Расплавленные соли и щелочно-соляные ванны

Ступенчатая и изотермическая закалка требуют охлаждающих сред с рабочей температурой в пределах 150 - 550 °С. Такими средами могут быть уже описанные ранее высокотемпературные минеральные закалочные масла, расправленные соли или щелочи, некоторые легкоплавкие металлы и их сплавы, а также диспергированные среды. Среди металлов издав­на наиболее часто применялся свинец (в основном в процессе патентирования проволоки) или его сплав с оловом. Однако из-за токсич­ности паров свинца, а также из-за отсутствия существенной разницы в охлаждающей способности по сравнению с расплавленными солями он в настоящее время почти не применяется. Область применения диспергированных сред для рассмотренной цели также незначительна [1]. Исходя из этого, а также учитывая, что высокотем­пературные минеральные масла имеют очень узкий температурный диапазон эксплуатации (150 – 200 °С, реже 250 °С), наиболее широкое применение для ступенчатой и изотермической закалки нашли рас­плавленные соли и щелочи.
Механизм теплообмена во время охлаждения в расплавленных солях, металлах и диспергированных средах совершенно другой, чем в жидкостях, подвергающихся кипению при температурах более низких, чем темпе­ратура закаливаемых деталей. В соответствии с законом Ньютона плотность теплового потока, а следовательно, и скорость охлаждения, пропорциональна градиенту температуры на поверхности. Следова­тельно, эта скорость максимальна в начальный период охлаждения (около 800—700 °С), а не как это требует кинетика фазовых превра­щений в области перлитного превращения. Это является основной причиной, ограничивающей возможность ступенчатой и изотермической закалки деталей только малых и иногда средних сечений.
Охлаждающая способность соляных ванн, как правило, невелика, но может подвергаться регулировке в довольно широких границах путем изменения интенсивности циркуляции, а также добавления воды. Особенно эффективно совместное влияние обоих факторов. Теплопроводность расплавленных солей на два порядка меньше, чем расплавленных металлов, но теплоемкость солей значительно превы­шает теплоемкость металлов. Если теплоемкость расплавленного свинца достигает ~125 кДж/(кг.К), то для селитровых ванн и щелочей эта величина по крайней мере в 10 раз больше. Благодаря этому, а также значительно меньшей вязкости соляной ванны по сравнению с металлами, в охлаждающей способности этих двух типов охлаждаю­щих сред не наблюдалось существенной разницы
К основным недостаткам селитровых ванн относится их внезапное химическое разложение после превышения допустимой температуры, а также экзотермическая реакция с горючими материалами. Эти реак­ции могут вызвать пожар и даже взрыв. Поэтому безопасная эксплу­атация ванн этого типа требует прямого выполнения соответствующих правил. Расплав­ленные соли и щелочно-хлористые соли значительно безопаснее, но с точки зрения их более высоких температур плавления они не могут в полной мере заменить селитровые ванны.
Температуры ванн для ступенчатой и изотермической закалки диктуются положением температуры начала мартенситного превра­щения Ms, данной марки стали при определенных пара­метрах аустенитизации. С этой точки зрения каждый из применяемых в настоящее время типов ванн (масла, селитры, ванны преимущест­венно щелочные) имеет свою область применения, которая, однако, частично может перекрываться с областью другого типа ванны. Для масел эта область не превышает 250 °С, для селитровых ванн 160 - 500 °С, а для щелочных ванн 350 - 600 °С. Добавка воды снижает температуру плавления соляных и щелочных смесей и благодаря этому расширяет область их применения в сторону более низких температур. Конструкционные стали в зависимости от сорта и других технологи­ческих факторов требуют обычно температуру около 200 – 350 °С, в то время как быстрорежущие стали закаляют ступенчато в ваннах с температурой 450—600 °С.
Селитровые соли способствуют незначительному окислению поверхности и ее окрашиванию, в то время как после охлаждения в щелочах поверхность чистая, светло-серого цвета. Остатки соли на поверхности деталей легко растворяются в воде, особенно при повышенной температуре.