл. 1 приведены составы расплавов, которые можно использовать как для безокислительного нагрева при термической обработке, так и в качестве насыщающей среды (при введении соответствующих добавок) для поверхностного упрочнения сталей и сплавов.
Большинству из перечисленных требований удовлетворяют
синтетические шлаки АН-ШТ1 и АН-ШТ2, разработанные в Институте электросварки им. Е.О. Патона. Интервал рабочих температур шлака АН-ШТ1 составляет 900…1100 °С, шлака АН-ШТ2 —
800…900 °С, вязкость в этих интервалах не превышает 8 П.
По приведенным в [26] данным, шлаки хорошо смачивают поверхность различных деталей и спонтанно удаляются при закалке,
легко растворяясь в воде. При обработке в этих шлаках различных
классов сталей (углеродистые, легированные, коррозионностойкие) полностью отсутствует окисленный и обезуглероженный
слой, не происходит обеднения поверхностных слоев металла легирующими элементами. Кроме того, как указывает Е.И. Фрумин
[22], после термической обработки в шлаках улучшаются механические и пластические характеристики. Скорость нагрева в шлаках
при интенсивном перемешивании приближается к нагреву в соли.
Закалочные деформации сопоставимы с таковыми при термической обработке в солевых расплавах.
Однако шлаки имеют и недостатки, к числу которых относят
узкий интервал рабочих температур, не позволяющий использовать их для термической обработки быстрорежущих сталей, и относительно низкий предел насыщения оксидами железа и хрома
(по данным авторов [26], до 4…5 %), не допускающий использование шлаков для термической обработки изделий с окисленной
поверхностью.
8
—
—
203
42
5,0
5,0
—
Σ(Na2O +
+ K2О + Li2О)
—
—
—
—
—
—
—
—
4
—
—
5
2
3
MgO
25,0
18,0
Σ1-5
Σ16
Σ11
—
—
—
25
K2O
291a
291b
87
24
15
20,0
—
Na2O
1П
10C
291a-4-1
269a
18
19
Среда
(расплав)
—
9,3
15,0
—
—
4
18
5
10,4
—
5
5
CaO
5–15
9,0
5,0
—
30
—
—
—
10,0
20
—
—
BaO
10–30
—
10,0
70-85
30
—
—
20
—
10
1
2
B2O3
Массовая доля, %
58
60
44,6
40
72,5
65
SiO2
Прочие
—
—
F 3,5
—
PbO 2,0
ZnO 11
ZnO 43,0,
PbO 2,5,
—
43
TiO2 5,0,
прочие 2,5
—
40
—
PbO 5–10,
5-Feb
—
прочие 1–5
1,5
47,7
F 2,5
1,5
42,2
F 3,5
F 0–8,
2–8 25–50 Σ(Fe2O3 + Cr2O3)
0–1
—
8
1,5
—
1,5
3,0
Al2O3
Химический состав жидких сред (расплавов)
[21]
[17]
[17]
[7]
[7]
[7]
[3]
[3]
[3]
[3]
[7]
[7]
Источник
9
Таблица 1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4,53–
5,6
16,1–
17,0
P-2
P-3
10
Σ32,37
Σ25,70
0,4–0,83
6,21–
6,5
19–22
АН-ШТ2
1
2
—
11,5–
13,5
16,5–
18,5
АН-ШТ1
0,10
0,42
2,13–2,42
—
1,0–2,8
23,5–
27,5
MgO
K2O
Na2O
Среда
(расплав)
6,85
6,52
2,25
1,12–
1,21
—
—
CaO
—
1,9–
2,04
0,34
—
—
BaO
—
—
49,7–
50,32
30,02–
30,7
Остальное
Остальное
B2O3
Массовая доля, %
1,00
2,02
0,18
2,76–
3,05
—
—
Al2O3
58,93
62,22
17,92
37–
37,4
—
—
SiO2
Источник
F 0,8–2,8,
Σ(Fe2O3 + Cr2O3) <
[22]
< 0,5, Li2O 0,12,
ZrO2 1,2–2,8
F 0,8–3,0, Σ(Fe2O3
+ Cr2O3) < 0,5,
[22]
Li2O 3,8–4,4, ZrO2
1,5–2,5
Fe2O3 0,05–0,10,
TiO2 0,04,
[23, 25]
ZnO 0,09
Fe2O3 0,09,
TiO2 0,04,
[23, 25]
ZnO 2,1–2,37
—
[34]
Fe2O3 3,6
[34]
Прочие
Окончание табл. 1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заслуживает внимания предложение М. Харольда [21] использовать в качестве среды под закалку расплавы щелочно-бариеборо-кремниевых силикатов, химический состав которых приведен в табл. 1. Отмечается высокая смачивающая способность,
самопроизвольное отделение шлаковой пленки при охлаждении,
чистота необезуглероженной поверхности после термической обработки в расплавах. Наиболее перспективными, на наш взгляд,
являются многокомпонентные натрий-бор-силикатные расплавы,
составы которых разработаны в Сибирском металлургическом институте авторским коллективом под руководством Д.И. Тараско
для безокислительного нагрева при термической обработке проволоки и удаления окалины с катaнки и тонкого листа из нержавеющих сталей [23, 24]. Однако свойства подобных расплавов исследованы недостаточно, и до настоящего времени не выявлены
возможные области использования расплавов. Изучение строения
и свойств расплавов имеет не только большое практическое, но и
теоретическое значение, позволяет объяснить процессы, происходящие в расплавленных средах.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. ХАРАКТЕРИСТИКА НАТРИЙ-БОР-СИЛИКАТНЫХ
РАСПЛАВОВ. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ
2.1. Физико-химические свойства среды
Эффективность использования жидких сред (расплавов) для
термической и химико-термической обработки сталей определяется их физико-химическими свойствами: вязкостью, электропроводностью, поверхностным натяжением.
От вязкости расплава зависит скорость нагрева металла, толщина образующейся на металле шлаковой (силикатной) пленки,
расход расплава.
Электропроводностью определяется технология электроварки,
выбор конструкции печи, а по некоторым данным [25 – 27], — коррозионные потери, скорость растворения окалины с металла и насыщающая способность элементами из расплавов.
С поверхностными явлениями связаны такие процессы, как отделение от металла шлаковой пленки, адсорбция на границе раздела различных расплавленных фаз, поглощение футеровкой печи
компонентов расплава [28 – 30].
