Объяснение явления паровой пленки в процессе закалки и охлаждения

Существуют различные методы оценки охлаждающей способности закалочной среды, включая метод интенсивности закалки, метод горячей проволоки, метод кривой твердости U, метод магнитных испытаний и другие. Метод кривой охлаждения считается лучшим лабораторным методом измерения и широко используется.

Однако важно отметить, что реальная кривая охлаждения заготовки при закалке может отличаться от полученной в результате испытаний. Это связано с тем, что на процесс передачи тепла от заготовки к среде при закалке влияет не только материал заготовки, но и ее размер и форма.

Например, тестирование общего быстрого тушильное масло При использовании стандартного зонда обычно видна стадия паровой пленки, но при использовании того же масла в качестве закалочной среды для небольших крепежных деталей стадия паровой пленки может быть не видна.

Несмотря на эти различия, тестирование кривой характеристики охлаждения закалочной среды с помощью стандартных методов по-прежнему ценно для сравнения и выбора различных сред, а также для мониторинга эффективности среды с течением времени.

1. Характерная кривая охлаждения и три стадии закалки

В настоящее время характеристическая кривая охлаждения широко используется для оценки охлаждающих свойств закалочных охлаждающих сред, определения степени старения среды и руководства процессом термообработки.

Наиболее часто используемыми методами испытаний являются:

Нагрев зонда определенного размера и материала до температуры более 800°C, а затем погружение его в закалочный охлаждающая среда определенной температуры.

Использование термопары в центре зонда позволяет напрямую регистрировать изменение температуры в центре зонда с течением времени и выводить кривую для определения скорости охлаждения при различных температурах.

На основании измеренной кривой характеристики охлаждения процесс охлаждения обычно делится на три стадии (см. рис. 1):

Стадия паровой пленки (когда заготовка впервые погружается в среду, ее температура высока, и среда вокруг заготовки быстро испаряется, образуя устойчивую паровую пленку, которая окутывает поверхность заготовки. В это время охлаждение происходит медленно из-за плохой теплопроводности паровой пленки);

Стадия кипения (при снижении температуры заготовки паровая пленка становится нестабильной и быстро покидает поверхность заготовки в виде мелких пузырьков, унося с собой тепло. Эта стадия характеризуется самой высокой скоростью охлаждения);

Конвективная стадия (при дальнейшем снижении температуры поверхности заготовки кипение прекращается, когда она опускается ниже точки кипения среды, и начинается конвективная стадия, основанная на конвективном теплообмене).

Рис. 1 Характеристическая кривая охлаждения и три стадии закалки

Однако кривая охлаждения измеряет только изменение температуры сердцевины зонда с течением времени и не отражает точного изменения температуры на поверхности.

Для решения этой проблемы доктор Чжан Кэцзянь представил теорию "четырех стадий", согласно которой между стадией паровой пленки и стадией кипения должна существовать "промежуточная стадия", описывающая сосуществование явлений кипения и паровой пленки на поверхности заготовки после появления "передовой точки расширения" (см. рис. 2).

Эта теория подчеркивает сложность процесса охлаждения заготовки в закалочной среде и показывает, что он не может быть полностью описан кривой охлаждения, измеренной термопарой в центре зонда.

Однако простого понимания сложности процесса разрушения паровой пленки недостаточно для того, чтобы понять основные причины образования и разрушения паровой пленки, а также для того, чтобы дать рекомендации специалистам по термообработке.

Кобаско предложил использовать концепцию критического теплового потока из теплообмена при кипении для оценки эффективности охлаждения закалочных охлаждающих сред, что может оказать большую поддержку при разработке сред.

Рис. 2 "Четырехступенчатая" теория закаливания

2. Критический тепловой поток и три стадии закалки

На рис. 3 показано изменение поверхностной плотности теплового потока и трех последовательных стадий в процессе непрерывного нагрева по мере повышения температуры поверхности металла и увеличения перегрева стенки (разницы между температурой поверхности и температурой кипения среды), а также изменение теплопроводности α среды в ходе этого процесса.

