Oleje hartownicze analiza zdolności chłodzącej prof. dr hab. inż. Henryk Adrian KIEROWNIK PRACOWNI METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I MODELOWANIA OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WYDZIALE INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ AKADEMII GÓRNICZO-HUTNICZEJ W KRAKOWIE Głównym zadaniem ośrodka chłodzącego podczas hartowania jest kontrola szybkości odprowadzania ciepła od elementu hartowanego dla zapewnienia wymaganej mikrostruktury powstającej podczas rozpadu przechłodzonego austenitu dla uzyskania odpowiednich własności mechanicznych (3-5). Ośrodek chłodzący powinien zapewniać równomierność chłodzenia powierzchni dla zminimalizowania odkształceń i naprężeń szczątkowych. Dlatego też znajomość charakterystyk zdolności chłodzącej ośrodków stosowanych w obróbce cieplnej stali jest niezwykle ważna. Wpracy przedstawiono wyniki analizy zdolności chłodzącej wybranych olejów hartowniczych. Badania prowadzono przy wykorzystaniu urządzenia testującego ivf SmartQuench (1), za pomocą którego uzyskano krzywe chłodzenia sondy nagrzanej do temperatury 85 C i chłodzonej w pięciu olejach hartowniczych produkowanych przez firmę Orlen Oil, przy trzech temperaturach olejów: 2 C, 7 C i 11 C. Na podstawie krzywych chłodzenia obliczono parametry charakteryzujące zdolność chłodzącą olejów (2). Analizowano współczynniki przejmowania ciepła w funkcji temperatury. Uzyskane charakterystyki = f(t) wykorzystano do symulacji procesu hartowania elementów stalowych wykonanych ze stali 34CrMo4, wykorzystując autorski program komputerowy Heat_CTP. Wyniki symulacji weryfikowano eksperymentalnie. Pomiar krzywych chłodziwa Badanie zdolności chłodzącej ośrodków ciekłych jest realizowane przy zastosowaniu różnych metod. Bezpośrednie metody pomiaru efektywności chłodzenia przy wykorzystaniu metod oceny hartowności (krzywe U, próba Jominy ego) są czasochłonne. Dlatego też stosowane są metody oparte na pomiarach szybkości chłodzenia elementów o założonym kształcie (kula, walec) wykonanych z różnych materiałów (srebro, stop niklu, stal austenityczna). Do najpopularniejszych metod badania zdolności chłodzącej należą metody pomiaru krzywych chłodzenia. Opis tych metod prezentowany jest w (2, 6). Jedną z metod (obecnie powszechnie stosowanych) jest metoda angielska (2, 6), w której są rejestrowane zależności temperatury od czasu chłodzenia T = f(czas) oraz temperatury od szybkości chłodzenia T = f(v) elementu w kształcie walca o średnicy 12,5 mm i długości 6 mm wykonanego ze stopu inconel 6 (1). Wewnątrz walca znajduje się termopara połączona z komputerem. Próbka nagrzana jest do temperatury 85 C, ośrodek chłodzący ma ustaloną temperaturę i w trakcie pomiaru jest mieszany. Na podstawie zarejestrowanych przez komputer zależności T = f(czas) i T = f(v) określa się parametry charakteryzujące zdolność chłodzącą badanego ośrodka. Do nich należą: współczynnik intensywności chłodzenia H, wprowadzony przez Grossmanna, współczynniki wprowadzone przez Segerberga HP (hardening power) (dla ośrodków mieszanych, i nieruchomych, w trakcie pomiaru HP 2 ), współczynnik V, wprowadzony przez Tamurę (7). Zależności wymienionych współczynników od parametrów uzyskiwanych na podstawie krzywej chłodzenia opisują równania [1], [2], [3] i [4]: H=,395t 6,139t 4 +,123v max + +,224v 3 + 2,44 1-5 T vmax [1] =3,54v 5 +12,3v 3 168 [2] HP 2 =91,5 + 1,34T gw + 1,88v 5 3,85T wk [3] V= T gw T wk M s [4] gdzie: t 6, t 