FI70928B - Foerfarande foer haerdning av jaernlegeringar i vattenmedium - Google Patents

Description

70928

Menetelmä rautaseosteiden katkaisemiseksi vesiväliaineessa Tämä keksintö koskee menetelmää rautaseosteiden ja tarkemmin sanottuna hiiliterästen ja seostettujen ja vähän seostettujen terästen katkaisemiseksi vesiväliaineessa.

On tunnettua, että teräksille saadaan optimaaliset mekaaniset ominaisuudet vasta kun ne on kuumennettu korkeaan lämpötilaan ja sen jälkeen karkaistu. Teräksen jäähtymisnopeus ja -olosuhteet karkaisun aikana vaikuttavat ratkaisevasti mekaanisiin ominaisuuksiin. Jos näitä ehtoja ei noudateta, seurauksena saattaa lisäksi olla muodonmuutoksia ja jopa halkeamia karkaistuissa kappaleissa.

Karkaisu suoritetaan yleensä juoksevassa tai nestemäisessä väliaineessa. Nesteväliaine voi halutusta jäähtymisnopeudesta riippuen olla vesi-, öljy- tai suolaliuostyyppinen (sula suola) .

Terästen karkaisua koskevaa teoriaa ja käytäntöä on selostettu esimerkiksi American Society of Metals*in toimittaman "Metals Handbook'in" 8. painoksen osan 2 sivuilla 15-36, luvussa "Quenching of Steel".

Kun teräskappale, joka on etukäteen kuumennettu korkeaan lämpötilaan, esimerkiksi 850°C:en, karkaistaan nesteessä, jonka lämpötila on tuntuvasti alhaisempi, jäähtyminen tapahtuu kolmessa selvästi erillisessä vaiheessa: - ensimmäinen vaihe, joka vastaa lämpötila-aluetta 850°C:sta noin 500°C:en, vastaa "hehkutusta". Kappaletta ympäröi höyry-vaippa, joka eristää sen nesteestä ja hidastaa jäähtymistä, - toinen vaihe, joka vastaa suunnilleen lämpötila-aluetta noin 500°C:sta noin 350°C:en, kun kysymyksessä on öljykarkaisu, vastaa kuplakiehumista, toisin sanoen höyrykuplien esiintymistä monessa kohdassa kappaletta, 2 70928 - lopuksi kolmas vaihe vastaa jäähtymistä johtumalla ja kulkeutumalla suoran kosketuksen ansiosta karkaisunesteeseen.

Tämä vaihe saattaa alkaa 350°C:sta öljykarkaisussa tai suunnilleen 100°C:sta vesikarkaisussa.

Karkaisuöljyjä käyttämällä saadaan yleensä hyviä tuloksia karkaistujen kappaleiden ominaisuuksien osalta. Mutta on varsin tunnettua, että teollisuudessa karkaisuöljyjen käyttö tuo mukanaan sellaisia haittoja ja rasitteita kuin työtilojen likaantuminen, ympäristön saastuminen, joskus epämiellyttävät hajut, tulipalon vaarat, tarve kuumentaa etukäteen öljyaltaat, poistaa rasva karkaistuista kappaleista jne.

Näistä eri syistä on jo monia vuosia pyritty kehittämään sellaisia vesiperustaisia karkaisuväliaineita, joihin ei liittyisi haittoja ja joilla karkaistuille kappaleille saataisiin olennaisesti samanlaiset mekaaniset ominaisuudet kuin öljykar-kaisulla. Öljytuotteiden hinnan nousu on sekin lisännyt näitä tutkimuspyrkimyksiä.

Jo vuonna 1960 Wyandotte Chemical Co. suositteli eräässä mainostiedotteessaan voimakkaasti polyoksialkyleeniglykolien käyttämistä lisäaineina vesikarkaisuaineissa. Aineen, joka nimettiin tavaramerkillä PLURACOL V 10, molekyylipaino oli 25 000 - 35 000.

