Dampf-Film-Phänomen im Abschreck- und Abkühlprozess erklärt | MachineMFG

Das Dampffilmphänomen beim Abschrecken und Abkühlen wird erklärt

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Es gibt verschiedene Methoden zur Bewertung der Abkühlungsfähigkeit eines Abschreckmediums, darunter die Abschreckintensitätsmethode, die Hitzdrahtmethode, die Härte-U-Kurven-Methode, die magnetische Prüfmethode und andere mehr. Die Kühlkurvenmethode gilt als die beste Labormessmethode und ist weit verbreitet.

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die tatsächliche Abkühlungskurve eines Werkstücks während des Abschreckens von der in Versuchen ermittelten Kurve abweichen kann. Dies liegt daran, dass der Wärmeübertragungsprozess vom Werkstück zum Medium während des Abschreckens nicht nur vom Material des Werkstücks, sondern auch von dessen Größe und Form beeinflusst wird.

Zum Beispiel kann der Test eines allgemeinen Schnell Abschrecköl Wenn jedoch dasselbe Öl als Abschreckmedium für kleine Befestigungselemente verwendet wird, ist das Stadium des Dampffilms möglicherweise nicht sichtbar.

Trotz dieser Unterschiede ist die Prüfung der Abkühlungskennlinie eines Abschreckmediums mit Standardmethoden immer noch wertvoll für den Vergleich und die Auswahl verschiedener Medien und die Überwachung der Leistung des Mediums im Laufe der Zeit.

1. Abkühlungskennlinie und drei Stufen der Abschreckung

Die Abkühlungskennlinie wird derzeit häufig verwendet, um die Abkühlungseigenschaften von Abschreckkühlmedien zu bewerten, den Alterungsgrad des Mediums zu bestimmen und den Wärmebehandlungsprozess zu steuern.

Die gebräuchlichsten Testmethoden sind:

Erhitzen einer Sonde einer bestimmten Größe und eines bestimmten Materials auf über 800 °C und anschließendes Eintauchen in die Abschreckung Kühlmedium einer bestimmten Temperatur.

Verwendung eines Thermoelementes in der Mitte der Sonde zur direkten Aufzeichnung der Temperaturänderung in der Mitte der Sonde über die Zeit und Ableitung der Kurve zur Bestimmung der Abkühlungsrate bei verschiedenen Temperaturen.

Ausgehend von der gemessenen Abkühlungskennlinie wird der Abkühlungsprozess in der Regel in drei Stufen unterteilt (siehe Abb. 1):

Dampf-Film-Stadium (wenn das Werkstück zum ersten Mal in das Medium eingetaucht wird, ist seine Temperatur hoch, und das Medium um das Werkstück herum verdampft schnell, um einen stabilen Dampf-Film zu bilden, der die Oberfläche des Werkstücks umhüllt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Abkühlung aufgrund der schlechten Wärmeleitung des Dampffilms langsam);

Siedephase (wenn die Temperatur des Werkstücks sinkt, wird der Dampffilm instabil und verlässt die Oberfläche des Werkstücks schnell in Form von kleinen Blasen, die Wärme abführen. Diese Phase hat die schnellste Abkühlungsrate);

Konvektionsphase (wenn die Oberflächentemperatur des Werkstücks weiter sinkt, hört das Sieden auf, wenn es unter den Siedepunkt des Mediums sinkt, und es beginnt die Konvektionsphase, die auf konvektiver Wärmeübertragung beruht).

Abb. 1 Abkühlungskennlinie und drei Stufen der Abschreckung

Allerdings ist die Abkühlkurve misst nur die Veränderung der Kerntemperatur der Sonde im Laufe der Zeit und spiegelt die Temperaturveränderung an der Oberfläche nicht genau wider.

Um dieses Problem zu lösen, führte Dr. Zhang Kejian die "Vier-Stufen-Theorie" ein, die besagt, dass es ein "Zwischenstadium" zwischen dem Dampf-Film-Stadium und dem Siede-Stadium geben sollte, um die Koexistenz des Siede- und des Dampf-Film-Phänomens auf der Werkstückoberfläche zu beschreiben, nachdem der "fortgeschrittene Expansionspunkt" erscheint (siehe Abb. 2).