4,v max, T vmax, v 3 oznaczają czasy do osiągnięcia przez środek walca pomiarowego temperatur 6 C i 4 C, szybkość maksymalną i temperaturę, przy której występuje szybkość maksymalna, szybkość chłodzenia przy 3 C, v 55, v 33 szybkości chłodzenia przy 55 i 33 C, T gw, T wk temperatury początku fazy wrzenia i fazy konwekcyjnej, wyznaczone z funkcji T = f(v). Temperatury i M s oznaczają temperatury początku przemiany perlitycznej i martenzytycznej i zależą od składu chemicznego stali. Parametry H,, HP 2 są obliczane dzięki danym uzyskanym na podstawie krzywej chłodzenia. Parametr V pozwala określić zdolność chłodzącą ośrodka dla danej stali, na podstawie danych określonych z krzywej chłodzenia oraz obliczonych wartości temperatur i M s. Temperatury te zależą od składu chemicznego stali równania [5] i [6] (8, 9): =739 22,8C 6,8 Mn + 18,2Si + + 11,7Cr 15Ni 6,4Mo 5V 28Cu [5] M A J- C Z E R W I E C 213
M s =532,6 396,7C 33Mn 1,4Si 14Cr 18Ni 11Mo + 49,7V + 31Cu [6] gdzie symbole pierwiastków oznaczają ich zawartość w % masy. Zależność temperatury od czasu chłodzenia środka próbki T = f(czas) jest wykorzystana do obliczenia zależności współczynnika przejmowania ciepła w funkcji temperatury próbki. Metodyka konwersji funkcji T = f(czas) do funkcji = f(t) została opisana w pracy (1). Zależność = f(t) jest stosowana przy obliczaniu pola temperatury podczas chłodzenia przedmiotu metalowego T(x, y, z, czas) (11-14). Celem badań prowadzonych w prezentowanej pracy była analiza porównawcza zdolności chłodzącej olejów hartowniczych grupy OH i Hartex, produkowanych przez firmę Orlen Oil SA (15). Materiał i metodyka badań Do badań wykorzystano wyniki analizy krzywych szybkości chłodzenia sondy urządzenia ivf SmartQuench w olejach hartowniczych Hartex 7S, Hartex 7, Hartex 12, OH7 i OH12M. Sonda była wygrzewana przy temperaturze 85 C przez 1 min, a następnie chłodzona w olejach przy trzech temperaturach: 2 C, 7 C i 11 C. Rejestrację temperatury podczas chłodzenia prowadzono z częstotliwością 1 Hz. Na ich podstawie obliczono parametry charakteryzujące zdolność chłodzącą badanych olejów H, i HP 2. Wykorzystując autorski program komputerowy IHCP, obliczono zależności współczynników przejmowania ciepła od temperatury powierzchni próbki dla badanych olejów. Następnie przeprowadzono symulację procesu hartowania próbek wykonanych ze stali 34CrMo4. Próbki miały wymiary 4 x 4 x 6 mm. Wyniki obliczeń porównywano z wynikami badań eksperymentalnych przeprowadzonych na próbkach o podanych wymiarach, które austenityzowano przy temperaturze 87 C przez 3 min w elektrycznym piecu komorowym, a następnie hartowano w badanych olejach przy temperaturze 2 C. Po ochłodzeniu próbki przecinano prostopadle do dłuższej osi próbki w odległości 2 mm od powierzchni podstawy, w dalszej kolejności przygotowano zgłady metalograficzne. Powierzchnie zgładów trawiono 4-proc. roztworem HNO 3 w alkoholu (nital) i obserwowano na mikroskopie świetlnym Reichert MeF2. Po rejestracji obrazów mikrostruktury na próbkach badano rozkład twardości na przekroju próbki wzdłuż dwóch osi przekroju. Wyniki badań Przykład wyników analizy krzywej szybkości chłodzenia oleju Hartex 7S przedstawiony jest na rys. 1. Zaznaczono na nim charakterystyczne parametry wykorzystywane w równaniach od [1] do [4] do obliczania współczynników cechujących zdolność chłodzącą oleju. Wpływ temperatury oleju na wartości szybkości maksymalnej chłodzenia v max oraz szybkości chłodzenia przy temperaturze 3 C, v 3, przedstawiono na rys. 2. Jak widać, badane oleje różnią się wartościami maksymalnych szybkości chłodzenia v max. Największą maksymalną szybkość chłodzenia ma olej Hartex M A J- C Z E R W I E C 213