Физико-химические свойства расплавов могут быть определены с использованием известных методов:
– вязкость — измерением на вибрационном вискозиметре;
– электропроводность — с помощью моста переменного тока;
– тепловое расширение — на кварцевом дилатометре типа ДКВ-1;
– показатель преломления — иммерсионным методом на поляризационном микроскопе МИН-8;
– поверхностное натяжение — по максимальному давлению в
газовом пузырьке;
– углы смачивания сталей на воздухе расплавами силикатов —
на установке МНО-2, а в нейтральной атмосфере — на специальной установке.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вязкость, электропроводность, поверхностные свойства
расплавов № 1 и № 30 и влияние на них добавок B2O3, SiO2,
BaO, Na3AlF6, KF, Fe2O3, Cr2O3 (табл. 2) изучены в интервале температур 750 (800)…1250 °C. Химический состав исходных расплавов был следующим (массовая доля, %):
Расплав
SiО2 В2О3 Nа2О K2О Аl2О3 MgO СаО ZnО ВаО
НБС-2 (№ 1) 37,0 30,0 22,1 6,2
2,7
0,8
1,2
—
—
НБС-3 (№ 30) 17,9 50,3 17,1 5,7
—
2,4
2,2
2,4 2,0
В указанном интервале температур вязкость и электропроводность расплавов с коэффициентами корреляции 0,99 и 0,94 описываются соответствующими экспоненциальными уравнениями
E /( RT )
− E /( RT )
и χ = χ0 e χ
), в которых энергия активации
( η = η0e η
вязкости Еη изменяется от 79 до 135 кДж/моль, а энергия активации электропроводности Еχ — от 16 до 31 кДж/моль. Влияние добавок на эти свойства расплавов при 1100 °С показано на рис. 1.
Введение B2O3, ВаО, Na3AlF6, KF, Fe2O3, Cr2O3 приводит к снижению вязкости и, за исключением B2O3, повышает электропроводность, расширяя возможный интервал использования расплавов
для термической обработки сталей. Следует отметить, что оксид
хрома плохо растворяется в натрий-бор-силикатных расплавах и
при добавках более 3 % происходит гетерогенизация расплава, что
затрудняет измерение свойств.
Таблица 2
Количественный состав компонентов с учетом
введенных добавок в расплавы № 1 (НБС-2) и № 30 (НБС-3)
Номера расплавов
1, 2, 3, 4, 5, 6
7, 8, 9, 10
11, 12, 13, 14
15, 16, 17, 18
19, 20, 21
22, 23, 24, 25, 26
27, 28, 29
30, 31, 32, 33, 34
35, 36, 37
Компонент
Массовая доля компонента, %
В2О3
SiО2
ВаО
Nа3АlF6
KF
Fе2О3
Сr 2О3
В2О3
SiО2
30,0; 33,3; 39,0; 43,8; 47,8; 52,9
42,7; 51,5; 54,5; 58,0
4,5; 8,9; 12,8; 16,2
1,8; 4,4; 6,5; 8,6
1,9; 3,8; 5,8
4,8; 9,1; 13,0; 16,7; 20,0
2,0; 3,0; 4,8
50,3; 52,6; 54,7; 60,1; 66,5
25,4; 45,3; 51,7
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Влияние добавок в жидкую среду № 1 на вязкость (а)
и электропроводность (б) при температуре 1100 °С
Такое влияние добавок на свойства расплавов № 1 и № 30 связано с изменением степени полимеризации комплексных анионов
и энергии связи Ме – О при их введении. Отмечен компенсационный эффект в расплавах, выражаемый уравнениями для вязкости:
ln η0 = 0,83 – 0,04Eη и для электропроводности: ln χ0 = 0,24 – 0,02Eχ.
Для электропроводности компенсационный эффект проявляется
менее строго, чем для вязкости, что обусловлено полиионной проводимостью изученных расплавов. Вязкость и электропроводность
расплавов подчиняются уравнению χ n η = С с постоянными значениями n и С для расплавов в широком интервале температур.
Зависимость поверхностного натяжения σ от вводимых добавок
при 900 °С приведена на рис. 2. Добавки Fe2O3, SiO2, ВаО способствуют увеличению поверхностного натяжения, а B2O3, Na3AlF6, KF,
Cr2O3 — его уменьшению (аналогичное действие оказывает повышение температуры). Наблюдаемые изменения качественно коррелируют с соотношением значений энергии связи катионов Меx+
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с анионами О у–, Fz– с учетом различных долей гомео- и гетерополярного взаимодействия. С повышением температуры поверхностное натяжение расплавов, не содержащих Cr2O3, убывает в связи с
ослаблением межчастичных взаимодействий. Температурный коэффициент поверхностного натяжения с ростом количества вводимых добавок изменяется от –0,10 до 0,05 мДж/(м2 ⋅ °С).
Углы смачивания сталей расплавами определяют при натекании
и оттекании. В расплавах без добавок при температуре до 800 °С
гистерезис смачивания значителен, поэтому истинные углы смачивания угол θ измеряют при 900 °С. На рис. 3 показано влияние
добавок в расплав № 1 на углы смачивания стали 12Х18Н10Т при
900 °С. Видно, что наибольшее возрастание угла θ вызывает введение в расплавы SiO2, слабее влияют В2О3 и ВаО, добавки
Na3AlF6 и KF приводят к интенсивному понижению θ.
Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения от количества
вводимых добавок в жидкую среду
№ 1 при температуре 900 °С
Рис. 3. Влияние добавок в жидкую
среду № 1 на углы смачивания
стали 12Х18Н10Т
при температуре 900 °С
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На значение угла θ влияют степень шероховатости, окисленности и состав стали. Угол смачивания уменьшается в ряду сталей
12Х18Н10Т – 20Х13 – Р18 – ШХ15 при переходе от шероховатой к
полированной и окисленной подложке.
Параллельное измерение поверхностного натяжения и истинных углов смачивания позволяет оценить влияние добавок на адгезию WA и межфазное натяжение (рис. 4). Добавки SiO2, В2О3, KF,
Na3AlF6, Cr2O3 повышают межфазное натяжение (σ1 – σ12 уменьшается — см. рис. 4, б) и уменьшают адгезию расплава к стали,
добавки ВаО практически не влияют на данные характеристики.
Введение оксида железа сопровождается интенсивным увеличением адгезии фаз и понижением межфазного натяжения, что свидетельствует об адсорбции оксидов железа на поверхности стали.
Таким образом, по влиянию на интенсивность снижения вязкости добавки можно расположить в ряд Fe2O3В2О3 – ВаО – Na3AlF6.
Рис. 4. Зависимость адгезии (а) и разности натяжений (б)
от добавок в жидкую среду № 1
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Смачиваемость улучшается в ряду сталей 12Х18Н10Т – 20Х13 –
О8Х13 – Р18 – ШХ15 при переходе от шероховатой к полированной
и окисленной подложке и с добавками ВаО, KF, Na3AlF6.
По влиянию на повышение межфазного натяжения и уменьшение адгезии расплава к стали добавки располагаются следующим
образом: SiO2, В2О3, KF, Na3AlF6.
2.2. Технологические свойства среды
К технологическим свойствам жидких сред, используемых при
термической обработке, относят: коррозионную активность расплавов (взаимодействие расплавов со сталями), травящую способность (насыщаемость оксидами железа), отделимость защитной
пленки от поверхности стали при охлаждении, жидкотекучесть
расплавов, чистоту поверхности стальных деталей после обработки в расплавах.
