金屬材料淬火過程中溫度參數相關試驗的研究進展

郅東東, ,

(1.上海理工大學 機械工程學院, 上海 200093; 2.上海電機學院 機械學院, 上海 201306)

文章編號：2096-2983(2017)05-0297-05DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.009

金屬材料淬火過程中溫度參數相關試驗的研究進展

郅東東1,孫會2,沈忱1

(1.上海理工大學 機械工程學院, 上海200093;2.上海電機學院 機械學院, 上海201306)

淬火工藝是金屬零件生產加工過程中不可缺少的關鍵環(huán)節(jié),而溫度是淬火過程控制的關鍵要素.圍繞金屬材料淬火過程中的溫度及其相關參數,對工件表面溫度、工件與冷卻介質間的傳熱,以及冷卻介質的流動和沸騰的試驗研究進行了總結與分析.提出今后與淬火溫度參數相關的試驗研究,應以進一步提高溫度測量精度、優(yōu)化分析方法為方向.

淬火; 熱電偶; 紅外熱像儀; 傳熱系數; 流場; 沸騰

淬火是一項重要的熱處理工藝,在提高金屬工件強硬度等性能方面有著不可替代的作用[1-2].溫度是控制整個淬火過程的關鍵性技術參數.通過控制淬火溫度可以獲得不同特性材料組織的工件;工件與冷卻介質間的溫度不平衡又會引起傳熱現(xiàn)象,若傳熱發(fā)生在液態(tài)介質中又會引起沸騰.傳熱速率大小直接影響工件溫度變化速率,進而影響工件材料的組織性能.因此在淬火工藝中,與溫度參數相關的試驗研究一直是進行后續(xù)淬火試驗研究與分析的必要前提[3].為了使淬火技術更加成熟,獲得能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)更高需求的機械零部件,對淬火溫度的測量與研究一直在不斷完善[4],而其中與溫度參數相關的傳熱、流場、氣液耦合沸騰現(xiàn)象的研究也成為目前國內外的研究重點.

1 工件溫度的測量

作為一個狀態(tài)參數,溫度的變化使物體內部能量躍遷,導致物體的內部特性發(fā)生改變[5].在工業(yè)生產,尤其是熱處理過程中,工件溫度的控制是獲取不同材料性能組織的關鍵因素.溫度的有效控制需要借助專業(yè)的測量工具.按照測量方式,溫度測量工具可分為接觸式和非接觸式兩大類:前者的感溫元件與被測介質直接接觸,如溫度計、熱電偶、熱電阻等元器件;后者的感溫元件則與被測介質間接接觸,如光學高溫計,輻射高溫計,比色高溫計等[6].在工業(yè)領域,1821年德國物理學家Seebeek發(fā)現(xiàn)了熱電流,提出了熱電勢、熱電效應等概念,指出兩個不同導體在閉合回路中兩點溫度不同則產生電流流動[7].而1834年法國物理學家Peltier 通過試驗指出Seebeek現(xiàn)象是可逆的,為熱電偶測溫技術應用于試驗及工業(yè)生產開辟了道路[5].隨后熱電偶技術得以迅速發(fā)展并形成體系,廣泛運用于試驗和生產實踐中.

由于熱電偶測溫具有簡單、可靠、精度高等特點,淬火試驗研究者也相繼采用熱電偶對工件溫度進行監(jiān)測.如Chen等[8]在研究端淬的逆估瞬態(tài)溫度分布及其熱傳導問題時,在淬火工件內部及其表面層不同深度處安裝多個K型熱電偶(見圖1),利用數據采集系統(tǒng)將熱電偶測得的瞬時溫度記錄下來,并繪制成溫度時間曲線,進而分析其溫度變化特點.再如Woodfield等[9]在觀察高溫噴淬沸騰現(xiàn)象時,在測試塊16個測試點處分別嵌入熱電偶,其安裝位置參見圖2.其中,8個K型鎧裝熱電偶位于測試塊表面深度2.1 mm處,另外8個則位于表面深度5 mm處,且最接近測試塊中心的熱電偶距離測試塊表面中心4 mm.熱電偶通過多通道放大器,將測量數據儲存到計算機,并經過處理分析得到試驗所需的數據.為了保證熱電偶與被測工件間達到熱平衡,測量時需將熱電偶插入到工件表層一定深度內,與工件具有良好的接觸;出于測量精度考慮,同時又要求感溫元件不能破壞工件自身的溫度場.因此目前的通用做法是將熱電偶焊接到工件測試點處,測量工件表面若干點的溫度而得到工件表面的整體溫度.熱電偶熱接點焊接位置需根據試驗測量要求確定,測試點的位置誤差可能引起試驗數據的較大誤差甚至錯誤.