2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Rys. 1. Wyniki analizy krzywej szybkości chłodzenia dla oleju Hartex 7S, temperatura oleju: 7 C v, oc/s 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 v max v 3 1 2 3 4 5 2 4 6 8 1 12 T, oc Rys. 2. Wpływ temperatury oleju na szybkości chłodzenia, v max (linie 1-5) oraz v 3 (linie w dolnej części rysunku), 1 Hartex 7S, 2 Hartex 12, 3 OH7, 4 Hartex 7, 5 OH12M Hartex 7S Hartex 7 Hartex 12 OH7 OH12M 2 4 6 8 1 12 Rys. 3. Wpływ temperatury na wartość współczynnika zdolności chłodzącej badanych olejów 7S, najniższą zaś olej OH12M. Ze wzrostem temperatury oleju rośnie nieznacznie wartość v max w przypadku wszystkich olejów. Ze wzrostem temperatury oleju od 2 do 7 C maleją wartości szybkości chłodzenia przy temperaturze 3 C. Od temperatury 7 C różnice pomiędzy wartościami v 3 dla badanych olejów są nieznaczne. Ze względów praktycznych wartość szybkości chłodzenia przy temperaturze 3 C, v 3, powinna być możliwie mała, gdyż temperatura ta jest zbliżona do temperatury początku przemiany martenzytycznej M s i niska wartość szybkości chłodzenia w zakresie przemiany martenzytycznej zmniejsza powstające naprężenia cieplne. W tab. 1 zamieszczono wartości temperatur przejścia z fazy powłoki gazowej do wrzenia pęcherzykowego T gw z fazy wrzenia do konwekcyjnej T wk oraz obliczonych parametrów zdolności chłodzącej poszczególnych olejów, HP 2 i H. Jak wynika z przedstawionych w niej danych, badane oleje różniły się wartościami temperatur T gw i T wk. Najwyższe wartości temperatury przejścia z fazy gazowej do fazy wrzenia T gw ma olej Hartex 12 i mieszczą się one w zakresie od 712,1 do 734,6 C, najniższe zaś olej OH12M (zakres od 63,2 do 644,9 C). W przypadku temperatury przejścia z fazy wrzenia w fazę konwekcyjną T wk wyższe wartości mają oleje Hartex 12 (zakres od 41,5 do 427,4 C) i Hartex 7 (zakres od 398 do 416,1 C). Zakres wartości T wk pozostałych olejów wynosi od 33,3 do 376 C. Graficzne przedstawienie wartości współczynnika zdolności chłodzącej badanych olejów przedstawione jest na rys. 3. Największe wartości w stosowanym zakresie temperatur badanych olejów wykazuje Hartex 7S i mieszczą się one w zakresie od 17,74 do 191,54. Najniższe wartości w zakresie temperatur od 7 do 11 C wykazuje olej Hartex 12. Parametr dla tego oleju maleje wraz z temperaturą od 138,2 do 87,53. Parametr HP 2 obliczony na podstawie krzywych szybkości chłodzenia jest mniej miarodajny, gdyż dotyczy pomiarów szybkości chłodzenia przy braku mieszania oleju. M A J- C Z E R W I E C 213
Może mieć charakter orientacyjny. Największe wartości współczynnika HP 2 wykazuje olej Hartex 7S, najniższe oleje Hartex 7 i Hartex 12. Wartości współczynnika intensywności chłodzenia (H) mieszczą się w przedziale od,172 do,354. Na rys. 4 przedstawiono porównanie zależności temperatury od szybkości chłodzenia T = f(v) oraz zależności współczynnika przejmowania ciepła od temperatury powierzchni próbki, = f(t) obliczone dla krzywych chłodzenia uzyskanych przy temperaturach olejów równych 7 C (Hartex 7S, Hartex 7, OH7) i 11 C (Hartex 12 i OH12M). Jak widać na rys. 4b, na wykresach zależności = f(t) wartości współczynnika przejmowania ciepła silnie zależą od temperatury. Na krzywych