Жидкотекучесть расплавов может быть оценена по выносу
с образцами при температуре 850 и 1250 °С весовым методом. Легкость отделения шлаковой пленки от поверхности металла при охлаждении оценивается визуально. Коррозионную активность расплавов можно определить весовым методом, выдерживая образцы
из стали в течение 10…120 мин при 850, 1100, 1250 °С. Разъедание
стали расплавами фиксируется на профилографе-профилометре
записью профилограммы поверхности до и после обработки.
Обезуглероживание при нагреве в расплавах может быть определено методами фольги и послойного химического анализа, а для
быстрорежущих сталей — методом М2 по ГОСТ 1763–68.
Коррозионную активность расплавов изучают на различных
группах сталей: коррозионно-стойких, быстрорежущих, шарикоподшипниковых и др.
Коррозия определяется термодинамической неустойчивостью металлов в средах, поэтому прежде всего необходимо найти вероятность протекания межфазовых реакций между элементами сталей и основными составляющими расплавов: SiO2,
B2O3, Na2O, K2O.
Взаимодействие элементов сталей Fe, Cr, Ni (cталь
12Х18Н10Т), Fe, Cr (сталь ШХ15), Fe, Cr, W, Мо (сталь Р18) с кислородом энергетически выгодно, о чем свидетельствуют отрица17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельные значения свободных энергий образования оксидов из элементов — табл. 3 [30, 31].
Изобарные потенциалы реакций рассчитывают по значениям
свободных энергий образования оксидов согласно формуле
ΔGT0 (реакции) = ΔGT0 (продуктов реакции) − ΔGT0 (исходных данных). (2.1)
В табл. 4 представлены рассчитанные стандартные значения
изобарных потенциалов следующих реакций:
Me + SiO2 → MeOx + Si
Me + Na2O → MeOx + Na
Me + K2O → MeOx + K
(2.2)
Me + B2O3 → MeOx + B
где МеОх — FeO, Cr2O3, NiO, WO2, MoO2.
Как видно из табл. 4, при температуре опыта для стандартных
условий термодинамически возможны реакции взаимодействия
железа, хрома, молибдена, вольфрама с оксидами натрия и калия и
никеля с K2О (Т = 1500 К).
Следует отметить, что изобарные потенциалы рассчитывались
для чистых веществ (оксидов), реагирующих с металлами, мы же
имеем дело с расплавами, состоящими из этих оксидов. Поэтому
для определения возможности протекания реакции нужно использовать уравнение изотермы химической реакции*
⎛ a′l a′e
⎞
ΔG p,T = RT ⎜ ln La Eb − ln K p ⎟ ,
⎜ a a
⎟
A B
⎝
⎠
(2.3)
где ΔG p,T — изобарный потенциал реакции; ai′ (i = A, B, L, E) —
начальные неравновесные активности компонентов в растворе; ai
(i = A, B, L, E) — равновесные активности компонентов; Kр —
константа равновесия.
*
См. об этом: Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высш.
шк., 1973. 479 с.
18
–192,8
–166,8
FeO
–849,8
–747,6
Cr2O3
–390,6
–333,2
MoO2
–385,1
–319,8
WO2
–681,0
–612,4
SiO2
Оксид
–260,0
–157,0
Na2O
–1001,3
–913,4
B2O3
–184,2
–60,7
K2O
310,6
219,3
311,4
324,8
428,2
Fe
Cr
Mo
W
Ni
SiO2
589,4
433,7
501,5
165,8
412,7
B2O3
49,0
–5,86
–19,2
–276,7
–9,84
Na2O
1500 К
–47,3
–198,4
–211,8
–565,5
–272,9
K2O
Оксид
427,8
326,5
321,1
217,7
326,1
SiO2
575,6
423,6
415,7
151,7
423,2
B2O3
Na2O
118,0
134,8
129,3
–69,9
670,2
1100 К
Изобарные потенциалы ΔGT0 , кДж/моль, реакции взаимодействия элементов сталей,
отнесенных к одному молю кислорода оксидов
Металл
1100
1500
Т, К
Свободные энергии образования оксидов из элементов G, кДж/моль
42,3
–20,9
–22,2
–297,2
201,3
K2O
19
Таблица 4
–141,9
–108,0
NiO
Таблица 3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Активности компонентов для этих систем неизвестны, поэтому в первом приближении можно принять их равными молярным
долям и оценить термодинамическую возможность протекания
реакции.
Если химическая реакция достигла состояния равновесия, то
изобарный потенциал реакции ( ΔG p,T ) равен нулю. В этом случае
⎛ a′l a′e ⎞
RT ln K p = RT ln ⎜ ln La Eb − ⎟ , RT ln K p = ΔGT0 .
⎜ a a
⎟
A B ⎠
⎝
(2.4)
Используя уравнение изотермы химической реакции (2.3) и
считая, что реакция достигла состояния равновесия, т. е. что
ΔG p,T = 0, оценивают равновесные концентрации оксидов металлов, составляющих стали, при Т = 1500 К. Причем для элементов
Na, K, B, Si принимают активности, равные единице. Значения
ΔGT0 для каждой реакции берут из табл. 4. Полученные данные
сводят в табл. 5.
Таблица 5
Равновесные мольные концентрации образования оксидов металлов,
составляющих стали, при взаимодействии с оксидами расплава
Марка
стали
Оксид
металла
12Х18Н10Т
FeO
Cr2O3
NiO
ШХ15
FeO
Cr2O3
Р18
FeO
WO2
MoO2
Равновесная молярная концентрация, % (мол.)
SiO2
B2O3
–5
1,53⋅10
1,96⋅10–7
6,20⋅10–8
2,67⋅10–5
5,68⋅10–6
1,89⋅10–5
1,12⋅10–11
2,34⋅10–12
Na2O
–6
7,11⋅10
1,74⋅10–8
8,92⋅10–9
4,57⋅10–6
1,35⋅10–10
8,52⋅10–6
2,26⋅10–12
4,30⋅10–14
0,34
1,96⋅106
4,34⋅10–4
0,47
1,56⋅104
0,414
5,33⋅10–3
1,01⋅10–3
Из табл. 5 видно, что концентрации оксидов железа, никеля,
вольфрама, молибдена при взаимодействии с оксидами расплава,
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отвечающие равновесному состоянию, минимальные и понижаются в ряду FeO – Cr2O3 – WO2 – MoO2, т. е. с термодинамических позиций процесс окисления маловероятен. Исключение составляет
Cr2O3 при взаимодействии с Na2O, равновесная концентрация
Cr2O3 велика. Полученные данные находятся в соответствии с результатами работ, согласно которым минимальную стойкость в
силикатных расплавах имеет хром, а наиболее вероятными с термодинамических позиций являются реакции взаимодействия металлов с щелочными оксидами.
Термодинамические расчеты показывают, что окисление
сталей расплавами возможно до ничтожных концентраций
(10–13…10–14 %). Однако эти расчеты являются весьма приближенными из-за отсутствия надежных данных по коэффициентам
активности, поэтому необходимо дополнительно изучить взаимодействие сталей 12Х18Н10Т, 20Х13, ШХ15, Р18, Р6М5 с расплавами в интервале температур 850…1250 °С по потерям массы образцов сталей.