Diese Theorie verdeutlicht die Komplexität des Abkühlungsprozesses eines Werkstücks in einem abschreckenden Kühlmedium und zeigt, dass er nicht vollständig durch die Abkühlungskurve beschrieben werden kann, die von einem Thermoelement in der Mitte der Sonde gemessen wird.

Ein einfaches Verständnis der Komplexität des Prozesses des Aufbrechens des Dampffilms reicht jedoch nicht aus, um einen Einblick in die zugrundeliegenden Ursachen der Bildung und des Aufbrechens des Dampffilms zu erhalten oder um den Praktikern in der Wärmebehandlung eine Anleitung zu geben.

Kobasko schlug die Verwendung des Konzepts des kritischen Wärmestroms aus der Siedewärmeübertragung vor, um die Kühlleistung von Abschreckkühlmedien zu bewerten, was eine bessere Unterstützung für die Entwicklung von Medien bieten kann.

Name der PhaseAbteilung TheorieTatsächliche Aufteilung
Dampfdrucktuch-StufeÜber T0Über T1
ZwischenstufeT0~T*T1~T2
SiedephaseT*~TT2~Tb
KonvektionsstufeTb~FlüssigkeitstemperaturTb~Flüssigkeitstemperatur

Abb. 2 "Vier-Stufen-Theorie" der Abschreckung

2. Kritischer Wärmestrom und drei Phasen der Abschreckung

Abb. 3 veranschaulicht die Veränderung der Wärmestromdichte an der Oberfläche und drei aufeinanderfolgende Stufen während eines kontinuierlichen Erwärmungsprozesses, da die Metalloberfläche Temperatur ansteigt und die Wandüberhitzung (Differenz zwischen Oberflächentemperatur und Siedepunkt des Mediums) zunimmt, sowie die Änderung der Wärmeleitfähigkeit α des Mediums während dieses Prozesses.

Das Abschrecken und Abkühlen ist jedoch ein Abkühlungsprozess, und die entsprechenden Änderungen der Wärmestromdichte und der Wärmeleitfähigkeit sollten in Abb. 3 von rechts oben nach links verlaufen.

Außerdem kommt es während dieser Zeit zu einem kurzen vorübergehenden Siedevorgang (siehe Abb. 4).

Abb. 3 Siedeerscheinung und Änderungen des Wärmestroms und der Wärmeleitfähigkeit während der Erwärmung

Abb. 4 Instantanes Siedephänomen in der Anfangsphase der Abschreckungsprozess

In den Jahren 1926-1930 führte French zahlreiche Experimente durch, um den Prozess des sofortigen Siedens zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Dauer des momentanen Siedevorgangs zu Beginn des Abschreckvorgangs bei Werkstücken aller Formen und Größen weniger als 1 Sekunde betrug.

qcr1 steht für den kritischen Wärmestrom, bei dem nach einem kurzen vorübergehenden Siedevorgang ein Dampffilm entsteht, und qcr2 für den kritischen Wärmestrom, bei dem das Sieden des Dampffilms in ein Keimsieden übergeht.

Auf der Grundlage des von S. Kutateladze vorgeschlagenen theoretischen Berechnungsmodells für qcr, das die Theorie der Strömungsmechanik verwendet, kann qcr1 (in Einheiten von W/m2) mit Hilfe der Formel (1) berechnet werden:

Dabei ist k ≈ 0,14;

  • r* - Wärme der Dampfbildung, J/kg;
  • ρ' - Dichte der Flüssigkeit, kg/m3
  • ρ" - Dampfdichte, kg/m3;
  • g - Gravitationsbeschleunigung, m/s2
  • σ - Oberflächenspannung des Mediums, N/m.

Zugleich wird qcr1 und qcr2 die folgende Beziehung erfüllen:

Es ist wichtig zu beachten, dass sowohl qcr1 als auch qcr2 die inhärenten Eigenschaften des Kühlmediums darstellen, unabhängig von dem abgeschreckten Werkstück.