wyróżniają się trzy zakresy temperaturowe, odpowiadające poszczególnym fazom chłodzenia: powłoki gazowej, wrzenia pęcherzykowego oraz konwekcyjnej. W okresie wrzenia pęcherzykowego wartość współczynnika rośnie wraz ze spadkiem temperatury do wartości maksymalnej, a następnie maleje. W fazie konwekcyjnej wartość maleje znacznie wolniej, podobnie jak w fazie powłoki gazowej. Badane oleje różnią się wartościami maksymalnymi współczynnika oraz temperaturą, przy której osiąga wartość maksymalną. Największą wartość, równą 36 W/m 2 C, osiąga olej Hartex 7S przy temperaturze 55 C, najmniejszą zaś olej OH12M, dla którego wartość maksymalna jest równa 2452 W/m 2 C przy temperaturze 52 C. Przykład wykorzystania obliczonych współczynników przejmowania ciepła badanych olejów hartowniczych do komputerowej symulacji (za pomocą programu Heat_CTP) procesu hartowania próbek wykonanych ze stali 34CrMo4 przedstawiony jest na rys. 5. Położenie krzywych chłodzenia powierzchni (krzywa z prawej strony) i środka próbki (krzywa z lewej strony) na wykresie CTPc wskazuje, że po hartowaniu próbki w oleju Hartex 7S próbka będzie miała mikrostrukturę bainityczną. Obserwacje mikrostruktury próbki potwierdzają wyniki symulacji procesu hartowania z wykorzystaniem obliczonej charakterystyki współczynnika przejmowania ciepła. a) b) W/m 2 C 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4 35 3 25 2 15 1 5 2 4 6 8 1 v, o C/s 4 1 5 5-OH12M 4-OH7 2-Hartex7 1-Hartex7S 3-Hartex12 2 4 6 8 1 Rys. 4. Zależności: a) T = f(v) oraz b) = f(t) badanych olejów Podsumowanie Własności mechaniczne stali po obróbce cieplnej zależą od składu chemicznego stali oraz od parametrów procesu obróbki cieplnej. Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego są poddawane hartowaniu z następnym średnim lub wysokim odpuszczaniem. Celem pierwszego etapu jest uzyskanie w przeważającej części przekroju mikrostruktury martenzytycznej. Od ilości martenzytu w strukturze stali powstającej podczas hartowania zależą własności mechaniczne po końcowej obróbce cieplnej. Podczas hartowania stali stosuje się ciekłe ośrodki chłodzące (woda i roztwory wodne soli, wodorotlenków, polimerów oraz oleje hartownicze). Im niższa hartowność stali, tym wyższa jest szybkość chłodzenia, pozwalająca uzyskać mikrostrukturę martenzytyczną. Wyższa szybkość chłodzenia powoduje 2 3 Hartex7S Hartex7 Hartex12 OH7 OH12M jednak powstawanie większych naprężeń cieplnych i strukturalnych, które mogą powodować powstawanie wad (pęknięć hartowniczych, zmiany kształtu wskutek odkształceń plastycznych wywoływanych powstającymi naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi). Dlatego ważnym zagadnieniem jest właściwy dobór ośrodka hartowniczego, pozwalającego uzyskać żądaną mikrostrukturę zapewniającą wymagane własności mechaniczne po końcowej obróbce cieplnej przy możliwie niskich naprężeniach cieplnych. Znajomość charakterystyk ośrodków chłodzących jest niezwykle pomocna przy planowaniu procesów obróbki cieplnej. Wśród stosowanych w obróbce cieplnej ciekłych ośrodków hartowniczych ważną rolę odgrywają oleje hartownicze, które umożliwiają uzyskanie mikrostruktury martenzytycznej przy możliwie niskich naprę- M A J- C Z E R W I E C 213