Однако закалка и охлаждение - это процесс охлаждения, и соответствующие изменения плотности теплового потока и теплопроводности должны происходить сверху справа налево на рис. 3.

Кроме того, в это время происходит кратковременный переходный процесс кипения (см. рис. 4).

Рис. 3 Явление кипения и изменение теплового потока и теплопроводности при нагревании

Рис. 4 Мгновенное явление кипения на начальной стадии Процесс закаливания

В 1926-1930 годах Френч провел множество экспериментов по изучению процесса мгновенного кипения.

Результаты исследования показали, что продолжительность мгновенного кипения в начале процесса закалки составляет менее 1 секунды для заготовок всех форм и размеров.

qcr1 представляет собой критический тепловой поток, при котором появляется паровая пленка после кратковременного переходного процесса кипения, а qcr2 - критический тепловой поток, при котором паровая пленка переходит в зародышевое кипение.

На основе теоретической модели расчета qcr, предложенной С. Кутателадзе с использованием теории механики жидкости, qcr1 (в единицах Вт/м2) может быть рассчитан по формуле (1):

Где k ≈ 0,14;

• r* - Теплота парообразования, Дж/кг;
• ρ' - Плотность жидкости, кг/м³
• ρ" - Плотность пара, кг/м³;
• g - Гравитационное ускорение, м/с²
• σ - поверхностное натяжение среды, Н/м.

В то же время q_cr1 и q_cr2 удовлетворяют следующему соотношению:

Важно отметить, что qcr1 и qcr2 представляют собой свойства, присущие охлаждающей среде и не зависящие от закаливаемой заготовки.

qcr2 можно использовать для тестирования цилиндров с большим соотношением сторон (чтобы избежать ошибок тестирования, вызванных "ведущей точкой расширения" - ведущая точка расширения сфер очень непредсказуема, в то время как угол нижнего края короткого цилиндра всегда с большей вероятностью разрушит пленку как ведущую точку расширения), а также серебряных материалов (которые обладают высокой теплопроводностью, мало изменяющейся с температурой, что приводит к более стабильной температуре сердцевины и поверхности).

Скорость охлаждения при разрушении паровой пленки после погружения зонда в охлаждающую среду выражается в терминах мгновенного изменения температуры в данный момент времени и плотности теплового потока в соответствии с соотношением:

Где

c - средняя теплоемкость;

dT - d τ Среднее изменение температуры во времени;
V - объем;
S - площадь поверхности;
- Градиент температуры поверхности.

Таким образом, тепловой поток q:

Где средняя скорость охлаждения.

Измеряется скорость охлаждения в течение всего процесса охлаждения и рассчитывается минимальный критический тепловой поток qcr2 - минимальный тепловой поток, при котором происходит разрушение пленки. Затем определяется qcr1.

Сравнивая начальный (максимальный) тепловой поток qin теплопередачи от поверхности заготовки к внешней стороне после погружения высокотемпературной заготовки в среду, можно сделать вывод, что при реальном закалочном охлаждении могут происходить два различных процесса охлаждения.

Когда qin < qcr1, плотность теплового потока при теплопередаче заготовки не достигает критической плотности теплового потока qcr1, необходимой для образования паровой пленки охлаждающей среды, поэтому стабильная паровая пленка не может быть сформирована. В этом случае стадия паровой пленки не наблюдается. Заготовка сразу переходит в стадию кипения, а затем переходит в стадию конвекции.

Однако, когда qin ≥ qcr1, после погружения заготовки в среду на ее поверхности может образоваться паровая пленка, что приводит к полному трехступенчатому процессу охлаждения, состоящему из стадии паровой пленки, стадии кипения и стадии конвекции.

