SE457088B - Foerfarande foer haerdning av jaernlegeringar i vattenbaserat medium - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 457 088 _ 2 Generellt sett gäller att användning av härdningsoljor ger tillfredsställande resultat vad beträffar egenskaperna hos de härdade detaljerna. Det är dock välkänt att användning av härd- ningsoljor i industriell skala är förknippad med nackdelar och begränsningar såsom: smutsiga fabriker, förorening av miljön, ibland oangenäm lukt, risker för antändning, nödvändighet att föruppvärma oljetankarna och att avfetta de härdade detaljerna, 6tC.

Av dessa olika skäl har man under många år försökt att åstadkomma vattenbaserade härdningsmedia, som inte uppvisar dessa olägenheter och som skulle bibringa de härdade detaljerna meka- niska egenskaper som är i huvudsak identiska med de som erhålles vid oljehärdning. Ukningen av priset för petroleumprodukter har gjort att forskningen på detta omrâde har intensifierats ytter- ligare. s Redan år 1960 rekommenderade företaget WYANDOTTE CHEMICAL i en kommersiell rapport användning av polyoxialkylen- glykoler som tíllsatsmedel till vattenbaserade härdningsmedia.

Produkten, som gick under det registrerade varumärket PLURACOL V 10, hade en molekylvikt av från 25 000 till 35 000.

I ovannämnda "Metals Handbook" anges att tillsats av 0,01 % polyvinylalkohol till härdníngsvattnet väsentligt ökar' avkylningshastigheten under kalefaktionssteget.

I FR-A-I 384 244 (= US 3 220 893) beskriver UNION CARBIDE vattenbaserade media baserade på polyalkylenglykoler med tillsatser av anti-korrosíonsmedel sásom_nitrit eller bora- ter.

I FR PS 1 525 603 i namnet B.A.S.F. AG rekommenderas tillsats av en vattenlöslig polymer innehållande grupper (-CO-NH-) i en andel av mellan 0,1 och 1 viktprocent.

I DE patentansökan 2 349 225 använder man sig av till- sats av från 0,4 till 10 viktprocent av ett polyakrylsyrasalt i vatten.

I FR PS 2 316 336 (= US 4 087 290) i namnet HOUGHTON & CO är tillsatsmedlet likaså ett vattenlösligt salt av poly- akrylsyra.

Slutligen rekommenderas i US PS 3 902 929 i namnet PARK CHEMICAL COMPANY användning av polyvinylpyrrolidon med en medelmolekylvikt av mellan 5000 och 400 000 samt med tillsats av nítrit och/eller borax (Na2B4O7) som anti-korrosionsmedel. 10 15 20 25 30 35 40 _ 3 457 oss I industriell skala tycks det emellertid som om de olika kompositioner som har beskrivits i den tidigare kända tekniken inte leder till resultat som är identiska med eller åtminstone jämförbara med de resultat som erhålles vid härdning med olja.

I realiteten uppträder i vattenbaserade media tre stora svårigheter: ' - instabilitet och icke-reproducerbarhet i steget med uppvärm- ning och övergång med nukleär kokning, - positionen, i närheten av 100°C (kokpunkten för vatten) för övergången mellan steget med nukleär kokning och konvektions- steget, - den relativt låga hastigheten för konvektionen under 100°C.

Det ideala vattenbaserade härdníngsmediet för ferro- legeringar skulle göra det möjligt att stabilisera uppvärmnings- steget - och eventuellt att eliminera det helt och hållet - och att få övergångspunkten, vilken benämnas G2, mellan nukleär- kokningssteget och konvektionssteget att ligga inom området från 330 till 350°C, varvid temperaturen 3S0°C i genomsnitt motsvarar den punkt benämnd Ms som markerar begynnelsen av martensitomvand- ling. Vad beträffar den punkt som benämnes 01, som motsvarar övergångstemperaturen mellan uppvärmningssteget - när sådant föreligger - och steget för nukleär kokning, kan denna ligga mellan 450 och 700°C, beroende på typen av olja. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkom- ma ett förfarande för härdning i vattenbaserat medium, vilket gör det möjligt att reproducera de resultat som erhålles vid oljehärdning och att till och med förbättra dessa, eftersom det eliminerar uppvärmnings- eller kalefaktionssteget och höjer temperaturen eZ till sso°c.

