Характеристики закалочных масел

В процессе производства изделий из металлов и сплавов заготовки подвергают разным видам термической обработки, включая отжиг, нормализацию, закалку, отпуск. Каждый вид термообработки изменяет свойства материала, позволяя добиваться требуемых характеристик. Так, закалка стали повышает твердость, прочность, износостойкость металла. Обработка такого типа состоит в быстром охлаждении металла, разогретого до высокой температуры. Для охлаждения стали используются специальные жидкости, например, закалочные масла. Какое масло используют для закалки стали? В чем преимущества применения закалочных масел?

Что такое закалочное масло?

Это – жидкость, которая служит охлаждающей средой при термической обработке стали. Она выполняет ряд важных функций. Прежде всего, обеспечивает контроль теплопередачи в процессе закалки. А также улучшает смачивание металла. Благодаря этому, снижается риск возникновения деформаций и микротрещин на поверхности изделий. Закалка стали с использованием охлаждающих жидкостей происходит в несколько этапов:

• пленочное кипение. При первичном погружении металла в жидкость между средами образуется паровая подушка (эффект Лейденфроста). Слой пара действует как изолятор, снижая скорость охлаждения;
• пузырьковое кипение. Через определенное время паровая подушка разрушается, и жидкость закипает в зоне соприкосновения с металлом. На этом этапе происходит наиболее интенсивный теплообмен. Пузырьковое кипение прекращается после прохождения точки кипения жидкости;
• конвективный теплообмен. Температура кипения большинства закалочных масел составляет +230…+480˚С. Это означает, что стадия конвективного теплообмена при использовании таких жидкостей начинается раньше, чем при закалке водой (закипающей при +100˚С). Медленный теплообмен на «жидкой» стадии позволяет выровнять напряжения и минимизировать деформации.

Типы закалочных масел

В зависимости от химического состава, масла для закалки металла делятся на следующие виды:

• натуральные – неэмульгируемые жидкости на основе минеральных или нефтяных масел, применяемые при термообработке в неразбавленном виде. В состав продуктов могут входить жиры, сложные эфиры, растительные масла, а также противозадирные присадки (Cl, S, P);
• водорастворимые и эмульсионные – образующие эмульсию при смешивании с водой. Эмульсия может быть типа «вода-в-масле» или «масло-вода»: для жидкостей первого типа характерна непрерывная масляная фаза, для вторых – водная, с масляными каплями. Стабильность эмульсии достигается за счет применения специальных добавок – эмульгаторов.

Хорошим решением охлаждающей среды для закалки низколегированных и легированных сталей могут быть закалочные масла серии МЗМ, широко используемые на машиностроительных предприятиях.

Состав, характеристики и свойства закалочных масел

В состав масляных жидкостей для термообработки входят базовые масла и пакеты присадок, улучшающих эксплуатационные свойства жидкости, регулирующие скорость закалки, помогающие удалять остатки охлаждающей жидкости при промывке изделий после закалки. Основные характеристики закалочных масел:

• температура вспышки, которая должна быть на 50-60˚С выше температуры процесса;
• кинематическая вязкость при 50˚С. Для МЗМ-16, МЗМ-26 и МЗМ-120 этот показатель составляет 14,5-19, 23,5-2 и 109-120 мм2/с соответственно;
• зольность – до 0,07% для МЗМ;
• коксуемость, определяемая по ГОСТ 19932;
• кислотное число, мг КОН на 1 г масла, (ГОСТ 5985);
• число омыления, мг КОН на 1 г масла, (ГОСТ 17362);
• содержание механических примесей – до 0,01% для МЗМ.

Важно, чтобы жидкости для закалки обладали:

• высокой термической и химической стабильностью;
• моющими свойствами;
• высокой стойкостью к испарению;
• антипенными свойствами;
• требуемой вязкостью.

Сферы применения закалочных масел

Для закалки разных марок стали используют масла с определенным составом и заданными свойствами. Например, для термообработки деталей, не подверженных короблению (из высоколегированных сталей с простой геометрией), как правило, применяют светлые масла на основе традиционных рафинатов селективной очистки. Высокоэффективные масла с большим количеством присадок и хорошими смачивающими свойствами хорошо подходят для закалки деталей, подверженных деформациям. Для термообработки этих деталей рекомендованы также синтетические закалочные масла, которые превосходят другие виды закалочных жидкостей смачивающей способностью. При использовании синтетических масел происходит быстрое разрушение паровой подушки и почти одновременное смачивание всей поверхности изделия. В результате снижаются температурные градиенты, а это позволяет избежать деформаций, вызванных неравномерным охлаждением.

Преимущества масляной среды для закалки

Среди преимуществ использования закалочных масел:

• высокая скорость теплопередачи без деформаций металла. При использовании воды охлаждение происходит еще быстрее, но из-за жесткости процесса деталь может деформироваться или даже расколоться;
• регулируемость процесса. С помощью присадок можно корректировать свойства охлаждающей среды, добиваясь оптимальных параметров для закалки конкретной марки стали или другого металла;
• возможность соблюдения главного принципа закалки: «так быстро, как это необходимо, но так медленно, как это возможно»;
• упрощение процесса термообработки металла.

Как выбрать подходящее закалочное масло?

В идеальном случае продукт должен обеспечивать максимально быстрое охлаждение металла в зоне минимальной устойчивости аустенита (высокотемпературной модификации железа) и охлаждение с минимальной скоростью в области Мн-Мк (начала и конца мартенситного превращения). Добиться оптимального протекания процесса удается за счет правильного выбора охлаждающей среды. При выборе закалочного масла учитывают его вязкость, теплопроводность, температуру вспышки, другие характеристики. Принимают также во внимание рекомендации производителя по использованию продукта. Любое изменение скорости закалки может повлиять на структуру и свойства металла, и как следствие – на возможности его применения. Важно не только выбрать правильную закалочную среду, но и обеспечить точное управление параметрами процесса. Термообработка будет максимально эффективной при точном согласовании всех параметров.

Советы по использованию и хранению закалочных масел

Масло для закалки является непригодным к использованию, если в результате контрольного исследования было выявлено следующее:

• вязкость жидкости увеличилась на 40% или более по сравнению с исходным состоянием;
• содержание смол в продукте превышает 10%;
• содержание механических примесей составляет 0,15% или более;
• кислотность превышает 2,0-2,5 мг КОН/г.

Если в процессе закалки был допущен разлив жидкости, ее нужно собрать в специальную тару для утилизации, а масляные пятна на полу протереть ветошью. Для тушения пожара с возгоранием масла следует использовать пену, пар, углекислый газ, распыленную воду. Закалочные масла для термообработки можно хранить в бочках до 3-х лет при температуре от +5 до +30˚С, как в помещениях, так и под открытым небом. Важно при этом исключить проникновение влаги под крышки емкостей.