Измерение и регистрация интенсивности закалки в производственных условиях на основе температурных градиентов

Введение

Охлаждающие характеристики жидкой охлаждающей среды обычно определяются в лабораторных условиях с использованием небольшого цилиндрического зонда с одной термопарой в его геометрическом центре. Описаны причины, по которым результаты лабораторных испытаний не отражают реальную интенсивность закалки заготовок в цеховых условиях. Вместо этого новый зонд Petrofer с большой массой, имеющий три термопары, используется для измерения и регистрации реальной интенсивности закалки в производственной практике. Принцип работы этого датчика заключается в измерении динамики отвода тепла, которая лучше всего представлена ​​изменением температурных градиентов. Метод температурного градиента и зонд Petrofer описаны на примере закалки в минеральном масле при комнатной температуре без перемешивания. Объясняется расчет коэффициента теплопередачи, а также отличительные характеристики записанных кривых охлаждения и данных теплопередачи, рассчитанных при использовании зонда Petrofer. Для беспристрастного анализа и использования результатов, полученных с помощью нового зонда, используются шесть характерных критериев из соответствующих диаграмм. На основании выбранных испытаний с новым датчиком влияние температуры охлаждающей жидкости и скорости перемешивания на интенсивность охлаждения показано в числовой форме для минерального масла и воды. Серия из 26 испытаний доказала, что: (1) результаты, полученные с помощью нового зонда и метода, предоставили информацию, которую нельзя получить с помощью небольших лабораторных зондов; (2) новый метод достаточно чувствителен, чтобы четко различать результаты при изменении некоторых параметров закалки (температуры ванны или скорости перемешивания); и (3) зонд Petrofer может использоваться для различных типов жидких закалочных веществ при различных условиях закалки, обычно встречающихся в промышленной практике.

Вступление

Охлаждающие характеристики жидкой охлаждающей жидкости обычно определяются путем анализа кривой охлаждения с использованием лабораторных испытаний. Для закалочных масел это испытание обычно проводится в соответствии с ISO 9950 [1] или ASTM D6200-01 [2]. Для сред полимеров, где требуется перемешивание, используется ASTM D6482-06 [3] или ASTM D6549-06 [4]. Во всех этих методах испытаний используется небольшой цилиндрический зонд диаметром 12,5 мм и длиной 60 мм с одной термопарой в его геометрическом центре. Следовательно, точка измерения температуры находится на расстоянии 6,25 мм от поверхности и (хотя масса и теплоемкость этого зонда очень мала) существуют некоторые эффекты демпфирования и запаздывания, что снижает чувствительность зонда при турбулентной и хаотической теплопередаче, на поверхности (как, например, в средах полимера). Такие испытания неоценимы для оценки закалочного действия закалочных жидкостей или при разработке новой закалочной жидкости (при добавлении нового компонента), а также для регулярного контроля закалочной ванны. Однако эти испытания имеют ограниченную ценность для измерения и регистрации реальной интенсивности закалки, когда закалка применяется для закалки заготовок в производственных условиях.

Небольшие лабораторные датчики не могут предоставить правильные входные данные для моделирования и изучения закалки реальных деталей, и существуют различия между коэффициентами теплопередачи, рассчитанными для небольших датчиков и для больших датчиков или для реальных деталей по причинам, изложенным ниже.

ОЧЕНЬ КОРОТКОЕ ВРЕМЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

Время охлаждения маленького зонда составляет лишь небольшую часть времени охлаждения реального инженерного компонента. Из-за своей малой массы и низкой теплоемкости он охлаждается примерно за 10–30 с, тогда как реальной заготовке диаметром 50 мм обычно требуется от 500 до 600 с для охлаждения до температуры ниже 200 °C в ее центре при закалке в охлаждающее масло без перемешивания.

ЗАВИСИМОСТЬ HTC ОТ ДИАМЕТРА ШИРИНЫ

Коэффициент теплопередачи (HTC) при пузырьковом кипении зависит от диаметра стержня [5]. Эта зависимость особенно велика для диаметров менее 50 мм. Следовательно, при тех же условиях закалки и закалки HTC на поверхности цилиндра малого диаметра сильно отличается от HTC на поверхности реальных заготовок, которые обычно имеют гораздо большие размеры сечения.

ОТЛИЧИЯ ТТС ДЛЯ ЗОНДОВ ДИАМЕТРОМ 20, 50 И 80 ММ

Недавняя работа [6] показала эти различия как функцию температуры поверхности (рис. 5) и как функцию времени (рис. 6), где различия в максимальном значении HTC и времени, когда возникают их максимумы.

Помимо различий в HTC между маленькими датчиками и датчиками, похожими на реальные детали, маленькие датчики не могут использоваться при закалке реальных инженерных компонентов в условиях мастерской, потому что:

• Они не могут различить четыре типа режимов теплопередачи, которые могут возникнуть в процессе закалки (см. Следующее обсуждение), когда возможно, что одна и та же записанная кривая охлаждения является результатом разных режимов теплопередачи.