Edellä mainitussa "Metals Handbookissa" sanotaan, että kun karkaisuveteen lisätään 0,01 %:a polyvinyylialkoholia, kasvaa jäähtymisnopeus olennaisesti hehkutusvaiheessa.

FR-patentissa A 1 384 244 on selitetty polyalkyleeniglykolipe-rustaisia vesiväliaineita, joihin on lisätty korroosionestoai-neita kuten nitriittiä tai boraatteja.

FR-patentissa 1 525 603 suositellaan voimakkaasti jonkin vesiliukoisen polymeerin, joka sisältää (-C0-NH-) -ryhmiä 0,1-1 paino-%:n pitoisuuksina, lisäämistä.

70928 DE-patenttihakemuksessa 2 349 225 lisätään veteen 0,4-10 paino-% jotakin polyakryylihapon suolaa.

FR-patentissa 2 316 336 lisäaineena on samoin jokin polyakryylihapon vesiliukoinen suola.

Lopuksi vielä US-patentissa 3 902 929 suositellaan voimakkaasti polyvinyylipyrrolidonin, jonka molekyylipaino on 5 000-400 000, käyttämistä ja nitriitin ja/tai booraksin (^264.07) lisäämistä korroosionestoaineeksi.

Näillä tunnetussa tekniikassa selitetyillä eri kaavoilla ei näytä kuitenkaan päästyn teollisuuskäytännössä samanlaisiin tuloksiin kuin öljykarkaisussa tai edes niihin verrattaviin.

Vesiväliaineissa törmätään nimittäin kolmeen päävaikeuteen: - hehkutusvaiheen ja siirtymävaiheen epävakauteen ja ei-tois-tettavuuteen kuplakiehumisineen, - kuplakiehumisen ja konvektiovaiheen siirtymäkohdan asettumiseen suunnilleen 100°C:en (veden kiehuminen), - suhteellisen alhaiseen konvektionopeuteen alle 100°C:ssa.

Ihanteellisen rautaseosteiden karkaisuväliaineen tulisi voida stabiloida - ja mahdollisesti poistaa kokonaan - hehkutusvaihe ja viedä kuplakiehuntavaiheen ja konvektiovaiheen siirtymäpis-te Θ2 suunnilleen 330-350°C:en, 350°C:n lämpötilan vastaessa keskimäärin pistettä Ms, joka tarkoittaa martensiittimuutoksen alkamista. Mitä taas tulee pisteeseen ©j_, joka vastaa siirty-mälämpötilaa hehkutusvaiheen - jos sitä on - ja kuplakiehuntavaiheen välillä, se voi sijoittua 450 ja 700°C:n välille kysymyksessä olevasta öljystä riippuen.

Tämän keksinnön kohteena on vesiväliaineella suoritettava kar-kaisumenetelmä, jolla voidaan toistaa öljykarkaisulla saadut tulokset ja jopa ylittää ne, koska se poistaa hehkutuksen ja nostaa lämpötilan ©2 350°C:en.

4 70928 Tässä menetelmässä karkaistava teräskappale, joka on kuumennettu yli 750°C:en ja useimmiten 800 ja 950°C:n välillä olevaan lämpötilaan, upotetaan polyvinyylipyrrolidoniin (PVP) ja johonkin palautuvaan saostusaineeseen perustuvaan vesiväliai-neeseen ja väliainetta sekoitetaan niin että saadaan aikaan jatkuva uusiutuminen karkaisunesteen kiertäessä karkaistavan kappaleen ympäri. Mieluiten polyvinyylipyrrolidonin molekyyli-painon tulee olla keskimäärin ainakin 400 000 ja jotta saataisiin parhaat tulokset, 500 000 ja 1 000 000 väliltä.

