KALENÍ ROZMĚRNÝCH VÝKOVKŮ V POLYMERU QUENCHING OF GREAT FORGED PARTS IN POLYMER Ing. Juda Čížkovský a, Ing. Pavel Stolař, CSc. a, Ing. Milan Rosenbaum b a Ecosond, s.r.o., K Vodárně 531, 257 22 Čerčany, Česká republika b Poldi Hütte,s.r.o., Průmyslová 1343, 272 62 Kladno, Česká republika Abstrakt Roztoky kalících polymerů používané v praxi jsou schopny zaplnit mezeru mezi kalicí intenzitou vody a oleje. Polymery v současné době dovolují nahradit i oleje zejména svojí ochlazovací intenzitou. Běžné je použití pro indukční kalení, ale stále častější je také užití pro objemové kalení rozměrných součástí. Mezi materiály kalitelné polymerem patří široká škála ocelí od běžných konstrukčních jakostí, až po vysoce legované nástrojové a korozivzdorné oceli. Výhodou proti kalení v oleji je čistota a bezpečnost práce i snížené celkové náklady. Ve většině případů není nutné po kalení výrobek prát, protože zbytky polymeru se při vyšších teplotách popouštění rozloží. Kalicí intenzitu je možné měnit koncentrací polymeru. Životnost polymerní lázně je zcela závislá na péči o lázeň a její čistotě. Příspěvek se zabývá objemovým kalením rozměrných výkovků konstrukčních a nástrojových ocelí do vodního roztoku polymeru v lázni o objemu 250 m 3. Dále jsou vysvětleny principy vlivu polymerů na ochlazovací křivku roztoku. Je diskutován vliv parametrů kalicí lázně na výsledek kalení. Dále je nastíněna problematika kalení velikých výkovků a jsou uvedeny výsledky po jejich zakalení. Na závěr je zhodnocen provoz lázně v trvání 18 měsíců. Klíčová slova: Polymer, polyvinylpyrrolidon, PVP, výkovky, ocel, objemové kalení, intenzita ochlazování, kalicí křivka ÚVOD Mezi obvyklé kalicí prostředky, jakými jsou olej, voda a solná lázeň se v posledních dobách stále více prosazuje i použití vodních roztoků polymerů (dále polymery). Kalicí roztoky na bázi polymerů vykazují ochlazovací rychlost ležící mezi kalicími oleji a vodou. Kalicí polymery vyhovují vysokým nárokům na čistotu provozů, pořizovací cenu a nízké provozní náklady při zachování vysoké kvality procesů. Jedním ze způsobů, jak přistupovat k procesu kalení, je nahradit olejové lázně vodními roztoky polymerů. Polymery jsou oproti olejům charakteristické těmito vlastnostmi: Roztoky i koncentráty jsou nehořlavé Při kalení nevzniká olejová mlha ani škodlivé výpary Při kalení nedochází k vývinu plamene Ochlazovací intenzitu je možné ovlivňovat změnou koncentrace Při vyšších teplotách popouštění je možné vypustit proces praní, protože zbytky polymeru se rozloží na oxid uhličitý, dusík a vodní páru. Pořizovací cena lázně je znatelně nižší než olejové lázně o stejném objemu Je potřebný intenzívní kontakt se vzduchem pro eliminaci anaerobních bakterií Deformace součásti může být mírně vyšší než u oleje, ale nižší než při kalení do vody Polymerová kalicí lázeň je náročná na kontrolu 1
Je třeba dbát na čistotu lázně 1 KALENÍ DO VODY: Voda je sama o sobě intenzivně kalicí médium. Voda má mnohem nižší teplotu varu než oleje a je citlivější na změny teplot. Obvykle se používá teplota lázně 20-40 C. Při vyšších teplotách lázně je parní polštář velmi stabilní a kalení je zvláště zpočátku pomalé. Protože je kalicí intenzita vody vysoká, způsobuje u mnoha značek ocelí kalicí trhliny a veliké deformace. Výsledek kalení je závislý i na víření. Kalicí křivka vody zahrnuje tři fáze [1]. Jsou to: Fáze parního polštáře během které povrch součásti nepřijde do kontaktu s kapalným médiem, protože je obalen dobře izolující vrstvou páry. Ochlazovací rychlost je velmi nízká. Fáze varu během které dochází k nejintenzivnějšímu ochlazování. K povrchu součásti se dostane kapalná fáze, která se při kontaktu intenzívně vaří, přičemž součásti odebere své výparné teplo. Fáze konvekce během které se teplo ze součásti odvádí prouděním kapaliny. 