Эта теория также может объяснить различные явления с паровой пленкой в инженерных приложениях. Например, увеличение шероховатость поверхности заготовки и уменьшение ее размеров эквивалентны увеличению удельной площади поверхности заготовки и уменьшению плотности теплового потока, qin, что позволяет устранить (qin < qcr1) или сократить время образования паровой пленки (достижение qcr2 быстрее, чтобы вызвать разрыв паровой пленки).

Добавление определенного количества неорганических солей в воду увеличивает поверхностное натяжение σ водного раствора, а также увеличивает разницу плотности между средой и паром, тем самым увеличивая qcr1.

Двойной электрический слой, образующийся на поверхности заготовки в солевом растворе, снижает плотность теплового потока qin на заготовке, что затрудняет формирование или ускорение разрыва паровой пленки при таком двойном эффекте.

Эта теория также позволяет понять многие проблемы, связанные с закалкой и охлаждением, которые не могут быть объяснены с помощью "трехступенчатой теории". Например, высокоуглеродистая хромистая сталь с низкой прокаливаемостью в среде склонна к обратной закалке, а поверхность науглероженного слоя склонна к образованию немартенситной структуры (игнорирование элемент сплава истощение).

3. Влияние хладагента на паровую пленку при охлаждении различных закалочных масел

На основе теории был проведен эксперимент по изучению влияния добавления хладагента в базовое масло на паровую пленку при закалке и охлаждении.

Известно, что добавление хладагента в базовое масло может значительно сократить продолжительность его паровой пленки, тем самым повышая охлаждающую способность базового масла и улучшая равномерность процесса закалки заготовок.

В данном исследовании одинаковая концентрация хладагента была растворена в низковязких и высоковязких базовых маслах для моделирования эффективности охлаждения быстрозакаленного масла и изотермического закалочного масла, соответственно. В ходе экспериментов наблюдалось образование паровой пленки при нагревании и охлаждении.

В эксперименте использовался зонд из никель-хромового сплава диаметром 8 мм, в геометрическом центре которого находился температурный зонд с термопарой. Постоянная мощность нагрева 2,7 кВт подавалась на индукционную катушку с внутренним диаметром 12,5 мм. Процесс повышения и понижения температуры регистрировался самописцем.

Тестовое устройство показано на рис. 5.

Рис. 5 Индукционный нагреватель и прибор для регистрации температуры

(1) Образование паровой пленки при повышении температуры

На рис. 6 показана кривая "время-температура" для низковязкого базового масла, быстрого масла и изотермического масла в процессе нагрева.

Температурная кривая скорости нагрева может быть получена путем дифференцирования кривой.

Рис. 6 Температурная кривая времени и температурная кривая скорости нагрева в процессе нагрева

Как показано на рисунке, за исключением быстрого масла, зонд имеет две заметные точки перегиба на кривых повышения температуры базового и изотермического масла.

Увеличение температуры зонда отражает чистый прирост тепла, который представляет собой тепло, подведенное к зонду в результате индукционного нагрева, минус тепло, отведенное от поверхности зонда закалочным маслом.

Поскольку материал, размер и расстояние между зондом и катушкой остаются неизменными, а мощность нагревательной катушки не изменяется, можно предположить, что скорость увеличения тепла за счет индукционного нагрева также остается постоянной.

На начальном этапе низкой температуры среда имеет ограниченную способность к охлаждению за счет конвективного теплообмена, что приводит к быстрому росту температуры зонда.

После этого средство начинает бурно кипеть.

При дальнейшем повышении температуры охлаждающая способность среды значительно увеличивается, что приводит к значительному снижению скорости повышения температуры зонда.

Позже образуется паровая пленка. В это время охлаждающая способность среды снова снижается, в результате чего скорость повышения температуры зонда снова возрастает.

По сравнению с быстрым маслом и базовым маслом, продолжительность стадии конвекции и температура перехода к стадии кипения в основном одинаковы.

Добавление хладагента не приводит к существенному изменению холодопроизводительности среды в конвективной ступени или температуры кипения базового масла.