Optimaalinen PVP-väkevyys on 5-50 grammaa litraa vettä kohti ja mieluiten 10-35 grammaa. Saostusaine voidaan valita laajasta valikoimasta aineita, aikaansaavat, joutuessaan kosketukseen karkaistavien kappaleiden kanssa, hetkellä, jona ne lisätään karkaisuväliaineeseen, PVP:n "palautuvan" saostumisen, sanan "palautuva” tarkoittaessa sitä, että kun karkaistun kappaleen ja karkaisuväliaineen välillä on lämpötilatasapaino, PVP-kerros, joka on karkaisussa saostunut, on liuonnut täysin uudelleen. Huomattakoon, että tämä ilmiö on ominainen PVP:lie eikä tarkoita samaa kuin käänteinen liukoisuus, johon törmätään vesiliukoisten polymeerien kohdalla, joiden molekyylirakenteessa on happisiltoja, joihin vesimolekyyli voi kiinnittyä palautuvasti lämpötilasta riippuen.

PVP:n saostumisen aiheuttavia lisäaineita on tarkasteltu teoreettisesti etenkin B. Jirgensonin artikkelissa Solubility and fractionation of PVP, Journal of Polymers Science, 1952, 8, n:o 5, s. 519-527 ja J. Elissaf S. Erickssonin ja F.R. Ei-richin artikkelissa Journal of Polymers Science -lehdessä, 1960, 1_7, s. 193-202 (Interaction of PVP with cosolutes).

Nämä palautuvat saostusaineet voivat olla joko vesiliukoisia orgaanisia liuottimia, kuten asetonia tai alkoholeja, tai mineraalisuoloja ja erityisesti natriumin suoloja kuten kloridia, sulfaattia, perkloraattia, tiosyanaattia, booraksia, difosfaattia, hydroksidia tai ammoniumsuoloja kuten sulfaattia. Näistä lisäaineista natriumkloridi ja natriumdisulfaatti Na2S04 ovat osoittautuneet erityisen sopiviksi keksinnön suo- 70928 rittamiseen 50-150 gramman väkevyyksinä litraa kohti NaClrn osalta ja 5-50 gramman väkevyyksinä ja mieluiten 5-10 gramman väkevyyksinä vesilitraa kohti ^2^04:n osalta. Sekoitus, joka tarvitaan optimaalisten karkaisuaineominaisuuksien aikaansaamiseksi, voi muodostua kierrätyslaitteesta, jossa on esimerkiksi nesteen otto- ja takaisinruiskutuspisteet astian kahdessa vastakkain olevassa kohdassa. Voimakkaammatkin sekoitukset - esimerkiksi suihkuttamalla karkaisunestettä muutaman barin paineella - sopivat nekin.

Keksintö suoritettiin seuraavissa olosuhteissa: karkaistiin teräskoekappaleita, joiden läpimitat olivat 20 ja 35 mm ja korkeudet vastaavasti 60 ja 105 mm (ja joita oli etukäteen kuumennettu 850°C:ssa kahdenkymmenen minuutin ajan) altaassa, jossa oli 15 litraa keksinnön mukaista vesikarkaisuainetta ja jota sekoitettiin uudelleenkierrätyksen avulla.

Kokeet suoritettiin teräksillä, joiden kemiallinen koostumus oli seuraava:

Nimitys C % Cr % Mo % 35 CD4 0,37 0,99 0,17 37 C4 0,37 1,0 42 CD4 0,40 1,04 0,185

Karkaisuväliaine saatiin lähtemällä Badische Anilin und Soda Fabrikin (BASF) PVP-K 90:stä; tämän PVP:n molekyylipaino on toimittajan ilmoituksen mukaan noin 700 000.

PVP-väkevyyttä vaihdeltiin 5-50 grammaan/litra, Na2S04~väke-vyyttä 5-30 grammaan/litra ja NaCl-väkevyyttä 50-200 grammaan/ litra.