2 KALENÍ DO POLYMERU: Působením polymeru se omezí přestup tepla ze součásti do lázně ve všech třech fázích kalení. Ze široké škály polymerů jsou pro kalení nečastěji používané dva typy: polyalkylenglykol (PAG) a polyvinylpyrrolidon (PVP). Mezi méně používané se řadí např. polyvinylalkohol, polyakrylát sodný a polyethyloxasolin [2]. PAG: Vliv na kalicí účinek roztoku je dosažen inverzní rozpustností polymeru. Při vyšší teplotě je rozpustnost polymeru nižší. V nejbližší blízkosti vsázky se polymer v důsledku zahřátí vysráží z vodního roztoku, což zvýší viskozitu a omezí intenzitu ochlazování. Používá se zejména pro indukční kalení. Již malé koncentrace výrazně ovlivní kalicí charakteristiku roztoku. PVP: V nejtěsnější blízkosti kaleného povrchu se odpaří voda a vytvoří se tenký film lokálně zahuštěného roztoku. Koncentrovanější oblast má vyšší viskozitu a snižuje vysokou intenzitu odvodu tepla do okolní lázně. Film polymeru je rozpustný a po krátké době se zpět rozptýlí ve zbytku lázně. PVP je nejčastěji užívaný polymer pro objemové kalení. Přídavek polymeru snižuje ochlazovací schopnost vody až na hodnotu charakteristickou pro intenzívně ochlazující oleje. 2.1 Parametry ovlivňující ochlazovací schopnost polymeru: Druh polymeru Teplota lázně Koncentrace polymeru Rychlost a geometrie víření Manipulace se zbožím relativní pohyb zboží a lázně Druh polymeru má největší vliv na omezení kalicí intenzity vody. Ovlivňuje však i ostatní užitné vlastnosti, jakými jsou: chemická stálost, tepelná odolnost, odolnost proti biologickému rozkladu viskozita. 2
Teplota lázně ovlivňuje výsledek kalení výrazným způsobem, viz obr. 1. Až do teploty cca 50 C se ochlazovací rychlost nemění příliš významně. Od 60 C je změna skoková. Vyšší teplota lázně stabilizuje parní polštář, který tepelně izoluje díly před dalším ochlazováním. Lázeň polymeru se však obvykle nepoužívá při nižší teplotě než cca 25 C. Příliš nízká teplota či naopak vysoká teplota lázně (nad 50 C) způsobí vyšší výnos polymeru. Koncentrace polymeru určuje, do jaké míry bude ovlivněna základní kalicí Obr. 1 Závislost kalicí křivky polymeru na teplotě lázně. Fig. 1. Quenching curve dependance on bath temperature. Obr. 2 Závislost kalicí křivky na koncentraci polymeru. Fig. 2. Quenching curve dependence on polymer concentration. Obr. 3 Závislost kalicí křivky polymeru na rychlosti víření. Fig. 3. Quenching curve dependance on agitation speed. Obr. 4 Polymerní kalicí lázeň. Fig. 4. Polymer quenching bath. charakteristika vody, viz obr. 2. Vyšší koncentrace polymeru rozšiřuje oblast parní fáze, snižuje maximální ochlazovací rychlost a celkově snižuje intenzitu kalení. Rychlost a geometrie víření ovlivňuje odtrhávání parního polštáře od povrchu součásti, ovlivňuje pohyb parních bublin v přechodové fázi i intenzitu přestupu tepla v konvekční fázi, viz obr. 3. Výhodou polymeru na bázi PVP je skutečnost, že dovoluje vytahovat zboží za tepla, tedy prakticky zastavit kalení na určitou dobu a poté pokračovat v ochlazování opětovným zanořením. Tato prodleva dovolí přiblížit teploty jádra a povrchu, a tím významně snížit pnutí materiálu včetně jeho negativních dopadů. 3 PŘÍPRAVEK NA BÁZI PVP POLYQUENCH VP85KB Přípravek POLYQUENCH VP85KB je polymerní kalicí přípravek na bázi PVP. Kromě samotného polymeru obsahuje též biocidní složku a inhibitor koroze oceli pro krátkodobou ochranu kalených součástí proti korozi. 3