Detta förfarande består i att nedsänka den ståldetalj som Skall härdas, vilken har bringats till en temperatur över 7so°c och vanligtvis tili en temperatur me11en soo een 9so°c, i ett vattenbaserat medium baserat på polyvinylpyrrolídon (PVP) och ett tillsatsmedel för reversibel utfällning och att utsätta mediet för omröring så att man försäkrar sig om konstant för- nyelse genom cirkulation av härdningsfluidum omkring den detalj som skall härdas. Företrädesvis bör polyvinylpyrrolidonen ha en medeimeiekyivikt ev minst 4oo ooo, een för att de basteire- sultaten skall uppnås, av mellan S00 000 och 1 000 000. 10 15 20 25 30 35 457 088 ~ 4 Den optimala koncentrationen av PVP ligger mellan S och S0 gram per liter vatten, företrädesvis mellan 10 och 35 gram.

Utfällningstíllsatsmedlet kan väljas inom ett stort område av substanser vilka, då de kommer i kontakt med de detaljer som härdas vid den tidpunkt då de placeras i härdningsmedia, för- orsakar "reversibel" utfällning av PVP, varvid uttrycket "rever- síbel" anger att, när den detalj som hârdas har uppnått termisk jämvikt med härdningsmediet, det skikt av PVP, som har fallit ut i värme, återupplöses helt och hållet. Det torde observeras, att detta fenomen är speciellt för PVP och ej är av samma natur som den reverserade löslíghet som uppträder i fallet vattenlös- liga polymerer vilka har syrebryggor i sin molekylstruktur, på vilka bryggor en molekyl vatten kan fixeras reversibelt som en funktion av temperaturen.

Tillsatsmedel som förorsakar utfällning av PVP har studerats teoretiskt, speciellt i artiklarna av B.Jirgensons: Solubílity and fractionation of PVP, Journal of Polymers Science, 1952, §, nr 5, sid 519-527, och J. Elissaf S. Erícksson och F.R. Eirich, Journal of Polymers Science, 1§60, ll, sid 193- 202 (samverkan mellan PVP och sam-upplösta substanser). Dessa tillsatsmedel för reversibel utfällning kan vara antingen vat- tenlösliga organiska lösningsmedel, såsom aceton eller alkoholer, eller oorganiska salter eller mineralsalter och i synnerhet nat- riumsalter, såsom klorid, sulfat, perklorat, tiocyanat, borax, difosfat, hydroxíd, eller ammoniumsalter såsom sulfatet. Av dessa tíllsatsmedel har natriumklorid och dínatriumsulfat Na2S04 visat sig vara speciellt väl lämpade för användning enligt upp- finningen, vid en koncentration av från 50 till 150 gram per liter i fallet NaCl och vid en koncentration av från 5 till 50, företrädesvis från 5 till 10, gram per liter vatten i fallet Na2S04. Den omröring, som är nödvändig för att optimala egen- skaper hos härdningsmediet skall erhållas, kan åstadkommas med hjälp av en cirkulerande anordning, t.ex. där vätskan tas ut och àterinsprutas vid två olika punkter av kärlet. Kraftigare omröring - till exempel genom insprutning av härdningsfluidumet vid ett tryck av nâgra bar - är likaså lämpligt.

Uppfinningen användes under följande betingelser: Stâlprovbitar med en diameter av 20 och SS mm och en.höjd av 60 respektive 105 mm (tidigare upphettade till 850°C under 10 15 20 ZS 30 35 457 088 5 20 minuter) härdades i en tank innehållande 15 liter vattenbase- rat härdningsmedium enligt uppfinningen, vilket medium hàlles under omröring genom recirkulatíon.

Försöken utfördes på stål med följande kemiska samman- sättning: Benämning 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 Härdningsmediet erhölls av PVP-K 90 från företaget BADISCHE ANILIN und SODA FABRIK (BASF); denna PVP hade enligt tillverkaren en medelmolekylvikt av cirka 700 000.

Koncentrationen av PVP varieras mellan 5 och 50 gram/ liter, koncentrationen av Na2SO4 mellan 5 och 30 gram/liter och koncentrationen av NaCl mellan 50 och 200 gram/liter.

För varje försök registrerades med hjälp av ett ter- moelement placerat i provbiten temperaturförändringen som en funktion av tiden, och man noterade temperaturen vid punkterna 91, G2, som är övergången mellan nukleärkokning och konvektion.

När 91 nedkylning.

I tabellerna 1 och 2 anges resultaten av dessa försök, varvid tabell 1 är en jämförelsetabell och tabell Z avser upp- finningen. Figurerna 1 till S visar resultaten av mätningar av Vickers (HV30)-hårdheten på tvärsnittet av avskurna provbitar utan upphettning, till halva höjden, i ett plan vinkelrätt mot deras axel. som är övergången mellan uppvärmning och nukleärkokning, och är vid 850°C, visar detta att det inte föreligger någon stål 37C4 med diametern 35 mm. stål stål stål stål ett ett ett ett ett Figur arser 37C4 med diametern 20 mm. 42CD4 med diametern 40 mm.

SSCD4 med diametern 20 mm.

SSCD4 med diametern 35 mm.

Figur avser Figur avser Figur avser Lfl-ÄUINI-fl Figur avser 457 088 6 TABELL 1 - Jämförelseförsök: Härdningsmedium och betingelser G] °C 92 °C vatten mellan 20 och so°c snmpmässig 1oo°c Konventionell härdningsolja av S0°C, ej omrörd 480 350 Härdningsolja av s.k. hög kvalitet, vid 50°C, ej omrörd 655 350 Tíllsatsmedel för vattenhärdning vilka - f.n. finns på-marknaden, vid 20°C shnmässig 100-20090 PVP + vatten av 20°C S g/1 325 100 utan omröríng 10 g/l 325 125 15 g/1 300 125 20 g/1 310 140 35 g/1 300 140 50 g/1 300 140 PvP + vatten av 2o°c s g/1 625 1oo omröríng genom recír- kulatíon 10 g/1 600 130 15 g/l 340 125 20 g/l 340 160 35 g/1 320 160 S0 g/1 320 160 TABELL Z - Användning av uppfinningen: 4557 Û¿š8 Omröring genom recirkula- tion zo°c Härdníngsmedium och betingelser 1 ° 92 °C NaCl i g/1 PVP + H20, 15 g/l 50 850 355 100 850 350 Omröring genom recirkula- 150 850 130 tion 200 850 130 zo°c Na2SO4 g/1 PVP + H20, 15 g/l 5 850 330 10 850 330 N . . 20 850 325 Omroring genom recirkula- tion 30 850 325 zo°c Salt av PVP g/1 Koncentratíon av Na2S04 15 850 330 konstant och lika med 20 850 340 5 g/l 30 850 350 Omröring genom recirkula- 35 850 380 tion zo°c Koncentratíon av Na2S04 35 850 350 konstant och lika med 40 850 300 10 g/1 so 725 zoo Man kan konstatera, att härdningsmediet enligt uppfinningen ger termíska resultat som är ekvivalenta med de för de f.n. kända bästa oljorna, och att de dessutom eliminerar uppvärmningen eller kalefaktionen (vilket ej är fallet med oljor- na) och höjer punkten 92 till 350°C (och till och med något högre i det bästa fallet). 10 15 20 25 30 457 088 ' 8 De optimala koncentrationerna ligger vid cirka 15 g/l för PVP, mellan 50 och 100 g/l för NaCl och mellan 5 och 10 g/l för NazSO4.

De mekaniska försöken, för vilka resultaten anges i figurerna 1 :in s, erhölls med en häraningsmeaium av zo°c, vilket omrördes genom recírkulation och utgjordes av: - rent vatten av ZOOC (kurva nr 1) - olja av S0°C (kurva nr 2) som jämförelse, - två vattenbaserade media enligt uppfinningen med: . 12,5 g/l av PvP + s g/1 av Na2so4 av zo°c (kurva nr s) . 35 g/l av PVP + S g/1 av Na2SO4 av 20°C (kurva nr 4).

Man ser tydligt att: 1) Vatten och olja ger så kallade U-formade hårdhetsprofiler, över provbitens tvärsnitt, eftersom de uppvisar en nedsänk- ning vid kärnan förorsakad av dålig överföring av värme mel- lan provbitens kärna och härdningsmediet. 2) Härdningsmediet enligt uppfinningen ger praktiskt taget platta hårdhetsprofiler eller -kurvor, vilket är resultat som inget f.n. känt vattenbaserat härdníngsmedium kan åstadkomma eller ens komma i närheten av.

Dessutom är det viktigt att understryka att denna platta profil erhålles utan någon förändring av den totala hard- heten, vilken förblir ekvivalent med den som erhålles med rent vatten (PVP vid 12,5 g/1] eller olja (PVP vid 35 g/l).

Slutligen gäller att härdningsmedlen enligt uppfin- ningen uppvisar samma fördelar som alla tidigare kända vatten- baserade medel baserade på vattenlösliga polymerer, frånvaro av lukt, risk för antändning och toxicitet, enkel rengöring av de härdade detaljerna samt bionedbrytbarhet för effluenterna.

På samma sätt som andra kända vattenbaserade härd- ningsmedel kan de slutligen ha tillsatser i form av olika anti- korrosíonsmedel eller biocider.

Claims (7)

457 088 PATENTKRAV

1. Förfarande för härdning, i vattenbaserat medium, av detaljer av järnlegeringar och speciellt kolstål samt legera- de och lätt legerade stal, vilka har bringats till för- höjd temperatur överstigande 750°C, vanligtvis mellan 800 och 950°C, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda detaljer införes i ett härdningsmedíum som utgöres av en vattenbaserad lösning av polyvínylpyrrolidon med tillsats av ett tillsatsmedel, som pà ytan av detaljerna, när dessa införes i härdningsmediet, åstad- kommer en reversibel utfällning av polyvinylpyrrolidon, och att härdníngsmedíet utsättes för omröring.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att polyvinylpyrrolidonen har en medelmolekylvikt överstigande 400 000 och företrädesvis mellan 500 000 och 1 000 000. 1

3. Förfarande enligt krav 1, k ä nn e t e c k n a t av att härdningsmediet innehåller från 5 till 50 gram, företrä- desvis från 10 till 35 gram, polyvinylpyrrolidon per liter vatten.

4. Förfarande enligt något av kraven 1, 2 och 3, k ä n n e t e c k n a t av att tillsatsmedlet, som förorsakar utfällning, väljes bland aceton, alkoholer, natriumsalter och vattenlöslíga ammoniumsalter.

5. Pörfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att tillsatsmedlet, som förorsakar utfällningen, ínföres i härdníngsmediet i en koncentration av mellan S och 150 gram, företrädesvis mellan 50 och 100 gram, per liter vatten.

6. Förfarande enligt krav 5, k-ä n n e t e c k n a t av att tillsatsmedlet är natriumklorid vid en koncentration av mellan 50 och 100 gram per liter.

7. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att tillsatsmedlet är dínatriumsulfat vid en koncentration av från 5 till S0 gram, företrädesvis från S till 10 gram, per liter Vatten.