Влияние добавок в жидкую среду № 1 на коррозионную стойкость обработанных в ней при 1100 °С сталей показано на рис. 5.
Видно, что добавки ВаО, Na3AlF6, KF способствуют понижению
коррозионных потерь всех без исключения сталей. Наиболее интенсивное снижение потерь вызывают добавки Na3AlF6. Промежуточное положение занимает В2О3 — до 43,75 %. Повышение содержания Cr2O3 до 4,76 % приводит к увеличению потерь. Добавки
Fe2O3 сильно повышают коррозионную активность расплава, коррозионные потери сталей при добавках более 10 % Fe2O3 возрастают в несколько раз (рис. 5, а – д). Это связано с деполяризующим
действием ионов хрома и железа.
На рис. 6 показано влияние времени выдержки в расплавах на
потери сталей при 1100 °С (а, б) и 1250 °С (в), а на рис. 7, 8 соответственно — зависимость потерь и скорости коррозии стали
ШХ15 (наименее стойкой из изучаемых, показавшей наибольшие
потери) от состава расплавов и температуры (1 – 24 — номера расплавов, см. табл. 2). На рис. 6 – 8 видно, что с увеличением температуры и времени выдержки потери стали растут. Это связано с
понижением вязкости расплава и изменением скорости диффузии
ионов металлов и гидроксильных групп.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Влияние добавок в жидкую среду № 1
на коррозионную стойкость обработанных в ней сталей:
а — сталь12Х18Н10Т; б — сталь 20Х13; в — сталь ШХ15;
г — сталь Р18; д — сталь Р6М5
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Влияние времени выдержки в расплавах на потери сталей
при 1100 °С (а, б) и 1250 °С (в):
сталь 12Х18Н10Т;
Рис. 7. Зависимость потерь
стали ШХ15 от состава расплавов
и температуры нагрева
сталь 20Х13;
сталь ШХ15
Рис. 8. Зависимость скорости
коррозии стали ШХ15 от состава
расплавов и температуры нагрева
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На потери сталей вязкость расплавов влияет неоднозначно. На
рис. 9 приведена зависимость между вязкостью расплава с различными добавками и потерями сталей после нагрева при температуре
1100 °С и выдержки в течение 1 ч. Корреляция коррозионных потерь с вязкостью наблюдается при добавках SiO2, В2О3, Fe2O3 и
отсутствует при введении ВаО, Na3AlF6, KF, когда потери уменьшаются вместе со снижением вязкости.
Рис. 9. Зависимость между вязкостью жидкой среды № 1 с добавками
и потерями сталей после нагрева при 1100 °С и выдержке 1 ч:
а — сталь 12Х18Н10Т; б — сталь 20Х13; в — сталь ШХ15;
г — сталь Р18; д — сталь Р6М5
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большим недостатком многих боратных и силикатных шлаков
является крайне низкий допустимый предел насыщаемости оксидами железа и хрома — слабая травящая способность расплавов
[26, 33 – 36]. Потеря травящих свойств при переходе оксидов железа и хрома в расплавы вызвана их кристаллизацией [26], т. е. травящая способность расплавов зависит от их состава и строения.
Оценить растворимость оксидов железа и хрома в расплавах можно по методике [37], основанной на изменении показателя преломления силиката при растворении в нем оксидов железа. Пределы растворимости устанавливают по концентрации оксидов железа,
соответствующей достижению максимального постоянного показателя
преломления. Из приведенных на рис. 10 данных видно, что с ростом
Fe2O3 до 40 % показатели преломления линейно растут и не достигают
постоянного значения даже при максимальном содержании (40 %
Fe2O3).Это говорит о том, что насыщение оксидами железа во всех рассмотренных силикатах еще не достигнуто. При введении Cr2O3 показатель преломления растет лишь при
добавке до 3 % Cr2O3, дальнейшее
повышение содержания Cr2O3 не
влияет на показатель преломления,
что связано с ограниченной растворимостью оксида хрома в расплавах.
Микроструктура силикатов является однородной, мелкозернистой, без видимой кристаллизации
(рис. 11).
Таким образом, все натрий-борсиликатные расплавы обладают
высокой способностью растворять
оксиды железа без видимой кристаллизации. Однако увеличение
времени травления и значительное
ухудшение отделимости пленки
силиката от металла (эти вопросы
Рис. 10. Влияние добавок
), Сr2О3 (
)
Fе2О3 (
будут рассмотрены далее) огранив расплавы на коэффициент
чивают допустимые пределы содерпреломления
жания оксидов железа в расплавах.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№1
×13000
5 % Fe2O3
×2500
15 % Fe2O3
×13000
25 % Fe2O3
×13000
30 % Fe2O3
×13000
5 % Cr2O3
×13000
Рис. 11. Электронно-микроскопические снимки
структуры среды № 1 с добавками Fе2О3 и Сr2О3
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одно из требований, которому должны удовлетворять жидкие
среды, применяемые в качестве защитной среды при термической
и химико-термической обработке, состоит в легком отделении защитной пленки от металла при охлаждении. При этом температура
отделения пленки от металла должна быть ниже температуры, при
которой металл легко окисляется, подвергается коррозии или
обезуглероживается на воздухе.
Доминирующую роль в процессе отделения защитной пленки
играют значения коэффициентов термического расширения силикатов и их разность с коэффициентом термического расширения
металлов (αС – αМе), причем чем больше эта разность, тем выше
отделимость.
Коэффициенты термического расширения при 20…300 °С в зависимости от состава среды приведены на рис. 12. Коэффициенты
термического (линейного) расширения сталей приведены в табл. 6.
Выбор интервала температур 200…300 °С обусловлен тем, что для
большинства натрий-бор-силикатных расплавов при этих температурах происходит разрушение силикатной пленки.