qcr2 kann zur Prüfung von Zylindern mit großem Seitenverhältnis (zur Vermeidung von Prüffehlern, die durch den "führenden Ausdehnungspunkt" verursacht werden - der führende Ausdehnungspunkt von Kugeln ist in hohem Maße unvorhersehbar, während die untere Ecke eines kurzen Zylinders als führender Ausdehnungspunkt immer wahrscheinlicher ist, dass die Folie reißt) und von Silbermaterialien (die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, die sich mit der Temperatur nur wenig ändert, was zu gleichmäßigeren Kern- und Oberflächentemperaturen führt) verwendet werden.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit, wenn der Dampffilm nach dem Eintauchen der Sonde in das Kühlmedium reißt, wird durch die momentane Temperaturänderung zu einem bestimmten Zeitpunkt und die Wärmestromdichte ausgedrückt, wobei die Beziehung gilt:

Wo

c - mittlere Wärmekapazität;

dT - d τ Durchschnittliche Temperaturänderung in der Zeit;
V - Volumen;
S - Oberfläche;
- Temperaturgradient an der Oberfläche.

Somit ist der Wärmestrom q:

Wo ist die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit während des gesamten Abkühlungsprozesses wird gemessen und der minimale kritische Wärmestrom qcr2, der minimale Wärmestrom, bei dem der Film reißt, wird berechnet. qcr1 wird dann bestimmt.

Aus dem Vergleich des anfänglichen (maximalen) Wärmestroms qin des Wärmeübergangs von der Werkstückoberfläche nach außen nach dem Eintauchen des Hochtemperaturwerkstücks in das Medium lässt sich ableiten, dass bei der tatsächlichen Abschreckkühlung zwei unterschiedliche Abkühlungsprozesse auftreten können.

Wenn qin < qcr1 ist, erreicht die Wärmestromdichte der Werkstückwärmeübertragung nicht die kritische Wärmestromdichte qcr1, die für die Bildung des Kühlmitteldampffilms erforderlich ist, so dass sich kein stabiler Dampffilm bilden kann. In diesem Fall wird das Brüdenfilmstadium nicht beobachtet. Das Werkstück tritt direkt in die Siedephase ein und geht dann in die Konvektionsphase über.

Wenn jedoch qin ≥ qcr1 ist, kann sich nach dem Eintauchen des Werkstücks in das Medium ein Dampffilm auf der Oberfläche bilden, was zu einem vollständigen dreistufigen Abkühlungsprozess führt, der aus einer Dampffilmstufe, einer Siedephase und einer Konvektionsstufe besteht.

Diese Theorie kann auch verschiedene Phänomene des Dampffilms in technischen Anwendungen erklären. Zum Beispiel kann die Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks und die Verringerung seiner Größe sind gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des Werkstücks und einer Verringerung seiner Wärmestromdichte, qin, wodurch die Zeit des Dampffilms beseitigt (qin < qcr1) oder verkürzt wird (schnelleres Erreichen von qcr2, damit der Dampffilm reißt).

Die Zugabe einer bestimmten Menge anorganischer Salze zum Wasser erhöht die Oberflächenspannung σ der wässrigen Lösung und vergrößert auch den Dichteunterschied zwischen dem Medium und dem Dampf, wodurch sich qcr1 erhöht.

Die doppelte elektrische Schicht, die sich auf der Oberfläche des Werkstücks in der Salzlösung bildet, verringert die Wärmestromdichte qin des Werkstücks, wodurch es schwieriger wird, den Abriss des Dampffilms unter diesem Doppeleffekt zu bilden oder zu beschleunigen.

Diese Theorie gibt auch Aufschluss über viele Abschreck- und Abkühlprobleme, die sich mit der "Dreistufentheorie" nicht erklären lassen. Beispielsweise neigt Chromstahl mit niedrigem Härtungsgrad und hohem Kohlenstoffgehalt in einem Medium zum umgekehrten Abschrecken, und die Oberfläche der aufgekohlten Schicht neigt zu einer Nicht-Martensit-Struktur (ohne Berücksichtigung der Legierungselement Erschöpfung).

3. Auswirkung des Kühlmittels auf den Dampffilm beim Abkühlen verschiedener Abschrecköle

Auf der Grundlage dieser Theorie wurde ein Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen der Zugabe eines Kältemittels zum Basisöl auf den Dampffilm während des Abschreckens und der Abkühlung zu untersuchen.

Es ist allgemein bekannt, dass die Zugabe eines Kältemittels zum Basisöl die Dauer des Dampffilms erheblich verkürzen kann, wodurch die Kühlkapazität des Basisöls erhöht und die Gleichmäßigkeit des Abschreckprozesses des Werkstücks verbessert wird.

