Закалочная среда, более эффективная по сравнению с известными, по охлаждающей способности при термической обработке металлов.

Закалoчная cреда

Автoры: Пoдкуйкo Пётр Алекcеевич, Царик Людмила Якoвлевна

Изoбретение oтнocитcя к закалoчным cредам, применяемым при термooбрабoтке металлoв, а именнo к закалoчным cредам на ocнoве вoдoраcтворимых полимеров. Закалочная cреда имеет cледующий cоcтав, маc.%: неполная кальциевая cоль полиакриловой киcлоты - 4-6, неполная кальциевая cоль полиметакриловой киcлоты - 2-4, вода - оcтальное. Закалочная cреда более эффективна по сравнению с известными по охлаждающей способности при термической обработке металлов.

Известна закалочная среда, состоящая из водного раствора полиакриламида в количестве 0,03-1% (авт. св. 469758, С21D 1/56, С21D 1/60, 1971 г.). Данная закалочная среда служит для получения оптимальных скоростей охлаждения и увеличения срока службы ее.

Недостатком указанной среды является невозможность прокаливания деталей полностью из-за снижения термостабильности водных растворов полиакриламида при высоких температурах, связанной прежде всего со снижением растворимости полиакриламида из-за потери воды при испарении, при этом на поверхности детали образуется теплоизоляционная пленка, препятствующая прокаливанию детали.

Известна закалочная среда, состоящая из водного раствора модифицированной целлюлозы в количестве 0,1-1,0% и поваренной соли в количестве 2-20% (авт. св. 541875, С21D 1/60, 1975 г.) Данная среда применяется при объемной закалке изделий из углеродистых и легированных сталей.

Недостатками данной среды являются ее коррозионная агрессивность и снижение ее растворимости при испарении воды, на поверхности закаливаемой детали образуется полимерная теплоизоляционная пленка, препятствующая прокаливанию детали.

Известна закалочная среда, состоящая из водного раствора сополимера (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила с соотношением звеньев мономеров в сополимере (90:10)-(50:50) по массе соответственно и концентрацией 0,1-10,0 мас.% (авт. св. 1296603, С21D 1/60, 1987 г.) Использование данной среды позволяет расширить номенклатуру углеродистых и легированных сталей.

Недостатками указанной среды являются высокая концентрация рабочих растворов, а следовательно, большие потери полимера при закалке (за счет выноса на деталях), ограниченная растворимость полимера (растворяется только при рН>8).

Известна закалочная среда на основе сополимера акриламида, (мет)акриловой кислоты и акрилонитрила в количестве 0,1-5,0 мас.% (пат. 2176673, С2, 7 С21D 1/60, 2001 г.). Данная среда применяется при термообработке углеродистых, легированных сталей и др. металлов. Техническим результатом изобретения является создание экологически чистой, нетоксичной закалочной среды, обеспечивающей пониженную концентрацию рабочих растворов.

Недостатком данной среды является пониженная растворимость при рН<7, например, при охлаждении деталей в конце процесса закалки, что приводит к заметному выносу среды из раствора с деталями.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения закалочной среды на основе неполной железной соли полиакриловой кислоты (прототип).

Закалочная среда имеет следующий состав, мас.%:

неполная железная соль полиакриловой кислоты	0,01-5,0
хлористый натрий	0,1-1,0
едкий натрий	0,25-2,0
вода	остальное

(авт. св. 724581, МКИ С21D 1/60, 1980 г.). Данная закалочная среда служит для предотвращения изменения состава в процессе эксплуатации и исключения коррозионного воздействия.

Недостатком данной среды является слишком низкий нижний предел 0,01 мас.% неполной железной соли полиакриловой кислоты. Концентрация 0,01 мас.% практически соответствует охлаждающим свойствам воды. Наличие хлористого натрия увеличивает коррозионную активность данной среды и вызывает коагуляцию полимера.

Неполные металлические соли полиакриловых кислот быстро реагируют со щелочами в водных растворах с образованием щелочных солей полиакриловых кислот. Таким образом свободной щелочи в данном растворе не присутствует.

В основу настоящего изобретения положена задача создания закалочной среды, имеющей скорость охлаждения, близкой по параметру индустриальному маслу И-20 (Лютый В. Закалочные среды. М.: Наука, 1983, 345 с.).

Поставленная задача решается тем, что в состав предлагаемой закалочной среды вместо неполной железной соли полиакриловой кислоты входит смесь неполных кальциевых солей полиакриловой и полиметакриловой кислот и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:

неполная кальциевая соль полиакриловой кислоты	4-6
неполная кальциевая соль полиметакриловой кислоты	2-4
вода	остальное

Неполная кальциевая соль полиакриловой кислоты представляет собой полимер формулы:

C_aH_bO_cS_dK_eNa_fCa_g, где

а от 810 до 1174; b от 845 до 1235; с от 554 до 786; d от 1 до 3; е от 1 до 3; f от 232 до 276; g=1, с содержанием фрагментов:

по K от 0.26 до 1.26 мол.%

формулы



по Na от 83.57 до 86.6 мол.%

формулы



по Са от 0.32 до 0.37 мол.%

формулы



по остатку от 11.73 до 16.10 мол.%

формулы



Неполная кальциевая соль полиметакриловой кислоты представляет собой полимер формулы:

C_aH_bO_cS_dK_eNa_fCa_g, где

а от 735 до 1212; b от 952 до 1561; с то 385 до 622; d от 1 до 3; е от 1 до 3; f от 162 до 255; g=1, с содержанием фрагментов:

по K от 0.35 до 1.75 мол.%

формулы



по Na от 84.14 до 88.00 мол.%

формулы



по Са от 0.42 до 0.54 мол.%

формулы



по остатку от 9.71 до 15.09% мол.

формулы



Вода питьевая ГОСТ 2874-73.

Предлагаемая закалочная среда представляет собой жидкость от светло до темно-коричневого цвета с плотностью 1,045 г/см³, вязкостью при 20°С, равной 25-50 мм²×с^-1, и температурой застывания не выше - 2°С.

Анализ отобранных в процессе поиска известных решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности признаков и наличию вышеуказанных свойств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного объекта критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Для доказательства соответствия заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость» приводим примеры конкретного выполнения.

Пример 1 (по прототипу).
В закалочной ванне, содержащей водный раствор, мас.%: 1.0 неполной железной соли полиакриловой кислоты, 0.5 хлористого натрия, 0.25 едкого натрия, закаливают изделие из стали 40 от 870 до 20°С. Твердость полученных изделий 55-57 HRC. Скорость коррозии 4,2·10^-3 мг/ч·см².

Пример 2 (предлагаемый).
В закалочной ванне, содержащей водный раствор, мас.%: 1.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 0.5 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты, закаливают изделия из стали 40 от 825 до 20°С. Твердость полученных изделий 56-60 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 3.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 0.1 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 3.0 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 59-62 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 4.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 4.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 2.0 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 50-60 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 5.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 5.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 3.0 неполной соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 50-54 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 6.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 4.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 3.0 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 52-56 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 7.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 5.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 2.0 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 52-56 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 8.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 6.0 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 4.0 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 57-59 HRC. Коррозия отсутствует.

Пример 9.
В условиях примера 2, но при использовании водного раствора, содержащего, мас.%: 6.5 неполной кальциевой соли полиакриловой кислоты, 4.3 неполной кальциевой соли полиметакриловой кислоты. Твердость полученных изделий 58-61 HRC. Коррозия отсутствует.