圖1 熱電偶的位置[8]Fig.1 Location of the thermocouple[8]

圖2 測試塊中的熱電偶位置[9]Fig.2 Location of the thermocouple in the test piece[9]

相比于接觸式熱電偶測溫,非接觸式測溫工具紅外熱像儀在溫度場的測量方面具有明顯的優(yōu)越性:不會破壞工件表面形狀和工件自身溫度場,測溫面積大,分辨率高,能形成工件熱場分布圖像等.紅外熱像儀主要通過紅外探測器和光學成像物鏡接收被測工件發(fā)出的紅外輻射信號,反映到光敏元件上,通過一系列轉換、放大處理,得到與淬火工件表面溫度場相對應的紅外熱像圖.隨后對熱像圖進行分析處理,獲得淬火工件表面整體的溫度分布.Gradeck等[10]在比較不同淬火介質對鎳制金屬盤試件噴淬的冷卻效率試驗中,采用紅外熱像儀進行溫度場測量,分析工件表面的冷卻速率.Nallathambi等[11]也采用紅外熱像儀獲取淬火工件的溫度參數,并提出了試驗及逆有限元相結合的方法來估計陣列噴射淬火的熱通量.然而由于紅外熱像儀價格昂貴,個別性能參數目前尚無法完全滿足試驗要求,因此紅外熱像儀不如熱電偶應用廣泛,還需進一步完善和發(fā)展.在淬火試驗和其工業(yè)生產領域,應在現(xiàn)有熱電偶的基礎上,進一步研發(fā)新型材質的熱電偶,提高熱電偶的測量精度和應用范圍,并不斷改進、完善紅外熱像儀,使其在淬火測溫方面得到廣泛應用.

2 工件與冷卻介質間的傳熱

淬火時,工件溫度遠高于冷卻介質溫度,溫度的不平衡導致傳熱現(xiàn)象發(fā)生,而傳熱又反過來使溫度發(fā)生變化.目前,淬火系統(tǒng)的傳熱特性通常采用淬火工件和冷卻介質間的傳熱系數或者熱通量度量[12].Liscic等[13]和Diller等[14]分別使用估算法和自制的熱流計對傳熱系數進行了試驗研究.Tang等[15]進行了凸輪淬火的表面?zhèn)鳠嵯禂翟囼?將Cr18Ni9Ti不銹鋼探針均勻加熱到1 000 ℃后,在堿性浴槽中冷卻,隨后通過反向傳熱法[16-17]獲得了工件表面?zhèn)鳠嵯禂?并繪制了表面?zhèn)鳠嵯禂祱D.因此可以說,傳熱研究是溫度參數變化研究的必然結果,也是后續(xù)研究的必要步驟[18].

為了實現(xiàn)淬火系統(tǒng)的有效利用,在傳熱過程中物體的溫度場是熱分析的首要目標[19],通過工件和冷卻介質溫度場的測定進而判斷傳熱情況.研究一般從理論和實際情況出發(fā),將非穩(wěn)態(tài)傳熱簡化為穩(wěn)態(tài),分析復雜的傳熱現(xiàn)象.對于穩(wěn)態(tài)傳熱,當兩物體溫差一定時,傳熱面積的大小決定著傳熱量的多少;而當傳熱面積和溫差一定時,傳熱過程本身的強烈程度又決定傳熱量的多少.傳熱本身的強弱程度稱為“傳熱系數”[20],由試驗關聯(lián)式可得到以下傳熱方程式:

Q=kFΔt

(1)

式中:Q為傳熱速率;k為傳熱系數;Δt為熱流體與冷流體的溫差;F為換熱器的傳熱面積.

傳熱系數k、傳熱平均溫差Δt、傳熱面積F是傳熱過程的三要素,傳熱方程式反映了傳熱速率與傳熱三要素之間的關系.目前隨著計算機技術的發(fā)展,雖然傳熱研究已經不再局限于純試驗總結經驗關聯(lián)式的方法,而是使用新的數值模擬技術[21]進行研究,但數值模擬仍然離不開試驗手段的支撐.在傳熱系數測定時,仍需要熱電偶測定溫度隨時間變化ΔTt/Δt情況,得出沿界面的溫度分布,推算溫度梯度ΔTx/Δx,進而求出表面的熱流密度q:

(2)

然而這種直接的試驗測量推算方法很容易受到測量精度的限制而產生較大誤差.為解決這一問題,莊司提出了近表面雙測點差分解的方法:即在工件表層近表面處取兩個測點,通過熱電偶記錄冷卻過程中不同時刻的溫度值,根據一維導熱方程,以差分形式進一步推算任意時刻tN的表面溫度Tw及熱流密度q:

(3)

式中:λ為導熱系數;a為導溫系數;Δt為時間步長;帶有上標N,N+1,N-1的T值分別為tN,tN+Δt,tN-Δt時刻的溫度.