Рис. 12. Влияние добавок в жидкие среды № 1 (а) и № 30 (б)
на коэффициент термического расширения при температуре 20…300 °С
27
111
114
08Х13
104
109
20Х13
170
172
12Х18Н10Т
164
167
10Х17Н13М2Т
Марка cтали
108
114
Р18
114
121
Р6М5
151
155
ШХ15
Таблица 6
458, 448, 440, 432
15, 16, 17, 18 (Na3AlF6 1,8 – 8,6)
28
35, 36, 37 (SiO2 25,4 – 57,7)
30, 31, 32, 33, 34 (B2O3 56,3 – 66,5)
27, 28, 29 (Cr2O3 2,0 – 9,8)
22, 23, 24, 25, 26 (Fe2O3 4,8 – 20,0)
464, 468, 438
459, 449, 412, 397, 351
412, 400, 392
476, 488, 498, 509, 516
458, 453, 434
466, 467, 467, 473
11, 12, 13, 14 (BaO 4,5 – 16,2)
19, 20, 21 (KF 1,9 – 5,8)
460, 450, 445, 436
466, 450, 418, 408, 388, 0
WA, МДж/м2
7, 8, 9, 10 (SiO2 42,7 – 58,0)
1, 2, 3, 4, 5, 6 (B2O3 42,7 – 58,0)
Номера среды (% добавки)
75, 76, 75
69, 75, 77, 81, 85
66, 69, —
66, 71, 80, 80, 77
55, 47, 42
57, 53, 42, 37
61, 58, 56, 53
63, 64, 67, 70
62, 64, 69, 73, 78, 92
(αC – αMe)⋅10–7, 1/°С
70, 65, 65
70, 70, 75, 80, 80
60, 50, 40
60, 55, 30, 10, 5
70, 80, 85
70, 85, 80, 70
65, 70, 70, 70
65, 60, 60, 50
65, 65, 70, 70, 75, 75
Отделимость, %
Taблица 7
Связь между составом, адгезией (WA), разностью в значениях коэффициентов термического расширения
силикатов со сталью 12Х18Н10Т (αC – αMe) и отделимостью силикатной пленки от стали
0 – 200
0 – 300
Т, °С
Коэффициенты линейного расширения сталей (α⋅10 1/°С)
–7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отделимость силикатной пленки от поверхности металла при
охлаждении зависит не только от разности коэффициентов термического расширения силикатов и сталей, но и от механических
свойств пленки и адгезии фаз (табл. 7). В частности, ухудшение
отделимости с введением оксида железа связано с повышением
адгезии и сращиванием фаз.
От жидкотекучести материала зависят толщина пленки, расход
расплава и эффективность его использования. На жидкотекучесть
влияют температура нагрева, вязкость, плотность, поверхностные
и другие свойства расплава, а также химический состав.
Жидкотекучесть оценивается по выносу расплавов в зависимости от их состава и температуры (рис. 13). Добавки ВаО, особенно
В2О3, KF, Na3AlF6, повышают жидкотекучесть, тем самым уменьшая вынос с образцами. Интенсивно возрастает вынос с добавками
SiO2. Добавка до 13 % Fe2O3 снижает вынос, с дальнейшим возрастанием содержания оксида Fe2O3 жидкотекучесть несколько
уменьшается. Как видно из приведенных данных, большое влияние на жидкотекучесть оказывает температура: с ростом последней возрастает и жидкотекучесть. Так, вынос расплава № 1 с образцами при 850 °С — 0,26 г/см2, при 1250 °С — 0,063 г/см2. Эти
данные качественно коррелируют с изменением вязкости и поверхностных свойств расплавов (поверхностного и межфазного
натяжения).
Сравнение жидкотекучести натрий-бор-силикатных расплавов
с данными по выносу шлака АН-ШТ2 и соли при 810 и 870°С после выдержки в течение 10 мин, которые соответственно равны
для шлака 0,060 и 0,040 г/см2 и для соли 0,020 и 0,017 г/см2, показывает, что вынос после нагрева в расплавах с добавками ВаО и
особенно KF, B2O3, Na3AlF6 при 850 °С приближается к выносу в
шлаке и превосходит вынос с солями, т. е. при эксплуатации расплавов при низких температурах (800…900 °С) расход расплавов
будет выше, чем при использовании солей. Однако с ростом температуры расход расплава интенсивно уменьшается и при
950…1000 °С примерно соответствует расходу соли.
Добавки ВаО и особенно Na3AlF6, B2O3, KF повышают жидкотекучесть и тем самым уменьшают расход расплава.
Как известно [26, 37], нагрев в солях сопровождается разъеданием поверхности изделий. При этом коррозия начинается по границам зерен, а затем распространяется вдоль границ.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 13. Влияние добавок в жидкие среды
(а, б — среда № 1; в, г — среда № 30) на вынос с образцами
при температуре 850 °С (а, в) и 1200 °С (б, г)
Профилограммы, снятые с поверхности до и после обработки в
расплавах, показывают, что обработка в расплавах с выдержками
в 10 и 60 мин при 1100 °С не приводит к разъеданию поверхности,
качество поверхности после обработки на всех неокисленных образцах сталей (без окалины) соответствовало качеству до обработки. Добавка 5 % Fe2O3 к расплаву № 1 не повлияла на качество поверхности в отличие от обработки в солях с интенсивным
разрушением поверхности изделий при содержании Fe2O3 менее
1 %. После обработки образцов с окалиной класс чистоты последних повысился почти на два порядка по сравнению с исходными.
Следовательно, применение расплавов для термической обработки
сталей позволяет пересмотреть припуски на механическую обработку в сторону их интенсивного уменьшения. Это особенно важно при повышенных требованиях к сохранению геометрии и чистоты поверхности изделий.
30
30,58
30 – 32
31,25
31 – 33
28,47
28 – 30
1,62
1-1
38,22
(ШХ15)
37 – 39 1 – 2
0,40
1-2
33,86
(12Х18Н10Т) 33 – 35 0,2 – 0,5
1,30
1-3
33,19
(Р18)
32 – 34 1 – 1,5
21,74
21 – 23
22,49
22 – 24
20,15
20 – 22
Na2O
5,23
5–7
5,20
5–7
6,48
6–7
K2O
KF
Na3AlF6
0,06
1,08
1,47
0 – 0,3 1 – 1,5 1,3 – 1,7
4,36
—
—
4–5
2,46
—
—
2,5-3
CaO
2,44
2–3
7,95
7–8
—
3,20
3,00
1,30
3,50
0,50
1,50
31
Потери Вязкость
при
при
BaO
1100 °С, 1100 °С,
П
мг/(см2⋅ч)
П р и м е ч а н и е . Для всех случаев отделимость силикатной пленки при охлаждении (20 °С) равна 100 %.
B2O3
SiO2
Al2O3
Номер среды
(марка стали)
Оптимизированные составы жидкой среды для термической обработки
деталей машиностроения из различных сталей и их некоторые свойства
Таблица 8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение добавок В2О3, ВаО, Na3AlF6, KF в натрий-борсиликатные расплавы позволяет расширить температурный интервал их использования для термической обработки, так как способствует уменьшению разъедающего действия, снижению вязкости,
адгезии и улучшению отделимости пленки от поверхности стали
при охлаждении.
По потерям массы стали, вязкости расплавов и отделимости
силикатной пленки методом планирования эксперимента для каждой группы сталей найдены оптимальные составы расплавов
(табл. 8) с низкой вязкостью (3 П при 1100 °С), малыми потерями
массы (до 0,5 мг/(см2⋅ч) для коррозионно-стойких сталей и менее
1,5 мг/(см2⋅ч) для быстрорежущих, шарикоподшипниковой и других сталей) и произвольной отделимостью пленки от поверхности
стали при охлаждении, позволяющие совмещать нагрев при термической обработке с удалением окалины и химико-термической
обработкой (борированием) стали.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
В НАТРИЙ-БОР-СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВАХ
При использовании расплавов для нагрева при термической
обработке необходимо учитывать некоторые особенности, присущие этим жидким средам.