Однако при мощности нагрева 2,7 кВт поверхность зонда уже не может поддерживать стабильную паровую пленку. Это связано с тем, что добавление хладагента увеличивает критический тепловой поток среды qcr2, в результате чего паровая пленка становится более склонной к растрескиванию.

Кроме того, полимерная пленка, образованная хладагентом на поверхности зонда, снижает теплопроводность поверхности заготовки, уменьшая плотность теплового потока заготовки, в результате чего qin < qcr1, что приводит к невозможности образования паровой пленки.

(2) Исчезновение паровой пленки в процессе охлаждения

Температура зонда была повышена до 1000 ℃ с помощью индукционного нагрева, после чего нагрев был остановлен.

Процесс охлаждения зонда с течением времени регистрировался для получения известной кривой "время охлаждения - температура".

Дифференцируя кривую, можно получить кривую зависимости скорости охлаждения от температуры при закалке, как показано на рис. 7.

Наложив кривую "скорость охлаждения - температура" на кривую "скорость нагрева - температура" процесса нагрева (как показано на рис. 7), можно увидеть, что три стадии процесса закалки тесно связаны с температурным диапазоном трех стадий процесса нагрева.

Однако по сравнению с процессом нагревания температура перехода между стадиями в процессе охлаждения несколько выше по следующим причинам:

В процессе нагрева индукционный нагрев начинается с поверхности и затем передается в центр зонда, в результате чего измеренная температура в центре в некоторой степени отстает от температуры поверхности, что приводит к более низкой температуре испытания по сравнению с фактической температурой поверхности.

В процессе охлаждения температура сердцевины также отстает от температуры поверхности, что приводит к более высокой температуре теста по сравнению с фактической температурой поверхности.

В то же время, согласно уравнению (4), плотность теплового потока в процессе охлаждения пропорциональна средней скорости охлаждения:

Поскольку скорость охлаждения изотермического масла при разрушении пленки ниже, чем у базового масла с низкой вязкостью, можно рассчитать, что его критический тепловой поток qcr2 также выше, чем у базового масла с низкой вязкостью. Это означает, что пленка может разрушаться при более высоких температурах, что согласуется с наблюдениями, сделанными в инженерных приложениях.

4. Заключение

При анализе процесса теплообмена в процессе тушения стало ясно, что стадии образования паровой пленки и перехода от паровой пленки к нуклеарному кипению гораздо сложнее, чем считалось ранее. Для объяснения явления паровой пленки в процессе тушения было введено понятие критического теплового потока, которое используется в теории теплообмена при кипении.

Эксперименты проводились с использованием индукционного нагрева для наблюдения и регистрации явлений кипения и паровой пленки во время нагрева и охлаждения. Этот комбинированный подход был направлен на более глубокое понимание общего явления паровой пленки в процессах закалки, что может дать больше рекомендаций для проектирования и разработки новых закалочных охлаждающих сред с более короткой продолжительностью паровой пленки и более высокой скоростью охлаждения.

Теоретические обсуждения и экспериментальная проверка показали, что для уменьшения паровой пленки в процессе закалки и улучшения равномерности закалки заготовок необходимо учитывать следующие три аспекта:

(1) Увеличение критических тепловых потоков qcr1 и qcr2 для образования и разрыва паровой пленки самой среды.

Например, увеличить поверхностное натяжение среды и разницу плотности между газовой и жидкой фазами, что затрудняет образование паровой пленки и облегчает ее разрыв.

(2) Добавка, способная образовывать пленку на поверхности заготовки, вводится для прикрепления к поверхности заготовки с образованием теплоизоляционного слоя умеренной толщины, чтобы уменьшить коэффициент теплопроводности поверхности заготовки, тем самым уменьшая плотность теплового потока qin поверхности заготовки, тем самым уменьшая или даже устраняя паровую пленку.

(3) Электролит вводится для увеличения критического теплового потока qcr среды, и в то же время на поверхности заготовки формируется двойной электрический слой для уменьшения теплового потока qin поверхности заготовки, чтобы уменьшить или даже устранить паровую пленку.