近幾十年來,還提出了一種根據內部測點反推表面?zhèn)鳠嵯禂档哪嫱品╗22-23],即采用估算方法設定表面?zhèn)鳠嵯禂低扑愎ぜ炔繙囟?比較推算值和試驗測定值間的差值并不斷修正設定值,使推算值逼近測定值.Sahai等[24]在獲取毛胚工件表面溫度時,利用熱電偶測得一系列溫度值并擬合成曲線,應用反傳熱法計算熱通量和熱傳遞效率.在淬火試驗中,傳熱研究對冷卻過程的分析至關重要.尤其對于新材料和新冷卻介質的淬火過程,仍需進一步深入研究其傳熱機理.這些傳熱方法的研究及半經驗公式的發(fā)現(xiàn)都為后續(xù)的試驗研究、沸騰兩相傳熱的研究及數值模擬分析提供了依據.

3 冷卻介質的流動及沸騰

由于熱量傳遞的存在,使得工件溫度場與冷卻介質流場之間、冷卻介質溫度場與流場之間都有著不可分割的聯(lián)系.淬火時,淬火槽內流場與溫度場等多因素相互作用,又形成了冷卻介質的兩相流動及沸騰傳熱.基于此,研究淬火溫度參數的變化,還需對冷卻介質流場[25]及沸騰現(xiàn)象進行深入研究.

假設研究的流體都是靜止的,這類問題就是簡單的熱傳導問題.但淬火槽內冷卻介質不可能處于靜止狀態(tài),冷卻介質的流動對工件溫度產生復雜的影響.高溫工件溫度的變化同時又使冷卻介質沸騰,進一步加劇了介質的流動.Gradeck等[26-27]研究移動狀態(tài)工件噴淬沸騰現(xiàn)象時,采用旋轉圓筒模擬連續(xù)移動表面,利用靜止圓筒驗證經典沸騰曲線,通過觀察發(fā)現(xiàn),當工件表面移動時,其流場隨之發(fā)生較大的變化.進一步測量旋轉和靜止兩種不同狀態(tài)下工件的表面溫度,獲取工件熱通量及局部沸騰曲線后發(fā)現(xiàn),沸騰時發(fā)生的相變對傳熱系數產生顯著影響.具體表現(xiàn)在:沸騰曲線被均化,但沸騰溫度點和再潤濕溫度(即萊頓弗洛斯特點)保持不變;臨界熱通量相比于靜止狀態(tài)減少;此外工件表面冷卻帶也發(fā)生了移動.Karwa等[28]研究不銹鋼試樣噴淬沸騰表面的流體力學現(xiàn)象時,通過高速攝影儀和低速攝影儀,觀察淬火表面整體和局部的沸騰及流動現(xiàn)象.Krause等[29]在試驗的基礎上開發(fā)了一種適用于溫度和沸騰階段的流動沸騰傳熱模型,分析流動與沸騰現(xiàn)象.Kopun等[30]基于萊頓弗洛斯特溫度表達式,利用歐拉雙流體模型對階梯型鋼板工件的淬火過程進行了分析,對比了不同取樣點處的溫度變化,將常數和變量萊頓弗洛斯特溫度的模擬結果分別與試驗結果進行對比,發(fā)現(xiàn)采用變量萊頓弗洛斯特溫度的數學模型的計算結果更加接近試驗值[31].Aoki等[32]通過試驗研究了過渡沸騰,并設計了一個改進的淬火模型來解釋過渡沸騰階段熱傳遞周期性發(fā)生在固液淬火表面的原因.奈良崎等[33]利用超小型水下麥克風對浸入式淬火過程中的沸騰噪聲進行記錄,對頻率特性以及沸騰過程中的聲音機理進行了分析.結果表明在整個頻域內,泡核沸騰階段的聲壓電平非常高,特別是在10～20 kHz的高頻域內,其值都遠高于膜態(tài)沸騰階段.基于這一特性觀察聲壓隨時間的變化情況,更容易迅速地把握淬火過程中的沸騰狀態(tài)的變化.