Установлено, что при нагреве в расплавах перепад температур
по сечению образцов минимален, а скорость нагрева в несколько раз
выше, чем при печном нагреве. Скорости охлаждения образцов сталей с силикатной пленкой и без нее на воздухе отличаются только
при температурах до 200…300 °С, ниже которых вследствие разрушения силикатной пленки образцы охлаждаются с одинаковой скоростью.
Силикатная пленка не мешает закалке при полном ее разрушении или растворении в среде охлаждения. Поэтому при использовании расплавов важно правильно выбрать среду охлаждения.
Для удаления пленки рекомендуется использовать несколько
составов, в том числе растворы 80 % NaOH + 20 % NaNO3 (t =
= 500 °C, τвыд = 30…40 мин); 45 % HCl + 5 % HNO3 + 50 % H2O (t =
= 80…90 °С, τвыд = 30…40 мин); 3 % HF + 7 % HNO3 + 90 % H2O
(t = 50…55 °С, τвыд = 25…30 мин).
Используют раствор 8 % HNO3 + 2 % HF при 60 °С, 15%-ный
раствор KОН при кипячении. При этом время удаления окалины
не превышает, по данным авторов [35, 37], нескольких минут.
Хорошая отделимость силикатной пленки от поверхности образцов из нержавеющих, быстрорежущих и шарикоподшипниковых
сталей была получена при закалке на воду, масло, раствор 8…10 %
HNО3 + 2 % HF + 88…90 % H2O (t = 70 °C, τвыд = 2…3 мин), раствор
50 % KОН + 50 % NaOH (t = 500…550 °С, τвыд = 1…2 мин).
Таким образом, при неполной отделимости шлаковой пленки
от поверхности изделий остатки окалины могут быть удалены механическими методами (обдувка кварцевым песком, металличес33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кой дробью, очистка металлическими щетками), а также в вышеперечисленных растворах.
Известно, что выбор времени нагрева и выдержки при термической обработке в жидком теплоносителе существенно зависит от
коэффициента теплоотдачи и жидкотекучести последнего. По жидкотекучести натрий-бор-силикатные расплавы оказались близкими
к синтетическим шлакам АН-ШТ1 и АН-ШТ2. При проведении
термической обработки различных сталей в расплавах с выдержками, рекомендуемыми для нагрева в шлаках, получены свойства,
удовлетворяющие требованиям соответствующих ГОСТов [39, 40].
Поэтому общее время нагрева под закалку, согласно данным [26],
можно определить по следующим формулам:
при нагреве в электрической ванне
1,1 + 1,3 (2,5 мин + 1/3 мин × 1 мм условной толщины); (3.1)
в шлаковой тигельной ванне с наружным обогревом
1,7 (2,5 мин + 1/3 мин × 1 мм условной толщины).
(3.2)
При использовании расплавов для термической обработки необходимо контролировать насыщаемость их оксидами железа.
Контроль можно осуществлять с помощью химического анализа
состава или методом измерения электропроводности (см. гл. 2).
Механические характеристики образцов нержавеющих сталей
после термической обработки в расплавах приведены в табл. 9.
Как видно из табл. 9, механические свойства образцов всех
сталей полностью соответствуют требованиям ГОСТ 7350–77, при
этом пластические характеристики даже на 10…20 % выше, чем
для образцов сталей, обработанных с нагревом в печной (воздушной) атмосфере.
Для определения стойкости сталей против межкристаллитной
коррозии из сталей 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т вырезали образцы
размерами 3×20×80 мм, которые подвергали термической обработке
в расплавах при обычном и ужесточенном режимах (с выдержками
в течение 1, 2 и 4 ч при температуре аустенитизации). Исследование
стойкости против межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032–75
методом АМ24 после провоцирующего нагрева при 650 °С с часовой выдержкой и кипячения в растворе сернокислой меди с медной
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стружкой в течение 48 ч показало, что во всех случаях, в том числе
для образцов, термически обработанных при ужесточенных режимах, при угле загиба более 90° трещины отсутствуют.
Таблица 9
Влияние способа нагрева на свойства коррозионно-стойких сталей
Марка стали
Термическая
обработка
08Х13
Закалка в воду
при 1000 °С,
25 мин, отпуск
при 700 °С, 60 мин
20Х13
Закалка в воду
при 1020 °С,
25 мин, отпуск
при 700 °С, 60 мин
12Х18Н10Т
Закалка в воду
при 1050 °С,
25 мин
10Х17Н13М2Т
Закалка в воду
при 1080 °С,
25 мин
σв ,
МПа
σ0,2,
МПа
δ,
%
ϕ,
%
KСU,
Дж/см2
470
310 22 53
60
500
390 26 59
110
Параметры по ГОСТ 7350–77,
не менее
422
294 23 —
—
550
400 24 61
70
540
450 29 58
90
Параметры по ГОСТ 7350–77,
не менее
509
372 20 —
—
620
350 51 64
200
670
410 58 70
220
Параметры по ГОСТ 7350–77,
не менее
534
238 38 —
—
600
360 53 60
120
670
400 50 69
180
Параметры по ГОСТ 7350–77,
не менее
530
236 37 —
—
П р и м е ч а н и е . В верхней строке — нагрев в печной атмосфере,
в нижней — в расплаве.
Термической обработке с нагревом в оптимизированных составах расплавов были подвергнуты изделия из сталей ШХ15 (шарики
100 шт., кольца 40 шт.), Р18 (сверла 40 шт.) и Р6М5 (сверла 30 шт.).
Характеристика изделий, режимы термической обработки, требования к изделиям и полученные результаты приведены в табл. 10.
35
36
ШХ15
ШХ15
Марка
стали
0,0438
0,0520
19,3
47,20
0,0399
0,0339
17,71
33,45
0,0199
16,92
0,0310
0,0022
8,15
28,45
Масса,
кг
Диаметр,
мм
Характеристика изделий
То же
Кольца
2. Отпуск
при 150…160 °С,
охлаждение
на воздухе 2 ч
1. Закалка
при 840…850 °С,
охлаждение в масло
10
20
20
40
Количество
обработанных
изделий, шт.
Шарики
Режим
термической
обработки
61 – 64
62 – 65
Технические
требования
(HRC)
63,5
63
63
64
64 – 65
64 – 64,5
Твердость,
НRС
Твердость изделий после термической обработки в оптимизированных составах расплавов
Таблица 10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р6М5
Р18
Марка
стали
5
4
5
4
3
Диаметр,
мм
—
—
—
Масса,
кг
Характеристика изделий
Сверла
2. Трехкратный
отпуск при 560 °С,
охлаждение
на воздухе 1 ч
1. Закалка
при 1220 °С,
охлаждение в масло
2. Трехкратный
отпуск при 560 °С,
охлаждение
на воздухе 1 ч
1. Закалка
при 1270 °С,
охлаждение в масло
Режим
термической
обработки
10
20
10
10
20
Количество
обработанных
изделий, шт.
