Badania wpływu temperatury na zdolność chłodzącą wybranych olejów hartowniczych

Materiał i metodyka badań

Do badań wykorzystano próbki dwóch mineralnych olejów hartowniczych: OH70 i HQ140, oraz oleju roślinnego Bio. Próbka oleju OH70 została pobrana z wanny hartowniczej (olej eksploatowany) i podzielona na dwie części. Do jednej z nich wprowadzono dodatek intensyfikujący zdolność chłodzącą oleju Fast Quench Additive 100 (3%). W dalszej części jest ona oznaczona jako OH70+Dodatek. Próbki olejów HQ140 oraz Bio były w stanie nieeksploatowanym.

Badania wpływu temperatury chłodziwa na jego zdolność chłodzącą zostały przeprowadzone za pomocą urządzenia Ivf Smart Quench zgodnie z normą ISO 9950 [4]. Zastosowano 5 temperatur: 20, 40, 60, 80 i 100°C. Wyniki pomiaru zaprezentowano w postaci wykresów zależności temperatury od czasu chłodzenia elementu pomiarowego T = f(czas) oraz temperatury od szybkości chłodzenia T = f(v). Za pomocą autorskiego programu IHCP obliczano zależność współczynnika przejmowania ciepła, α, w funkcji temperatury powierzchni elementu pomiarowego α = f(T_p). Opis programu i metodyka obliczeń współczynnika ciepła (α) przedstawione są w pracy [7].

Wykorzystując autorski program komputerowy Heat_Treat [8], przeprowadzono symulację procesu hartowania elementu stalowego w kształcie walca o wymiarach: d = 400 mm, h = 1000 mm, przy zastosowaniu uzyskanych charakterystyk zdolności chłodzącej, α = f(T_p) oleju mineralnego HQ140 i roślinnego Bio dla dwóch temperatur oleju: 20 i 100°C.

Wyniki badań

Wpływ temperatury na charakterystyki chłodzenia olejów hartowniczych

Rys. 1-5 przedstawiają porównanie charakterystyk chłodzenia T = f(czas) i T = f(v) olejów hartowniczych przy różnych temperaturach.

Porównanie charakterystyk chłodzenia olejów OH70 i OH70+Dodatek przy temperaturze 60°C przedstawia rys. 3.

Porównanie charakterystyk chłodzenia olejów OH70 i OH70+Dodatek przy temperaturze chłodziw 60°C pozwala stwierdzić, że dodatek intensyfikujący podnosi szybkość chłodzenia w wyższych temperaturach, powyżej 500°C, w niższych zaś ją obniża. Jest to bardzo korzystne ze względu na powstające naprężenia cieplne.

Jak widać, w przypadku olejów mineralnych OH70 i HQ140 temperatura oleju umiarkowanie wpływa na szybkość chłodzenia. Temperatura ta wpływa silniej na szybkość chłodzenia oleju roślinnego Bio. Ze wzrostem temperatury oleju rośnie szybkość chłodzenia w wyższych temperaturach. Maleje ona w niższych, szczególnie w zakresie temperatur, w których w stali zachodzi przemiana martenzytyczna. Jest to bardzo korzystne ze względu na powstające podczas hartowania naprężenia cieplne i strukturalne. Przy wzroście temperatury oleju Bio zanika okres powłoki gazowej.

Wpływ temperatury na współczynnik przejmowania ciepła α olejów hartowniczych

Na podstawie zmierzonych eksperymentalnie zależności T = f(τ) elementu pomiarowego chłodzonego w olejach od temperatury 850°C obliczono zależności współczynnika przejmowania ciepła a od temperatury powierzchni (T_p). Wyniki analizy przedstawiono na rys. 6.

Jak widać, najsilniejsze zmiany zależności współczynnika przejmowania ciepła a od temperatury powierzchni (związane z temperaturą chłodziwa) występują w oleju Bio, natomiast mniejsze – w olejach mineralnych.

Zestawienie wybranych parametrów zdolności chłodzącej badanych olejów hartowniczych przedstawiono w tab. 1.

Symulacja procesu hartowania przy wykorzystaniu uzyskanych zależności α = f(T_p) dla olejów HQ140 i Bio

Na rys. 7 przedstawiono porównawcze wyniki symulacji procesu hartowania walca o średnicy d = 400 mm i wysokości h = 1000 mm wykonanego ze stali 41Cr4. Obliczenia obejmowały symulację hartowania w oleju mineralnym HQ140 i roślinnym Bio, przy dwóch skrajnych temperaturach chłodziw: 20 i 100°C.

Wyniki symulacji hartowania pozwalają stwierdzić, że temperatura oleju roślinnego silniej wpływa na pole temperatury hartowanego przedmiotu w porównaniu z olejem mineralnym. Na podkreślenie zasługuje fakt, że przy temperaturze chłodziwa równej 20oC olej roślinny Bio szybciej chłodzi hartowany przedmiot w porównaniu z olejem mineralnym HQ140 (rys. 7c). Na uwagę zasługuje przedstawiony na rys. 7b efekt temperatury oleju Bio na szybkość chłodzenia walca stalowego. W zakresie temperatur powyżej 500°C temperatura przedmiotu chłodzonego w oleju o temperaturze 100°C spada znacznie szybciej niż w przypadku oleju o temperaturze 20°C. Natomiast w zakresie temperatur, w których zachodzi przemiana bainityczna, występuje efekt odwrotny – olej o wyższej temperaturze chłodzi znacznie wolniej.

Podsumowanie zdolności chłodzącej wybranych olejów hartowniczych

Zdolność chłodząca stosowanych podczas hartowania stali ośrodków ciekłych ma zasadniczy wpływ na powstającą podczas hartowania mikrostrukturę determinującą własności mechaniczne. Mikrostruktura stali po hartowaniu zależy od jej składu chemicznego oraz od szybkości chłodzenia i temperatury hartowania. Skład chemiczny stali oraz wielkość ziarna austenitu determinują jej hartowność. W celu uzyskania pożądanej mikrostruktury stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego stosuje się różne ośrodki ciekłe, takie jak: woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów, oleje hartownicze, kąpiele solne i metalowe oraz ośrodki fluidyzowane. Szerokie zastosowanie olejów w praktyce obróbki cieplnej stali wynika z ich szczególnej zdolności chłodzenia. Zapewnia ona znaczne zmniejszenie występowania odkształceń i pęknięć hartowniczych chłodzonych w nich przedmiotów.

Galeria

Zobacz więcej