In dieser Studie wurde die gleiche Konzentration an Kältemittel in Grundölen mit niedriger Viskosität und hoher Viskosität gelöst, um die Kühlleistung von schnell abschreckendem Öl bzw. isothermem Abschrecköl zu simulieren. Die Dampfschicht während des Erhitzens und Abkühlens wurde durch Experimente beobachtet.

Für das Experiment wurde eine Sonde aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit einem Durchmesser von 8 mm verwendet, in deren geometrischem Zentrum sich ein Thermoelement befand. Eine konstante Heizleistung von 2,7 kW wurde von einer Induktionsspule mit einem Innendurchmesser von 12,5 mm geliefert. Der Prozess des Temperaturanstiegs und -abfalls wurde mit einem Temperaturschreiber aufgezeichnet.

Das Testgerät ist in Abb. 5 dargestellt.

Abb. 5 Induktionserwärmung und Temperaturaufzeichnungsgerät

(1) Erzeugung eines Dampffilms während des Temperaturanstiegs

Abb. 6 zeigt die Zeit-Temperatur-Kurve des niedrigviskosen Grundöls, des schnellen Öls und des isothermen Öls während des Heizvorgangs.

Die Temperaturkurve der Heizrate kann durch Differenzieren der Kurve ermittelt werden.

Abb. 6 Zeit-Temperatur-Kurve und Heizraten-Temperatur-Kurve des Heizprozesses

Wie die Abbildung zeigt, hat die Sonde außer bei schnellem Öl zwei auffällige Wendepunkte auf den Temperaturanstiegskurven des Grundöls und des isothermen Öls.

Der Anstieg der Sondentemperatur spiegelt die Nettowärmezunahme wider, d. h. die der Sonde durch die Induktionserwärmung zugeführte Wärme abzüglich der durch das Abschrecköl von der Sondenoberfläche abgeführten Wärme.

Da das Material, die Größe und der Abstand zwischen Sonde und Spule konstant bleiben und die Leistung der Heizspule unverändert bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass auch die durch die Induktionserwärmung verursachte Wärmezunahme konstant bleibt.

In der anfänglichen Niedrigtemperaturphase hat das Medium eine begrenzte Kühlkapazität durch konvektive Wärmeübertragung, was zu einem schnellen Temperaturanstieg der Sonde führt.

Danach beginnt das Medium kräftig zu kochen.

Wenn die Temperatur weiter ansteigt, wird die Kühlkapazität des Mediums stark erhöht, was zu einer deutlichen Verringerung der Temperaturanstiegsrate der Sonde führt.

Später bildet sich ein Dampffilm. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Kühlleistung des Mediums wieder ab, wodurch die Temperaturanstiegsrate der Sonde wieder zunimmt.

Im Vergleich zu schnellem Öl und Basisöl sind die Dauer der Konvektionsphase und die Übergangstemperatur zur Siedephase meist gleich.

Die Zugabe des Kältemittels verändert weder die Kühlleistung des Mediums in der Konvektionsstufe noch den Siedepunkt des Basisöls wesentlich.

Bei einer Heizleistung von 2,7 kW kann die Sondenoberfläche jedoch keinen stabilen Dampffilm mehr aufrechterhalten. Der Grund dafür ist, dass die Zugabe von Kältemittel den kritischen Wärmestrom qcr2 des Mediums erhöht, wodurch der Dampffilm anfälliger für Risse wird.

Außerdem verringert der vom Kältemittel auf der Sondenoberfläche gebildete Polymerfilm die Wärmeleitfähigkeit der Werkstückoberfläche, wodurch die Wärmestromdichte des Werkstücks sinkt und qin < qcr1 wird, was zum Scheitern der Dampffilmbildung führt.

(2) Verschwinden des Dampffilms beim Abkühlen

Die Temperatur der Sonde wurde durch Induktionserwärmung auf 1000 ℃ erhöht, dann wurde die Erwärmung beendet.

Der Abkühlungsprozess der Sonde über die Zeit wurde aufgezeichnet, um die bekannte Abkühlungszeit-Temperatur-Kurve zu erhalten.

Durch Differenzierung der Kurve erhält man die Abkühlungsgeschwindigkeit-Temperatur-Kurve beim Abschrecken, wie in Abb. 7 dargestellt.