63
62
Технические
требования
(HRC)
63
63
62
Твердость,
НRС
37
Окончание табл. 10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нагрев под закалку сверл из быстрорежущих сталей велся с
одним подогревом (t = 800 °С) в расплаве № 1-3. Отпуск изделий
проводился в соляной ванне состава:10 % NaNO3 + 50 % KNO3 +
+ 40 % NaNO2 для стали ШХ15 и 55 % KNO3 + 42 % NaNO2 + 3 %
NaNO3 для быстрорежущих сталей. Прежде всего определяли
красностойкость, характеризующую устойчивость структуры, полученной после термической обработки, против снижения твердости при последующем нагреве. Красностойкость быстрорежущих
сталей Р6М5 и Р18, полученная после испытаний в соответствии с
ГОСТ 19265–73 и по методу, предложенному Е.А. Смольниковым
[38], приведена в табл. 11.
Таблица 11
Красностойкость сталей Р6М5 и Р18 после нагрева в различных режимах
Режим нагрева
Сталь
Р6М5
P18
Температура, °С
Время
выдержки, ч
620
4,0
675
0,5
620
4,0
675
0,5
Твердость,
HRC
59
60
Из приведенных в табл. 11 данных следует, что красностойкость сталей Р6М5 и Р18 после термической обработки с нагревом
в расплавах соответствует требованиям ГОСТ 19265–73.
На поверхностях изделий из стали ШХ15 полностью отсутствуют окисление и обезуглероживание, при этом твердость является высокой и стабильной.
Режущая стойкость сверл, термически обработанных с нагревом в расплавах и в соляной ванне с хлористым барием, определялась в соответствии с ГОСТ 2034–64 по заготовкам из стали 45
с твердостью HB 220. В качестве охлаждающе-смазывающей жидкости применяли 5%-ный раствор эмульсола в воде. Режимы сверления и число просверленных отверстий (глубина сверления равнялась трем диаметрам сверла) приведены в табл. 12.
38
*
5
4
5
4
3
5
3
Диаметр
сверла,
мм
Расплав № 1-6
Расплав № 1-5
Расплав № 1-4
Расплав № 1-3
Хлорбариевая соль
Расплав № 1-3
Хлорбариевая соль
Среда, в которой
проводилась
термическая
обработка
5
10
7
5
15
10
5
10
Число
сверл,
шт.
0,18
Ручная
0,16
Ручная
Подача,
мм/об
28
24
83*
80*
62
95*
101*
94*
28
90*
32
98*
98*
30
24
68
70
39
Число просверленных
отверстий
до затупления
режущей кромки, шт.
25
30
Скорость
резания,
м/мин
Состояние режущих кромок допускает дальнейшее использование сверл.
Р6М5
Р18
Марка
стали
Режимы сверления и число просверленных отверстий в зависимости от вида обработки
Таблица 12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1,5
D1 = 72
D2 = 45
h = 68
D1 = 16
l = 72
h = 3l =
= 25
Гайка
(40Х)
Палец
(30ХГСА)
Хомутик
(65Г)
40
1,1
D1 = 63
D2 = 37
h = 77
Втулка
(40Х)
0,002
0,11
Масса,
кг
Размеры,
мм
Название
детали
(марка стали)
Закалка 30 мин при 880 °С,
охлаждение в масло, отпуск
1 ч при 480 °С, охлаждение
на воздухе
Закалка 30 мин при 890 °С,
охлаждение в воду, отпуск
1 ч при 480 °С, охлаждение
на воздухе
Закалка 20 мин при 900 °С,
охлаждение в масло, отпуск
40 мин при 480 °С,
охлаждение на воздухе
Закалка 5 мин при 940 °С,
охлаждение в масло, отпуск
30 мин при 440 °С,
охлаждение на воздухе
Режим
термической
обработки
НV
380 – 440
34 – 39
35 – 39
32 – 37
Технические
требования
(НRС)
100
20
10
15
Число
обработанных деталей, шт.
Номенклатура деталей, подвергнутых термической
обработке с нагревом в расплавах № 1-1 и 1-3, и их свойства
HV
410 – 430
36 – 38
37 – 39
33 – 36
Твердость,
НRС
Таблица 13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как видно из табл. 12, режущая стойкость сверл из сталей Р18
и Р6М5 после термической обработки с нагревом в расплавах в
1,2 – 1,3 раза выше, чем после обработки в хлорбариевой ванне.
Номенклатура, требования и свойства деталей из сталей 40Х,
30ХГСА, 65Г, подвергнутых термической обработке с нагревом в
расплавах, приведены в табл. 13.
Из табл. 13 видно, что твердость деталей соответствует техническим требованиям, при этом полностью отсутствуют следы
окисления, поверхность деталей светлая и чистая.
В общем виде процесс термической обработки при нагреве в
расплавах состоит из следующих операций:
1) нагрев изделий до необходимых температур, предусматриваемых соответствующими ГОСТами;
2) охлаждение на воздухе, в масле, в воде или других средах;
3) промывка в горячей воде с содой или мылом при охлаждении в масле;
4) в случае неполного отделения шлаковой пленки — механическое удаление или удаление в растворах 8…10 % HNO3 или 8 %
HNO3 + 2 % HF при 60…80 °С с выдержкой 3…5 мин (пассивация);
5) промывка в горячей воде;
6) отпуск при температуре, обеспечивающей твердость;
7) контроль.
При проведении химико-термической обработки (борирования
или боромеднения) с использованием расплавов последовательность операций технологического процесса остается неизменной.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Окисление и обезуглероживание стали / А.И. Ващенко, А.Г. Зеньковский, А.Е. Лифшиц, Л.Л. Шульц. М.: Металлургия, 1972. 336 с.
2. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия,
1969. 749 с.
3. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Кузелев М.Я. Безокислительный и
малоокислительный нагрев стали под обработку давлением. М.: Машиностроение, 1968. 270 с.
4. Гутман М.Б., Мальтер В.Л., Гвоздик В.П. Электрические печи с
нагревом в кипящем слое // Электротермия. 1968. № 73–74. С. 5–8.
5. Петров Н.П., Трошкин И.Т., Веселов Б.П. Термическая обработка
сталей в контролируемых атмосферах. М.: Машиностроение, 1969. 151 с.
6. Нилов А.А., Баланаева Н.А. Взаимодействие контролируемых атмосфер с жаропрочными сплавами и сталями и влияние их на свойства
сплавов // Металловедение и терм. обработка. 1966. Вып. IV. C. 130–138.
7. Солнцев С.С., Туманов А.Т. Защитные покрытия металлов при нагреве. М.: Машиностроение, 1976. 240 с.
8. Есенберлин Р.Е. Использование треххлористого бора для безокислительного нагрева металлов и сплавов // МиТОМ. 1968. № 10. С. 57–59.
9. Афонский И.Ф., Крошкин А.А. Соляные ванны для термической обработки. Л.; М.; Свердловск: ОНТИ Госметаллургиздат, 1934. 68 с.