Kunkin kokeen osalta rekisteröitiin koekappaleeseen sijoitetun 6 70928 lämpöparin avulla lämpötilan vaihtelu ajan funktiona ja merkittiin muistiin hehkutus- ja kuplakiehuntavaiheiden siirtymä-pisteiden ja kuplakiehunta- ja konvektiovaiheiden siirtymä-pisteiden ©2 lämpötila. Kun ©i on 850°C, se osoittaa, että hehkutusta ei ole.

Taulukot 1 ja 2 esittävät näiden kokeiden tulokset, taulukon 1 koskiessa vertailuesimerkkiä ja taulukon 2 liittyessä keksintöön. Kuviot 1-5 kuvaavat Vickers-kovuuden (HV30) mittausten tuloksia katkaistujen koekappaleiden poikkileikkauksesta ilman kuumennusta niiden puolivälistä niiden akselia vastaan kohtisuorasta tasosta.

Kuvio 1 liittyy 37C4-teräkseen, jonka läpimitta on 35 mm.

Kuvio 2 liittyy 37C4-teräkseen, jonka läpimitta on 20 mm.

Kuvio 3 liittyy 42CD4-teräkseen, jonka läpimitta on 40 mm. Kuvio 4 liittyy 35CD4-teräkseen, jonka läpimitta on 20 mm. Kuvio 5 liittyy 35CD4-teräkseen, jonka läpimitta on 35 mm.

70928 TAULUKKO 1 - Vertailukokeet

Karkaisuväliaine ja -olosuhteet °C ©2 °C

Vesi 20 ja 80°C:n väliltä sattumanvarainen 100°C

Tavallinen karkaisuöljy, 50°C, sekoittamatta 480 350

Valioluokan karkaisuöljy, 50°C, sekoittamatta 655 350

Nykyisin kaupan olevat vesi-karkaisun lisäaineet,

20°C sattumanvarainen 100-200°C

PVP + vesi 20°C 5 g/l 325 100 sekoittamatta 10 g/l 325 125 15 g/l 300 125 20 g/l 310 140 35 g/l 300 140 50 g/l 300 140 PVP + vesi 20°C 5 g/l 625 100 sekoitus uudel- 10 g/l 600 130 leenkierrätyk- 15 g/l 340 125 sellä 20 g/l 340 160 35 g/l 320 160 50 g/l 320 160 8 70928

TAULUKKO 2 - Keksinnön mukaiset kokeet Karkaisuväliaine ja -olosuhteet θχ °C ©2 °C

NaCl g/1 PVP + H20, 15 g/1 50 850 355

Sekoitus uudelleen- 100 850 350 kierrätyksellä 150 850 130 20°C 200 850 130

Na2S04 g/l PVP + H20, 15 g/1 5 850 330

Sekoitus uudelleen- 10 850 330 kierrätyksellä 20 850 325 20°C 30 850 325 PVP-pitoisuus g/1

Na2S04~väkevyys vakio 15 850 330 eli 5 g/1 20 850 340

Sekoitus uudelleen- 30 850 350 kierrätyksellä, 35 850 380

20°C

Na2S04-väkevyys vakio 35 850 350 eli 10 g/1 40 850 300

Sekoitus uudelleen- 50 725 300 kierrätyksellä, 20°C.

Todetaan, että keksinnön kohteena oleva karkaisuväliaine antaa saunoja lämpötilatuloksia kuin parhaat tällä hetkellä tunnetut öljyt ja erityisesti se poistaa hehkutuksen (mitä ei tapahdu öljyjä käytettäessä) ja nostaa pisteen ©2 350°C:en (ja parhaimmassa tapauksessa vieläpä sen ylikin).

9 70928

Optimaaliset väkevyydet ovat suunnilleen 15 g/l PVP:n osalta, 50-100 g/l NaClrn osalta ja 5-10 g/l Na2SC>4:n osalta.

Mekaaniset kokeet, joiden tulokset on esitetty kuvioissa 1-5, saatiin karkaisuväliaineella, jonka lämpötila oli 20°C ja jota sekoitettiin uudelleenkierrätyksellä ja joka koostui: - puhtaasta 20°Crisesta vedestä (käyrä n:o 1) - 50°C:isesta öljystä (käyrä N.o 2) vertailuesimerkkeinä, - kahdesta keksinnön mukaisesta vesiväliaineesta, joissa oli lisäksi: - 12,5 g/l PVP + 5 g/l Na2SC>4 20°C:ssa (käyrä nro 3) - 35 g/l PVP + 5 g/l Na2S04 20°C:ssa (käyrä nro 4).

Kävi selvästi ilmi, että: 1) vedellä ja öljyllä saadaan koekappaleen leikkauksesta kovuusprofiileja, joita sanotaan "U-profiileiksi”, sillä niiden ytimessä esiintyy painuma, joka johtuu lämpövuon heikosta siirtymisestä koekappaleen ytimen ja karkaisuväliaineen välillä, 2) keksinnön mukaisella karkaisuväliaineella saadaan käytännöllisesti katsoen tasaisia kovuusprofiileja eli tuloksia, joita millään tällä hetkellä tunnetulla vesiperustaisella karkaisuväliaineella ei saada tai edes lähestyä.

Lisäksi on tärkeätä korostaa, että tämä tasainen profiili saadaan ilman, että yleiskovuus millään tavoin muuttuisi, se pysyy tapauksesta riippuen samana kuin mikä saadaan puhtaalla vedellä (PVP 12,5 g/litra) tai öljyllä (PVP 35 g/litra).

Lopuksi vielä keksinnön mukaiset karkaisuaineet tuovat samat edut kuin kaikki jo tunnetut vesiperustaiset karkaisuaineet, jotka perustuvat vesiliukoisiin polymeereihin: hajuttomuuden, syttymisvaarattomuuden, myrkyttömyyden, karkaistun kappaleiden puhdistamisen vaivattomuuden, päästöjen biologisen hajoavuu-den.

10 70928

Niihin voidaan, kuten muihinkin tunnettuihin vesiperustaisiin karkaisuväliaineisiin, lisätä vielä erilaisia korroosionesto-aineita tai biosidejä.

Claims (7)

70928

1. Menetelmä rautaseosteita ja varsinkin hiiliteräksiä ja seostettuja ja vähän seostettuja teräksiä olevien kappaleiden katkaisemiseksi polyvinyylipyrrolidonin vesiliuoksesta muodostuvassa väliaineessa, jotka kappaleet on etukäteen kuumennettu korkeaan, yli 750°C:n ja yleensä 800-950°C:n lämpötilaan, tunnettu siitä, että mainitut kappaleet pannaan karkaisuväliaineeseen, johon on lisätty jotakin lisäainetta, joka aikaansaa mainittujen kappaleiden pinnassa sillä hetkellä kun ne lisätään karkaisuväliaineeseen, polyvinyylipyrrolidonin palautuvan saostumisen, ja että karkai-suvällainetta sekoitetaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että polyvinyylipyrrolidonin molekvylipaino on suurempi kuin 400 000 ja mieluiten 500 000-1 000 000.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että karkaisuväliaine sisältää 5-50 grammaa ja mieluiten 10-35 grammaa polyvinyylipyrrolidonia/litra vettä.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että saostumisen aikaansaava lisäaine valitaan asetonin, alkoholien, natriumsuolojen ja vesiliukoisten ammoniumsuolojen joukosta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että saostumisen aikaansaava lisäaine lisätään karkaisuväliaineeseen 5-150 gramman ja mieluiten 50-100 gramman väkevyyksinä litrassa vettä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine on natriumkloridia 50-100 gramman väkevyytenä litrassa vettä. ___ - 12 70928

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen karkaisumenetelmä, tunnettu siitä, että lisäaine on natriumdisulfaattia 5-50 gramman ja mieluiten 5-10 gramman väkevyytenä litrassa vettä.