• Для некоторых водных растворов полимеров записанные кривые охлаждения малых датчиков не будут показывать очень хаотичные и турбулентные переходные температуры поверхности, которые наблюдаются с большими датчиками с приповерхностной термопарой, как показано на рис. 2b.

• Маленький зонд не может регистрировать среду закалки в цехе и использовать параметры, включая температуру закалки, скорость перемешивания, направление потока и расположение (стеллажи) загрузки заготовок в партии, которые полностью отличаются от тех, которые используются для лабораторных испытаний.

При погружении горячих металлов (850 C) в испаряющиеся жидкости, такие как закалочные масла или растворы полимеров, существует четыре возможных режима теплопередачи на их поверхности горячего металла [7].

ПЕРВЫЙ ТИП РЕЖИМА ТЕПЛООБМЕНА

На поверхности зонда одновременно присутствуют полное пленочное кипение и пузырьковое кипение. Фронт повторного смачивания, сопровождающий переход от полного пленочного кипения, который происходит в процессе охлаждения, обычно перемещается в осевом направлении вдоль поверхности металла во время охлаждения.

ВТОРОЙ ТИП РЕЖИМА ТЕПЛООБМЕНА

Первоначально пленочное кипение происходит по всей поверхности горячего металла. В определенный момент пузырьковое кипение мгновенно заменяет пленочное кипение. Когда кипение прекращается, происходит конвекционная теплопередача.

ТРЕТИЙ ТИП РЕЖИМА ТЕПЛООБМЕНА

Некоторые локализованные участки поверхности зонда закрыты паровой подушкой, в то время как в других областях наблюдается пузырьковое кипение.

ЧЕТВЕРТЫЙ ТИП РЕЖИМА ТЕПЛООБМЕНА

Пленочное кипение и пузырьковое кипение периодически сменяют друг друга при закалке.

Метод температурного градиента

Помимо различных закалочных масел (различных типов закалочных масел, различных растворов полимеров и других закалочных растворов на водной основе, ванн с расплавленными солями), существуют также различные методы закалки, включая прямую закалку погружением, интенсивную закалку, замедленную закалку, темперирование, аустемперирование, закалку распылением.

В настоящее время не существует метода, который позволил бы провести реальное сравнение различных закалочных веществ при различных условиях закалки и с использованием различных методов закалки. Основным критерием для такого сравнения является интенсивность закалки в течение всего процесса закалки, то есть способность отводить тепло от нагретой заготовки, что является динамикой отвода тепла. Следовательно, реальная интенсивность закалки в мастерской не может быть оценена с помощью одной единицы измерения, такой как значение H по Гроссману, а также ее нельзя измерить и записать с помощью небольшого зонда, используемого для лабораторных испытаний.

С физической точки зрения наиболее правильным способом измерения и регистрации динамики теплоотвода при закалке является плотность теплового потока (Вт / м2) на поверхности закаленной детали, по которой рассчитывается коэффициент теплопередачи (HTC). Эта плотность теплового потока (q) на поверхности заготовки по своей природе связана с изменяющимися градиентами температуры внутри заготовки по хорошо известному физическому правилу, согласно которому тепловой поток на поверхности тела прямо пропорционален градиенту температуры на поверхности, умноженная на теплопроводность материала охлаждаемого тела:

image (19)(1).png

где:

q = плотность теплового потока (Вт / м2), то есть количество тепла, передаваемого через единицу поверхности за единицу времени,

λ= теплопроводность материала (Вт / мК), а δT /δХ= градиент температуры внутри тела на поверхности тела, перпендикулярной к нему (К / м).

При измерении интенсивности охлаждения с помощью зонда с несколькими термопарами изменение теплового потока внутри зонда во временных интервалах может быть определено как разность температур (ΔT) или температурные градиенты между точками, где размещены термопары. Этот метод известен в литературе как метод температурного градиента.

Зонд Petrofer

Это большой зонд, предназначенный для измерения и регистрации интенсивности охлаждения всех видов жидких закалочных веществ в цехах, то есть для характеристики процессов закалки в промышленной практике. Его основная цель - сравнить интенсивность закалки между различными закалочными материалами и методами закалки при указанных параметрах закалки.

Благодаря своей цилиндрической форме он применим для расчета теплопередачи осесимметричных деталей диаметром от 20 до 100 мм. Зонд представляет собой цилиндр диаметром 50 мм и длиной 200 мм. На рис. 1а показан эскиз зонда с ручкой, а на рис. 1б - фотография самого зонда. Соотношение между длиной

а диаметр L / D=4:1 гарантирует, что рассеивание тепла через оба конца зонда будет незначительным, так что в поперечном сечении на половине длины, где расположены термопары (TC), существует только радиальный тепловой поток. Это предварительное условие для одномерного расчета теплопередачи.