10. Смольников Е.А., Жданова Ф.И. Соляные ванны для термической
обработки изделий. М.: Машгиз, 1963. 123 с.
11. Смольников Е.А., Сарманова Л.М. Ректификация соляных ванн
при закалке молибденовых и молибденокобальтовых быстрорежущих
сталей // МиТОМ. 1975. № 1. С. 35–38.
12. Пат. 930400 Англия. Rectification of molten salt bath / Heweon R.G.
Заявл. 17.05.61; Кл. 28 (С 21d).
13. Гуляев А.П., Якушев С.П. Об образовании трещин при термической обработке инструмента // Станки и инструмент. 1951. № 8. С. 26–27.
14. Обезуглероживание в расплавах солей / М.П. Браун, Е.И. Фрумин,
Н.К. Бизик, А.П. Жудра // МиТОМ. 1971. № 12. С. 10–12.
15. Геллер Ю.А., Бусурина И.А. Повышение стабильности размеров
инструмента и деталей путем термообработки // Станки и инструмент.
1966. № 2. С. 33–34.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. Гущина И.И. Безокислительный нагрев сталей и сплавов в стекле
// Кузнечно-штамповочн. пр-во. 1965. № 4. С. 39–42.
17. Гущина И.И., Шадек Е.Г. Разработка и исследование специальных
составов стекла для нагрева заготовок // Кузнечно-штамповочн. пр-во.
1966. № 9. С. 34–37.
18. Balestra O. Glass baths for heating steel extrusion billets // Metall
Progress. 1957. Vol. 71, No 1. P. 109–112.
19. Пат. 1234482 ФРГ. Verfahren sur Reinigung von Metalloberflachen
/ Meyer F.R., Kyri H. Заявл. 08.04.1961; Кл 48d 2 – 1/28 (с 23g).
20. Пат. 1107478 ФРГ. Verfahren sum Entzundern und span iosen Warmverformen von Blocken, Strangguberzeugnissen oder Halbzeug ans Eisen oder
Stahl in einem Arbeitsgang / Krainer H. Заявл. 25.08.1955; кл. 48d 2/01 (с 23g).
21. Пат. 3,158,515 США. Metal Treatment in molten alkali- barium-borosilicate glass and composition / Harold M. Заявл. 24.09.1964.
22. Фрумин Е.И. Нагрев стали в синтетических шлаках. Киев: Техника, 1973. 130 с.
23. Расплав для очистки поверхности стальных изделий от окалины /
Д.И. Тараско, В.А. Голомазов, Н.П. Махалова и др. А.c. № 602608 СССР,
1974 // Откр., изобр., промышл. образцы. Товарные знаки. 1978. № 14.
С. 105.
24. Влияние нагрева в расплавленных стекломассах на обезуглероживание сталей / Д.И. Тараско, Л.В. Вершинина, Н.В. Дадочкин и др. // Изв.
вузов. Черная металлургия. 1968. № 4. С. 120–121.
25. Помельникова А.С. Термическая обработка стали в натрий-борсиликатных расплавах: Дис. … канд. техн. наук. Новокузнецк, 1979. 221 с.
26. Смольников Е.А., Сарманова Л.М. Исследование технологических
свойств расплавленного шлака АН-ШТ2 // МиТОМ. 1971. № 12. С. 2–6.
27. Мусихин В.И., Кудряшов В.Н. Вязкость и электропроводность
жидких боратов лития, калия, магния, бария // Строение и свойства металлургических расплавов // Тр. Ин-та металлургии УНЦ АН СССР.
Свердловск, 1974. С. 91–96.
28. Эйтель В. Физическая химия силикатов: Пер. с англ. М.: Изд-во
иностр. лит. 1962. 360 с.
29. Gehlhoff G.G., Jhomas M. Die physikalishen Eigenschaften der
Gläser us w. Zeits-chrift für technische // Physik. 1926. Nr. 6. S. 260–278.
30. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1969. 252 с.
31. Термические константы веществ / Под ред. В.П. Глушко. Вып. IV.
Ч. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1970. 509 с.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических
процессов: В 2 ч. М.: Металлургия, 1962. Ч. 1. 671 с.; Ч. 2. 703 с.
33. Коррозионные свойства натрий-бор-силикатных расплавов для
нагрева сталей / А.А. Плышевский, Д.И. Тараско, А.А. Говоров, А.С. Помельникова // Изв. вузов. Черная металлургия. 1978. № 8. С. 112–115.
34. О взаимодействии боросиликатных расплавов с некоторыми
металлами и окислами / Г.И. Беляев, Н.Ф. Смакота, П.Г. Вербицкий,
Ю.Д. Баринов // Поверхностные явления в расплавах и процессах порошковой металлургии. Киев: Наук. думка, 1962. С. 262–272.
35. Mayer P., Jopping J.A., Murthy M.K. Correlation between thermal expansion of glass and glass-to-metal adherence // J. Canad. Ceram. Soc. 1974.
Vol. 43–46.
36. Структура и свойства натрий-бор-силикатных расплавов / А.С. Помельникова, А.А. Плышевский, Д.И. Тараско, Л.А. Стародубцева // Физ.
химия ионных расплавов. Тр. IX Всесоюз. конф. по физ. химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов. Свердловск, 1987.
Т. 1. С. 203–204.
37. Фрумин Е.И., Бизик Н.К., Махненко В.Н. Свойства расплавленного
синтетического шлака, применяемого для нагрева стали // МиТОМ. 1971.
№ 12. С. 7–10.
38. Смольников Е.А., Орестова Л.М. Красностойкость быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1975. № 6. С. 13–17.
39. Помельникова А.С., Тараско Д.И., Говоров А.А. Влияние нагрева в
натрий-бор-силикатных расплавах на структуру и свойства сталей //
Структура и прочность металлических материалов в широком диапазоне
температур: Тр.VIII науч.-техн. совещ. М., 1978. С. 104.
40. Помельникова А.С., Перетятько В.Н., Помельников Г.А. Совершенствование процесса изготовления и термической обработки изделий
специального назначения // Динамические и технологические проблемы
механики конструкций и сплошных сред: Мат. ХI Международ. симп. М.,
2005. С. 112–113.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................................................... 3
1. Сведения о безокислительных и травящих средах для нагрева
при термической обработке..................................................................... 4
2. Характеристика натрий-бор-силикатных расплавов.
Физико-химические и технологические свойства среды....................... 12
2.1. Физико-химические свойства среды .............................................. 12
2.2. Технологические свойства среды ................................................... 17
3. Термическая обработка в натрий-бор-силикатных расплавах................ 33
Список литературы .................................................................................... 42
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Помельникова Алла Сергеевна
Герасимов Сергей Алексеевич
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В НАТРИЙ-БОР-СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВАХ
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор Р.В. Царева
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой
Подписано в печать 20.11.2007. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 2,73. Уч.-изд. л. 2,09. Изд. № 9.
Тираж 100 экз. Заказ
.
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
48
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа