20.01.2015

Oхлаждающая способность сред в большой мере определяется тем, изменяется или не изменяется их агрегатное состояние в процессе охлаждения изделий.
В зависимости от температуры кипения охлаждающие среды разделяют на две группы. Первая группа — это среды, агрегатное состояние которых изменяется в период охлаждения. К ней относится вода, водные растворы солей, щелочи, жидкий азот, а также масла, водные растворы эмульсин и т. п., температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого изделия. Ко второй группе относятся среды, агрегатное состояние которых не изменяется в процессе охлаждения изделий. Их температура кипения превышает температуру охлаждающихся изделий. Это расплавленные металлы, соли, щелочи и их смеси. К этой же группе следует отнести воздух и гелий, также не меняющие своего агрегатного состояния.
В зависимости от охлаждающей способности сред их делят на три группы:
1. Сильнодействующие охладители: растворы в воде 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10—15% NaOH и вода при 15—30° С, в особенности при интенсивном движении, жидкий азот, гелий.
2. Среднедействующие охладители: расплавленные соли, щелочи и металлы, растительные и минеральные масла, мазут, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и т.п.
3. Слабодействующие охладители: струн сухого воздуха и паровоздушных смесей, вода при 80—90° С, мыльная вода и др.
Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. На скорость охлаждения в рассматриваемом охладителе влияют количество охладителя и гидродинамический режим его движения.
При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения наблюдаются следующие процессы. В первоначальный момент из-за повышенного парообразования все изделие покрывается паровой пленкой, которая устойчиво держится на поверхности металла. Она - плохой проводник тепла, и поэтому охлаждение на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, замедленно.
По мере понижения температуры изделия количество выделяющегося тепла становится недостаточным поддержания па поверхности сплошной паровой пленки Разрушение паровой пленки приводит к тому, что поверхность изделия начинает соприкасаться с охлаждающей жидкостью. При этом интенсивно образуются пузырьки пара, а интенсивность охлаждения резко возрастает, так как на образование пузырьков пара, быстро отрывающихся от поверхности, расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается до температуры кипения охлаждающем среды. Соответствующий период охлаждения носит название пузырькового кипения
При последующем охлаждении парообразование практически не наблюдается, и тепло передается конвекцией от поверхности изделия к охлаждающей среде. Интенсивность теплообмена в третьем периоде невелика, и соответственно малы скорости охлаждения.
Требования к идеальной охлаждающей среде при закалке состоят в том, что она должна обеспечивать охлаждение со скоростями выше критических в некоторой области температур. При более низких температурах скорость охлаждения не должна быть высокой, так как это приводит к возникновению больших остаточных напряжений и короблению изделий. Так, например, при закалке алюминиевых сплавов необходимы высокие скорости охлаждения при температурах 500—300° С для фиксации пересыщенного твердого раствора. Oxлаждение же в интервале температур 200—20° С желательно проводить со значительно меньшей интенсивностью для уменьшения остаточных напряжений.
Охлаждение в воде. Для оценки охлаждающей способности сред по экспериментальным данным строят зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности изделия Как уже отмечалось ранее, охлаждающая способность зависит и от условии движения жидкости относительно поверхности изделия.
На рис. 1 приведены значения коэффициентов теплоотдачи для спокойной и циркулирующей воды. Видно, что в зависимости от температуры коэффициенты теплоотдачи изменяются пи кривым с максимумом. При высоких температурах коэффициенты α имеют небольшие значения, что соответствует пленочному режиму кипения. По мере развития пузырькового кипения коэффициенты α резко возрастают, а затем снижаются при таких температурах поверхности при переходе к конвективному теплообмену.
Охлаждающие среды

Кривые зависимости коэффициентов теплоотдачи α от температуры поверхности не дают однозначного представления о скоростях охлаждения при различных температурах, так как количество отводимого от изделия тепла пропорционально α и перепаду температур tп-tводы. Скорость охлаждения для «тонких» в термическом смысле тел определяется формулой
Охлаждающие среды

где с и ρ — удельная теплоемкость и плотность металла соответственно; V — объем охлаждаемого тела
Из уравнения (I) следует, что для оценки охлаждающей способности среды можно использовать параметр k=α(tп-tводы), который при заданных физических свойствах металла и размерах изделия однозначно определяет скорости охлаждения. На рис. 2 приведены зависимости параметра k от температуры поверхности построенные по данным рис. 1.
Как видно из данных рис. 2. скорости охлаждения изделий в воде в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности также изменяются по кривой с максимумом. При температуре воды 20°С этот максимум находится в области температур поверхности 200-300°С. С повышением температуры воды скорости охлаждения снижаются, а максимум смещается в область более низких температур поверхности. Следует отметить, что в области температур поверхности 100-200°С скорости охлаждения при применении воды с повышенной температурой больше, чем для воды с температурой 20°С. Повышение скоростей охлаждения в области низких температур приводит к увеличению остаточных напряжении, и поэтому перегрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25-45° С. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения в области высоких температур.
Охлаждающие среды

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Исследования показали, что даже незначительное количество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Установлено, что это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки на поверхности охлаждаемого изделия. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки. Это свойство воды было использовано для разработки закалочных сред с высокой и пониженной охлаждающей способностью.
Повышение охлаждающей способности воды достигается растворением в ней кислот, щелочей и солей. Такие хорошо растворимые соединения, как KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, К2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, КОН, снижают устойчивость паровой пленки и повышают температуру перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому.
Наоборот, присадка нерастворимых и слаборастворимых веществ, образующих в воде эмульсию (масла, жиры, нефтепродукты, мыла и др.), увеличивает стабильность паровой пленки и понижает температуру смены режимов кипения. Охлаждающая способность воды с присадкой этих веществ в области высоких температур существенно понижается.
В практике термической обработки широкое применение нашли водные растворы 5—15% NaCl Они обладают большей по сравнению с водой охлаждающей способностью при повышенных температурах, а при температурах ниже 200—250° С охлаждают примерно с тон же скоростью, что и вода.
Меньшее применение нашли растворы щелочей, которые по охлаждающей способности аналогичны растворам NaCl Растворы кислот не используют в качестве закалочных сред из-за их агрессивности и выделения при закалке вредных паров. Суспензии и эмульсии характеризуются пониженной скоростью охлаждения при высоких и средних температурах, а при низких — охлаждают так же, как чистая вода.
На рис. 3 приведены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности для различных растворов и эмульсий позволяющие по лучить количественные характеристики их охлаждающей способности.
Охлаждающие среды

В последнее время в качестве закалочных сред начинают применять водные растворы полимерок, обеспечивающие пониженную скорость охлаждения при закалке и соответственно меньшее коробление. В зарубежной практике используют водные растворы полиалкиленгликоля, а в нашей стране водное растворы полиэтиленгликоля. При температурах выше 70—77° С эти вещества нерастворимы в воде, и поэтому при закалочном охлаждении молекулы полимере в покрывают поверхность изделия тонкой пленкой, которая замедляет охлаждение. При достаточно низких температурах полимерная пленка переходит в водный раствор и затормаживающее действие пленки устраняется Поэтому при закалке в водных растворах полимеров нет того колоссального различия в скоростях охлаждения в интервале высоких, средних и низких температур, которое свойственно воде.
Вязкость раствора, в значительной мере определяющая его охлаждающую способность, зависит от концентрации полимера. Так, изменение концентрации полиэтиленгликоля от 30 до 70% увеличивает кинематическую вязкость раствора почти в 30 раз, что позволяет осуществлять резкую закалку в растворах малой концентрации и закалку с умеренной скоростью охлаждения в растворах высокой концентрации (рис. 4).
Охлаждающие среды

При закалке алюминиевых сплавов в растворах полиэтиленгликоля с концентрацией выше 50% коробление может быть уменьшено на 85 95%. При этом существенно не снижаются механические свойства и коррозионная стойкость сплавов Наиболее целесообразно использовать эти среды в условиях машиностроительных заводов, где часто возникает необходимость проведения повторных закалок.
Охлаждение в маслах. В настоящее время для закалки применяют исключительно дистиллятные минеральные масла. Температуры кипения масел на 150-300° С выше, чем воды. Максимально допустимую температуру перегрева масел выбирают на 25—30° С ниже температуры вспышки. По сравнению с водой масла характеризуются значительно более низкой охлаждающей способностью особенно на стадии конвективного теплообмена. Скорости охлаждения в масле при повышенных температурах в 5-8 раз меньше, чем при охлаждении в воде.
Охлаждающая способность масел слабо зависит от их циркуляции и температуры, в тех пределах, которые встречаются на практике (25—65° С).
Для проведения закалочных операций в практике термообработки применяют масла с пониженной, нормальной, повышенной и высокой вязкостью. Чаще всего используют масла марок 20 и 20В, имеющие нормальную вязкость.
Масла пониженной вязкости обладают более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами повышенной и высокой вязкости и имеют низкую температуру вспышки. Масла повышенной и высоком вязкости имеют высокую температуру вспышки, что позволяет подогревать их до 160—200° С для снижения вязкости. Их используют для изотермической и ступенчатой закалки.
Недостаток минеральных масел — их старение, приводящее к загустеванию и потере охлаждающей способности. Состаренное масло подвергают регенерации, состоящей из отстаивания, фильтрации от загрязнений и добавки некоторого количества свежего масла.
Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Для ступенчатой и изотермической закалки используют охлаждающие среды, которые при проведении термообработки не меняют своего агрегатного состояния К ним относятся расплавленные свинец, азотнокислые соли и щелочи.
Расплавленный свинец удовлетворяет предъявляемым с теплотехнической точки зрения требованиям, но дефицитен, а испарения его вредны для обслуживающего персонала. Поэтому свинец заменяют другими средами.
Расплавленные соли и щелочи и их смеси имею ряд преимуществ перед свинцом. Во-первых, они легко отмываются с поверхности изделий. Поверхность после закалки в щелочах не окислена, что позволяет обожгись без операции очистки деталей после термической обработки. Во-вторых, использование соляных и щелочных ванн позволяет осуществить внутренний электрический обогрев, легко автоматизировать регулирование температуры и просто решать проблемы перемешивания расплава. Исследования показывают, что охлаждающая способность соляных и щелочных сред несколько нише, чем у свинца. Однако при работе со щелочными средами следует принимать меры предосторожности против ожогов от брызг.
Составы смесей, рекомендуемых в качестве закалочных сред, приведены в табл. 3.
Охлаждающие среды

Охлаждающая способность расплавленных сред зависит от вязкости: чем ниже вязкость, тем выше охлаждающая способность. С увеличением температуры расплава и соответствующим уменьшением вязкости коэффициенты теплоотдачи возрастают, достигают максимума, а затем падают (рис. 5).
Добавки воды сильно влияют на охлаждающую способность солей и щелочей. Вода повышает жидко-текучесть и увеличивает охлаждающую способность расплавленной среды. С этой целью в расплавы солей вводят 2-10%, а в расплавы щелочей 8-15% воды.
Охлаждающие среды

После закалки в расплавам щелочей изделия необходимо тщательно промывать и пассивировать для предотвращения коррозии
Охлаждение на воздухе. При охлаждении на воздухе тепло передается излучением и конвекцией и коэффициент теплоотдачи α складывается из конвективной αк и лучистой αл составляющих.
При охлаждении в спокойной воздушной среде для определения αк используют следующие формулы:
Охлаждающие среды

где Δr=tп-tвозд — разность средней температуры поверхности изделия и температуры воздуха; l — характерный размер, м, принимается для шара и горизонтального цилиндра (трубы) равным их диаметру; для вертикального цилиндра и вертикальной пластины — высоте охлаждаемого участка, для горизонтальной плиты — ее наименьшей длине.
Для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вверх, значения αк увеличиваются на 30%, а для плиты, обращенной поверхностью теплообмена вниз, уменьшаются на 30% по сравнению с вычисленными по формулам (2) и (3).
Значения коэффициентов В, А1, и А2 определяются в зависимости от средней температуры t=1/2(tп+tвозд) и приведены в табл. 4.
Охлаждающие среды

Интенсивность конвективного теплообмене при вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движения газа, его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждаемых изделий.
Для вынужденного движения поверхности αк определяется по формулам Юргеса:
а) при скорости движения воздуха w0≤4,65 м/c:
для полированной поверхности
Охлаждающие среды

при прокатанной поверхности
Охлаждающие среды

для шероховатой поверхности
Охлаждающие среды

б) при скорости движения газов w0≥4,65 м/с:
для полированной поверхности
Охлаждающие среды

для прокатанной поверхности
Охлаждающие среды

для шероховатой поверхности
Охлаждающие среды

Здесь W0 - приведенная (0°С; 0,1 мПа) скорость движения воздуха. Если известна скорость движения w при температуре t, то
Охлаждающие среды

При проведении термической обработки часто требуется охлаждение с регламентированной скоростью. Поэтому возникает необходимость расчета процессов охлаждения, которое может проводиться в любой из описанных выше сред.
Расчет процессов охлаждения в различных условиях в принципе ничем не отличается от расчета процессов нагрева. Просто в формулах, приведенных в литературе по теплопередаче, вместо температуры печи t1, необходимо подставить значение температуры охлаждающей среди Для расчета охлаждения массивных тел, например, можно использовать графики Д. В Будрина и т.п.