Durch Überlagerung der Kühlraten-Temperatur-Kurve mit der Heizraten-Temperatur-Kurve des Heizprozesses (wie in Abb. 7 dargestellt) wird deutlich, dass die drei Stufen des Abschreckprozesses eng mit dem Temperaturbereich der drei Stufen des Heizprozesses verbunden sind.

Im Vergleich zum Erwärmungsprozess ist die Übergangstemperatur zwischen den einzelnen Phasen des Kühlprozesses jedoch aus folgenden Gründen etwas höher:

Bei der Erwärmung beginnt die Induktionserwärmung an der Oberfläche und überträgt sich dann auf die Mitte des Fühlers, wodurch die gemessene Mitteltemperatur bis zu einem gewissen Grad hinter der Oberflächentemperatur zurückbleibt, was zu einer niedrigeren Prüftemperatur im Vergleich zur tatsächlichen Oberflächentemperatur führt.

Bei der Abkühlung bleibt die Kerntemperatur ebenfalls hinter der Oberflächentemperatur zurück, was zu einer höheren Prüftemperatur im Vergleich zur tatsächlichen Oberflächentemperatur führt.

Gleichzeitig ist nach Gleichung (4) die Wärmestromdichte im Abkühlungsprozess proportional zur durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeit:

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Da die Abkühlungsrate des isothermen Öls bei einem Filmriss geringer ist als die des niedrigviskosen Grundöls, lässt sich berechnen, dass der kritische Wärmestrom qcr2 ebenfalls höher ist als der des niedrigviskosen Grundöls. Dies bedeutet, dass der Film bei höheren Temperaturen reißen kann, was mit den Beobachtungen in technischen Anwendungen übereinstimmt.

4. Schlussfolgerung

Durch die Analyse des Wärmeübertragungsprozesses beim Abschrecken wurde deutlich, dass die Phasen der Dampffilmbildung und der Übergang vom Dampffilm zum Keimsieden viel komplexer sind als bisher angenommen. Das Konzept des kritischen Wärmestroms, das in der Theorie der Wärmeübertragung beim Sieden verwendet wird, wurde eingeführt, um das Phänomen des Dampffilms beim Abschrecken zu erklären.

Die Experimente wurden unter Verwendung von Induktionserwärmung durchgeführt, um die Phänomene des Siedens und des Dampffilms während der Erwärmung und Abkühlung zu beobachten und aufzuzeichnen. Dieser kombinierte Ansatz zielte darauf ab, ein tieferes Verständnis des allgemeinen Phänomens des Dampffilms bei Abschreckprozessen zu erlangen, was mehr Anhaltspunkte für das Design und die Entwicklung neuer Abschreckkühlmedien mit kürzerer Dauer des Dampffilms und schnellerer Abkühlgeschwindigkeit liefern könnte.

Theoretische Erörterungen und experimentelle Überprüfungen haben gezeigt, dass zur Verringerung des Dampffilms beim Abschrecken und zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Abschreckens von Werkstücken die folgenden drei Aspekte berücksichtigt werden sollten:

(1) Erhöhung des kritischen Wärmestroms qcr1 und qcr2 für die Bildung und den Abriss des Dampffilms des Mediums selbst.

Sie erhöhen beispielsweise die Oberflächenspannung des Mediums und den Dichteunterschied zwischen der Gas- und der Flüssigphase, so dass sich der Dampffilm schwerer bilden und leichter reißen kann.

(2) Ein Zusatzstoff, der einen Film auf der Oberfläche des Werkstücks bilden kann, wird eingeführt, um an der Oberfläche des Werkstücks zu haften, um eine thermische Isolierschicht von mäßiger Dicke zu bilden, um so den Wärmeübergangskoeffizienten der Oberfläche des Werkstücks zu verringern, wodurch die Wärmestromdichte qin der Oberfläche des Werkstücks verringert wird, wodurch der Dampffilm verringert oder sogar beseitigt wird.

(3) Es wird ein Elektrolyt eingeführt, um den kritischen Wärmestrom qcr des Mediums zu erhöhen, und gleichzeitig wird eine elektrische Doppelschicht auf der Werkstückoberfläche gebildet, um den Wärmestrom qin der Werkstückoberfläche zu verringern, so dass der Dampffilm reduziert oder sogar beseitigt wird.

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