Рисунок 1. Эскиз Petrofer зонд с ручкой (а), и фото Petrofer зонд (б).

ris1 (1).png

Зонд изготовлен из INCONEL 600, аустенитного сплава Ni-Cr, который при нагревании и охлаждении не претерпевает структурных преобразований и устойчив к окислению. Зонд снабжен тремя заземленными термопарами (ТП) в оболочке. Один ТС с внешним диаметром 1 мм помещается на 1 мм ниже поверхности, второй - на 4,5 мм ниже поверхности, а третий ТС в центре поперечного сечения на половине длины зонда. Все ТК располагаются по одному радиусу.

Размер зонда и его масса (3,3 кг без ручки) обеспечивают достаточную теплоемкость и радиально-симметричный тепловой поток в плоскости поперечного сечения, где расположены ТК. При помещении внешнего термостата (измеренные данные которого используются в качестве входных данных для расчетов теплопередачи) на 1 мм ниже поверхности обеспечивается минимальный эффект демпфирования переходных температур поверхности. Кроме того, эффект запаздывания (из-за температуропроводности) сводится к минимуму из-за небольшого расстояния до поверхности. Время отклика (которое зависит от внешнего диаметра) этого термопары диаметром 1 мм относительно невелико.

Испытательный зонд нагревают до 850 °C, пока центральный TC не достигнет этого значения, а затем быстро переносят в ванну для закалки и погружают вертикально. Чрезвычайно важно, чтобы перенос из печи в закалочную ванну всегда производился в течение одного и того же короткого периода времени, а также погружение зонда с одинаковой скоростью строго вертикально, чтобы можно было гарантировать равные условия охлаждения по всему периметру зонда.

Датчик подключен к системе сбора данных о температуре, которая содержит три аналого-цифровых преобразователя и усилителя, а также персональный компьютер. Программное обеспечение для сбора данных позволяет регистрировать все три выходных сигнала TC с частотой 0,02 с (50 измерений в секунду) в течение всего процесса закалки и одновременно строить три кривые охлаждения в реальном времени, как показано на рис. 2. При закалке в полимере этом случае режим теплопередачи на поверхности может быть очень хаотичным и турбулентным с очень неравномерными переходными температурами поверхности, как показано на рис. 2b.

Рисунок. 2 Кривые охлаждения, измеренные зондом Petrofer (PETROFER CHEMIE HR Fischer GmbH þ Co. KG, Хильдесхайм, Германия), закаленного в (а) минеральном масле с высокой скоростью охлаждения при температуре 50 °C без перемешивания, и (б) в растворе полимера с концентрацией 35 °С. C, с перемешиванием.

ris-2 (1).png


Имея внешний термостат очень близко к поверхности и делая демпфирующий эффект очень небольшим, зонд Petrofer может точно регистрировать и документировать характеристики теплопередачи, чего не могут делать маленькие зонды.

Ссылки

[1] ISO 9950, «Промышленные закалочные масла. Определение охлаждения. Характеристики - Метод испытания пробника из никелевого сплава, 1995 (E), Международная Организация по стандартизации, Женева, Швейцария, 1995 г.

[2] ASTM D6200-01, Стандартный метод испытаний для определения охлаждения. Характеристики закалочных масел по анализу кривой охлаждения, ASTM International,

Вест Коншохокен, Пенсильвания, 2012 г., www.astm.org

[3] ASTM D6482-06, Стандартный метод испытаний для определения охлаждения.

Характеристики водных полимерных сред по анализу кривой охлаждения. Агитация (метод Тенси), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2011,

www.astm.org

[4] ASTM D6549-06, Стандартный метод испытаний для определения охлаждения.

Характеристики охлаждения по анализу кривой охлаждения при перемешивании (Drayton Unit), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org

[5] Кобаско Н. И. Термические процессы при закалке стали // Металловедение и термическая обработка. Обработка Металлов, Вып. 3. 1968. С. 2–6.

[6] Lisˇcic´, B., Singer, S., и Beitz, H., «Зависимость коэффициента теплопередачи при закалке по диаметру цилиндрических заготовок », J. ASTM Int., Vol. 8, вып.

7. 2011. С. 1–9.

[7] Кобаско, Н. И., Батиста, А. А., мл., Канале, Л. К. Ф., Тоттен, Г. Э., Добривечир, В. В. «Охлаждающая способность кокосового масла, пальмового масла и товарной нефти. Нефть путем решения обратной задачи теплопроводности // Charact., Vol. 2, № 1, 2013, с. 319–338.

[8] Лисечич Б., Тенси Х. М. и Льюти У., ред., Теория и технология охлаждения. Springer, Berlin, 1992, стр. 41–72.

Автор статьи: Božidar Liščić

Источник: https://www.semanticscholar.org/paper/Measurement-and-Recording-of-Quenching-Intensity-in-Li%C5%A1%C...

Перевод: Техническая служба компании Аллея Групп