3.1 Uživatelské informace Polymer POLYQUENCH VP85KB je poměrně stálý jak při samotném kontaktu s vodou, tak i při tepelném zatížení v průběhu kalení. Největší hrozbou degradace jsou kvasinky, bakterie a anaerobní mikroorganismy. Nejrychleji probíhají degradační procesy v teplejších lázních (letní měsíce). Proti napadení lázně anaerobními mikroorganismy obsahuje polymer přídavek biocidu. Více než přídavek biocidu však zvyšuje životnost lázně pravidelné víření nebo provzdušňování lázně. Lázeň se vytvoří naředěním koncentrátu pitnou vodou. Další doplňování se musí provádět demineralizovanou vodou, aby se v lázni nehromadily soli. Při správné péči dosahuje životnosti např. 15 let bez výměny. Intenzívní využívání lázně způsobující provzdušnění má za následek paradoxně vyšší životnost. Případná degradace lázně se projevuje zakalením, pěněním a zápachem. Koncentrace polymeru výrazně ovlivňuje ochlazovací schopnost. Střídavým odpařováním a doléváním vody a výnosem koncentrátu na kalených dílech se koncentrace polymeru neustále mění. Proto je třeba jí v pravidelných intervalech sledovat a udržovat na konstantní hodnotě. Koncentrace nových lázní se měří jednoduše refraktometricky, protože index lomu je závislý na koncentraci. U starších lázní se přesnost refraktometrického měření koncentrace snižuje, a proto se stanovuje měřením viskozity - výtokovým kelímkem nebo přesněji pomocí viskozimetru. Kalicí lázně se obvykle vyrábějí z konstrukčních ocelí, viz obr. 4. Vzhledem k obsahu inhibitoru koroze oceli v koncentrátu je použití nerezových ocelí sice možné, ale není nutné. Lázeň musí být vybavena intenzívním vířením [3]. 3.2 Aplikace polymerické lázně POLYQUENCH VP85KB Výsledky byly získány v Poldi Hütte Kladno v lázni o následujících parametrech. Rozměry lázně jsou 15 x 4 m při hloubce 5 m. Objem náplně je tedy přibližně 300 m 3. Lázeň je vybavena 18 vířiči, každý s příkonem 7,5 kw. Vířiče jsou umístěny na obou stranách lázně. Teplota je měřena odporovým čidlem. V obtoku je lázeň vybavena filtrací a chlazením. K březnu 2011 je lázeň v provozu 18 měsíců a její roční výkon představuje cca 4000 t/rok. Spotřeba na jednu tunu zakaleného materiálu je cca 0,5 kg polymerního koncentrátu a cca 70 litrů vody. Pro kalení je udržována teplota v rozmezí 32-36 C a koncentrace přibližně 12,2 %. Vsázku tvoří buď jeden veliký díl, nebo několik menších dílů. Nejvyšší hmotnost vsázky byla 45 tun, jednoho dílu 40 tun. V lázni byly kaleny díly až 12 m dlouhé a do průměru 1,2 m. Viz výsledky v Tab 1. s přehledem zpracovaných materiálů. Tab 1. Výsledné povrchové tvrdosti materiálu po kalení do polymeru a popuštění. Table 1 Final surface hardness of the material after quenching and tempering. Jakost WNr Průměr výkovku [mm] Požadovaná tvrdost [HB] Dosažená tvrdost [HB] 1.7225 335-660 225-270 240-250 1.6582 430-735 283-323 280-290 1.2738 310-400 285-325 296-309 1.2714 345-730 379-418 386-411 1.4021 585-660 244-292 260-285 4
ZÁVĚRY: 1. Povrchová tvrdost dosahovala u dílů kalených do polymeru předepsaných hodnot a zpracované díly ve všech směrech vyhověly požadavkům výroby 2. Při dosavadní výrobě nedošlo ani jednou k popraskání vsázky s výjimkou jednoho dílu zkušební vsázky 3. Průměrná spotřeba koncentrátu polymeru 0,5 kg/t byla v důsledku velkých průřezů a malých povrchů kaleného zboží relativně velmi nízká 4. Oproti použití olejů nedochází k vývinu dýmu ani nebezpečí požáru lázně 5. Použití polymerů představuje ekonomicky, technologicky i ekologicky výhodnou alternativu ke kalení do olejů LITERATURA [1.] BODIN, J., SEGERBERG, S. Measurement and Evaluation of the Quenching Power of Quenching Media for Hardening. In Proceedings of the first International Conference on Quenching & Control of Distortion, Chicago, Illinois, USA 1992. [2.] BODIN, J., SEGERBERG, S. Polymer Quenchants Show Benefits in Metal Heat-Treatement. Metalurgia, 1986 [3.] Firemní literatura společnosti BURGDORF GmbH&Co. KG,. 2008-2010. 5