СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
THERMAL TREATMENT METHOD OF METAL PRODUCTS

Изобретение относится к способам термической обработки и может быть использовано в производстве мелкоштучных и длинномерных изделий, в частности для закалки рельсов.
Известен способ закалки с охлаждением изделий в масляной ванне с температурой 20-70°С [1]. Недостатком этого способа является огнеопасность среды и вредное воздействие на рабочий персонал. При введении металлического изделия в масляную ванну и при извлечении из ванны наблюдается возгорание масла при контакте с воздушной средой, в результате изделия покрываются масляным нагаром в виде сажи. Кроме этого при нагревании масел происходят превращения его в другие химические соединения. Свойства вновь образующихся веществ существенно отличны от свойств применяемого масла и, следовательно, меняются охлаждающие свойства закалочной среды. Дополнительным недостатком известного способа является огнеопасность и вредное воздействие на человека.
Полученный закалочный слой (сорбит закалки) имеет небольшую глубину, всего 2-3 мм.
Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки, в котором охлаждение изделий происходит в водных растворах сополимера метаакриловой кислоты с акрилонитрилом, 2-3% [2].
Недостатки этого способа заключаются в использовании для закалки органических соединений, которые испаряются при нагревании, что приводит к загазованности цехов органическими веществами. Наблюдается горение органических веществ на поверхности металла и разложение сложных органических веществ с образованием новых соединений, которые обладают различной теплоемкостью и теплопроводностью, что приводит к неравномерному структурному изменению изделия. Кроме этого органические вещества в атмосфере вредят здоровью человека. При разложении акрилонитрила наблюдается выделение очень опасных веществ оксидов азота.
Задача, решаемая изобретением, состоит в исключении вредного воздействия на окружающую среду и повышении качества термообработанных изделий.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в оптимизации состава закалочной среды, снижении трещинообразования, повышении сопротивления хрупкому и усталостному разрушению изделий, исключении вредного воздействия на окружающую среду.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата способ включает нагрев, выдержку и охлаждение изделий, в качестве охлаждающей среды применяют воду структурированную с приложением к воде и закаливаемому изделию ультразвуковых колебаний с частотой 18-21 кГц.
Охлаждение поверхности рельса структурированной водой в ультразвуковом поле упрочняет закаливаемое изделие. Ультразвуковое поле одновременно способствует "сдиранию паровой рубашки" и непосредственному контакту поверхности рельса с охлаждающей структурированной жидкостью. Продолжительность закалки составляет 5 минут.
Согласно исследований авторов максимальный эффект закалки наблюдается при наложении ультразвука с частотой колебаний 18-21 кГц. Снижение частоты колебаний ультразвука ниже 18 кГц и повышение более 21 кГц снижают качество закалки, приводящее к снижению износостойкости и появлению микротрещин.
Применение предлагаемого способа позволяет ликвидировать выбросы вредных веществ в атмосферу, которые образуются при закалке изделий в масле, в смесях органических веществ с водой. В результате повышения температуры закалочной среды, масла и водные смеси с органическими веществами разлагаются на ряд иных веществ, у которых свойства отличны и, прежде всего, теплоемкость и теплопроводность, в результате наблюдается неравномерная закалка на поверхности изделий. Дополнительно, все вновь образующиеся вещества и исходные масляные охладители являются горючими материалами и при извлечении изделий из закалочной ванны они воспламеняются и испаряются. Закалка по предлагаемому способу не приводит к появлению указанных недостатков.
Пример. Рельсовая сталь марки М60 нагревается в термической печи до температуры 810-820°С и помещают в закалочную ванну. У закалочной ванны имеется днище с прикрепленными магнитострикционными преобразователями марки ПМС-6М, которые подсоединены к ультразвуковому генератору УЗГ 10-22. Пластины - волноводы преобразователей ПМС-6М покрыты слоем серебра. Воду перед закалкой обрабатывают ультразвуковыми колебаниями в течение 5-10 минут. В течение этого периода происходит структурирование воды ионами серебра. После разогрева до 810°С опытный образец помещают в закалочную водяную ванну на работающие пластины - волноводы преобразователей ПМС-6М. В этот период происходит интенсивное охлаждение поверхности рельса структурированной водой в ультразвуковом поле. Ультразвуковое поле одновременно способствует "сдиранию паровой рубашки" и непосредственному контакту поверхности рельса с охлаждающей структурированной жидкостью. Продолжительность закалки составляет 5 минут. Далее производится отпуск рельса при 485°С в течение 2 часов. По окончанию экспериментов металлографическими исследованиями установлено: структура металла - сорбит закалки. Визуальными наблюдениями и под микроскопом трещин не обнаружено. Ультразвуковыми исследованиями трещин не обнаружено. Твердость металла увеличилась (НВ) на 15%. Вязкость возросла на 10%. Техническим результатом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является: ликвидация выбросов в атмосферу цеха вредных веществ; увеличение трещиностойкости, твердости и вязкости опытных образцов металла, снижена истираемость. В итоге увеличен срок безаварийной службы рельсов.
Источники информации
1. Шахпазов Х.С. и др. Производство метизов. // М.: Металлургия, 1977, с.244.
2. Недовизий И.Н., Кузнецов Н.А., Крылов С.А. Способ термической обработки длинномерных изделий. Пат. РФ №2044067, С21D 1/56, 1995.