國內Chen等[34]采用超聲波多普勒流速測定技術UDV測定淬火槽內冷卻介質的流場,分析了流場不均勻的原因并利用均流板對流場的不均勻性進行了改善.Lu等[35]在研究過冷水的過渡沸騰傳熱性能時,使用高速攝影儀觀察沸騰過程,研究發(fā)現(xiàn)沸騰成核發(fā)生在非常短的時間內,接著就爆發(fā)了極不穩(wěn)定和急劇而短暫的熱傳遞的過渡沸騰階段,這個現(xiàn)象對研究淬火過程中的沸騰階段有著重要的意義.李佳琦等[36]采用自制的超親水表面試驗裝置,研究超親水表面對沸騰傳熱的影響.研究發(fā)現(xiàn),超親水表面能有效地提高淬火冷卻速率、臨界熱流密度及表面過熱度,得出了超親水表面對過渡沸騰階段的沸騰傳熱有重要影響的結論.淬火工件在冷卻介質中進行冷卻時,冷卻介質相態(tài)的變化產生沸騰傳熱及兩相流動現(xiàn)象,受兩相流場的結構形態(tài)以及淬火工件溫度場、應力場的影響,淬火冷卻過程分析愈加復雜.多種場與場之間相互作用、相互影響,分析其間的耦合關系繁瑣復雜.流場和沸騰的試驗研究成果為今后應用數值模擬技術解決這些復雜問題奠定了必要的研究基礎.

4 結 語

淬火過程中工件表面溫度的差異是獲取不同材料性能組織的關鍵因素.結合前人的研究成果可知,目前對淬火溫度的研究已取得了較大進展,熱電偶及紅外熱像儀在測溫方面的發(fā)展與應用、傳熱相關方程式的建立、導熱逆問題的研究,為后續(xù)理論研究和試驗研究提供了測量、分析方法及理論數據.近年來的研究,已不再局限于溫度測量以及傳熱現(xiàn)象的理論分析,研究重點聚焦于和溫度參數相關的前沿理論研究與實際應用研究,如淬火流體體系中的不同相態(tài)之間的傳熱和傳質研究、流場內汽液兩相耦合的數值模擬分析、沸騰兩相流的研究及實際應用等.但目前有關淬火溫度參數相關的試驗研究,其結果和實際應用還存在一定差距,尚不能完全滿足生產實踐的進一步應用.后續(xù)淬火過程試驗技術的改進應進一步提高測量精度、優(yōu)化過程分析方法,為進一步提高淬火過程數值模擬分析結果及生產實踐應用提供參考平臺.

[1] TOTTEN G E,ALBANO L L M.21世紀的熱處理與表面工程——淬火技術的現(xiàn)狀和未來發(fā)展[J].顧劍鋒,譯.熱處理,2015,30(2):46-53.

[2] 楊漢,曲錦波,陸春潔.淬火工藝對超高強度特厚板組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2016,41(8):68-72.

[3] 李萬松,李忠義,田文懷.淬火溫度對低碳Q & P鋼組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2016,41(4):17-21.

[4] 王闖.熱電偶溫度信號的采集及其標定方法研究[D].太原:中北大學,2016.

[5] 朱麟章.高溫測量原理與應用[M].北京:科學出版社,1991.

[6] 周善龍,譚興強.熱工儀表及自動控制系統(tǒng)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[7] BENEDICT R P.Fundamentals of temperature,pressure and flow measurements[M].2nd ed.New York:John Wiley & Sons,1997.

[8] CHEN S G,WENG C I,LIN J.Inverse estimation of transient temperature distribution in the end quenching test[J].Journal of Materials Processing Technology,1999,86(1/3):257-263.

[9] WOODFIELD P L,MONDE M,MOZUMDER A K.Observations of high temperature impinging-jet boiling phenomena[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2005,48(10):2032-2041.

[10] GRADECK M,OUATTARA A,MAILLET D,et al.Heat transfer associated to a hot surface quenched by a jet of oil-in-water emulsion[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2011,35(5):841-847.

[11] NALLATHAMBI A K,SPECHT E.Estimation of heat flux in array of jets quenching using experimental and inverse finite element method[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,209(12/13):5325-5332.

[12] RAMESH G,PRABHU K N.Assessment of axial and radial heat transfer during immersion quenching of Inconel 600 probe[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,54:158-170.

[13] LISCIC B,FILETIN T.Computer-aided evaluation of quenching intensity and prediction of hardness distribution[J].Journal of Heat Treating,1988,5(2):115-124.

[14] DILLER T E,ONISHI S.Heat flux gage[P].US,4779994.1988-10-25.

[15] TANG Q,PEI L Q,XIAO H S.Numerical and experimental analysis of quenching process for cam manufacturing[J].Journal of Central South University of Technology,2010,17(3):529-536.