OLEJ T, C T GW, C T WK, C HP 2 H Hartex 7S 2 712,7 362,5 17,74 432,49,292 7 79, 379, 191,54 432,86,266 11 77, 359,3 183,57 512,,265 Hartex 7 2 685, 41,6 171,22 41,31,255 7 679,8 416,1 123,51 47,22,234 11 681,2 398, 115,41 139,32,214 Hartex 12 2 712,1 427,4 138,2-37,83,241 7 727,7 41,5 96,87 57,74,184 11 734,6 412,3 87,53 7,45,172 OH7 2 657, 343,1 161,56 395,94,347 7 655,8 358, 165,22 385,16,317 11 654,1 362,3 162,14 356,93,316 OH12M 2 63,2 33,3 1,59 242,52,354 7 641,5 376,9 115,11 133,32,276 11 644,9 364,4 12,14 191,76,262 Tab. 1. Zestawienie wartości temperatur T gw, T wk i obliczonych parametrów zdolności chłodzącej olejów hartowniczych żeniach cieplnych w stali o większej hartowności. W pracy przedstawiono wyniki badań grupy olejów hartowniczych produkowanych przez firmę Orlen Oil SA. Badane oleje cechują się zróżnicowaną zdolnością chłodzącą. Umożliwiają więc hartowanie stali o szerokim zakresie hartowności. Znajomość charakterystyk zdolności chłodzącej prezentowanej zależnością współczynnika przejmowania ciepła od temperatury może być bardzo pomocna przy doborze odpowiedniego ośrodka hartowniczego. Stanowi również ważne źródło danych fizycznych, wykorzystywanych przy komputerowym modelowaniu procesu technologicznego obróbki cieplnej. Opracowany program komputerowy Heat_CTP może stanowić użyteczne narzędzie wspomagające projektowanie procesu obróbki cieplnej. Autor pragnie podziękować firmie Orlen Oil SA za udostępnienie materiału do analizy, a mgr. inż. Jerzemu Frankowi i mgr. inż. Marcinowi Osice za dyskusję w trakcie prowadzenia badań. Niniejsze badania wykonano w ramach pracy statutowej nr 11.11.11.82. Piśmiennictwo 1. ivf SmartQuench, Users guide, 4-th ed., March 27. 2. Totten G.E., Bates C.E., Clinton N.A.: Handbook of quenchants and quenching technology, ASM International, 1995. T, C 8 7 6 5 4 3 2 1 34CrMo4 BV1 1 1 3 4 5 log(czas), s Rys. 5. Ekran prezentacji wyników obliczeń programu Heat_CTP, wykres CTPc z krzywymi chłodzenia powierzchni i środka próbki 3. Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza. PWN, Warszawa Kraków 1976. 4. Metaloznawstwo. Red. A. Maciejny, Śląskie Wydawnictwa Techniczne, Katowice 1994. 5. Poradnik inżyniera. Obróbka cieplna stopów żelaza. Red W. Luty, WNT, Warszawa 1977. 6. Luty W.: Chłodziwa hartownicze. WNT, Warszawa 1986. 7. Tamura I., Shimizu N., Okadu T.: Journal of Heat Treating, 1984, v. 3, s. 335. 8. Pawłowski B.: Temperatury krytyczne w stalach. Wydawnictwo AGH, Kraków 212. 9. Trzaska J., Dobrzański L.: Journal of Materials Processing Technology, 27, v. 192-193, s. 54. 1. Adrian H., Osika M., Franek J., Augustyn-Pieniążek J., Marynowski P.: Analiza współczynnika przejmowania ciepła wybranych olejów hartowniczych, Oil. Hutnik Wiadomości Hutnicze, 213 (przyjęto do druku). 11. Adrian H., Adrian A.: Numeryczne obliczanie twardości stali konstrukcyjnych po obróbce cieplnej, Hutnik Wiadomości Hutnicze, 27, nr 74 (4), s. 196-21. 12. Adrian H., Adrian A., Augustyn-Pieniążek J., Głowacz E.: Obliczanie własności mechanicznych stali konstrukcyjnych po hartowaniu i odpuszczaniu. Hutnik Wiadomości Hutnicze, 212, nr 79 (4), s. 232-237. 13. Adrian H.: Numeryczne modelowanie procesów obróbki cieplnej. Wydawnictwa AGH, Kraków 211. 14. Adrian H., Kowalski J., Marynowski R., Kowalski D., Augustyn-Pieniążek J.: Analiza numeryczna procesu obróbki cieplnej wielkogabarytowych odkuwek dla przemysłu energetycznego. Hutnik Wiadomości Hutnicze, 212, nr 79 (9), s. 714-719. 15. Sprawozdanie z badań dla Orlen Oil SA: Opracowanie zasad doboru oleju hartowniczego wraz z jego oceną jakościową w zależności od geometrii hartowanego detalu i charakterystyki stali. AGH, Kraków 212. M A J- C Z E R W I E C 213