[16] YUAN J,ZHANG W M,LIU Z C,et al.The measurement and calculation of heat transfer coefficient under different cooling conditions[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2005,26(4):115-119.

[17] 譚真,郭廣文.工程合金熱物性[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.

[18] 李自良,程赫明,王利,等.直齒圓柱齒輪霧化氣體淬火過程的傳熱模擬及實驗研究[J].熱加工工藝,2016,45(18):224-227.

[19] BIANCHI A M,FAUTRELLE Y,ETAY J.傳熱學[M].王曉東,譯.大連:大連理工出版社,2008.

[20] 陶文銓.傳熱學基礎[M].北京:電力工業(yè)出版社,1981.

[21] KAYS W M,CRAWFORD M E.Convective heat and mass transfer[M].3rd ed.Conway,AR:McGraw-Hill Science/Engineering/Math,1993.

[22] 劉莊,吳肇基,吳景之,等.熱處理過程的數值模擬[M].北京:科學出版社,1996.

[23] 曹瑞.淬火過程流場與傳熱特性研究及應用[D].上海:上海理工大學,2015.

[24] SAHAI V,ACEVES S M.Determination of heat transfer during gear blank quenching[J].Heat Transfer Engineering,2001,22(4):56-66.

[25] 李自良,程赫明,王利,等.霧化氣體淬火過程耦合流場數值模擬及實驗研究[J].材料導報,2016,30(4):126-129.

[26] GRADECK M,KOUACHI A,LEBOUCH? M,et al.Boiling curves in relation to quenching of a high temperature moving surface with liquid jet impingement[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(5/6):1094-1104.

[27] GRADECK M,KOUACHI A,DANI A,et al.Experimental and numerical study of the hydraulic jump of an impinging jet on a moving surface[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2006,30(3):193-201.

[28] KARWA N,SCHMIDT L,STEPHAN P.Hydrodynamics of quenching with impinging free-surface jet[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(13/14):3677-3685.

[29] KRAUSE F,SCHUTTENBERG S,FRITSCHING U.Modelling and simulation of flow boiling heat transfer[J].International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow,2010,20(3):312-331.

[30] KOPUN N,KERGET L,HIRBEREK M,et al.Numerical simulation of immersion quenching process for cast aluminium part at different pool temperatures[J].Applied Thermal Engineering,2014,65(1/2):74-84.

[31] 曹瑞,孫會.淬火過程數值模擬技術的研究進展[J].材料導報,2015,29(5):140-144.

[32] AOKI T,WELTY J R.Energy transfer mechanisms en transition pool boiling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1970,13(7):1237-1240.

[33] 奈良崎道治,高津戶泉,淵澤定克.高溫金屬淬火時產生的沸騰噪聲[J].權啟朗,譯.兵器材料科學與工程,1988(4):66-72.

[34] CHEN N L,LIAO B,PAN J S,et al.Improvement of the flow rate distribution in quench tank by measurement and computer simulation[J].Materials Letters,2006,60(3/4):1659-1664.

[35] LU J F,BOUROUGA B,DING J.Transient boiling heat transfer performances of subcooled water during quenching process[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2013,48:15-21.

[36] 李佳琦,范利武,俞自濤.超親水表面在淬火冷卻過程中的沸騰傳熱特性[J].浙江大學學報(工學版),2016,50(8):1493-1498.

ResearchProgressofExperimentsonTemperatureandItsRelatedParametersinMetalMaterialQuenchingProcess

ZHI Dongdong1,SUNHui2,SHENChen1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Quenching is an essential process among heat treatments of metal parts,and temperature is the crucial factor to control the quenching process.This paper summarizes and analyzes the experimental study on the temperature and its related parameters during the quenching,including the workpiece temperature,heat transfer between the workpiece and quenchant,and flow and boiling of the quenchant.Finally,it is suggested that the future research still need to improve the accuracy of measurement and optimize the analysis method.

quenching; thermocouple; infrared thermal imager; heat transfer coefficient; flow field; boiling

2017-02-28

國家自然科學基金資助項目(51304133);上海高校知識服務平臺建設項目(ZF1225);上海電機學院登封學科建設項目(16DFXK01)

郅東東(1991—),男,碩士研究生. 研究方向: 金屬材料熱處理方面研究. E-mail: zhdy.1813@163.com

孫 會(1974—),女,教授. 研究方向: 熱處理過程的數值模擬技術,新型設備的開發(fā)與研究等. E-mail: sunh@sdju.edu.cn

TG156.3

A