Способ определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды и термозонд для его реализации

 

Изобретение относится к термической обработке металлов и предназначено для определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды. Сущность изобретения: погружают в закалочную среду термозонд, нагретый, например, до температуры закалки. Измеряют разность температур в двух точках разнесенных по высоте термозонда, одну из которых выбирают в нижней части термозонда, а вторую - на расстоянии от первой точки, в пределах которого обеспечивается равномерное движение неискаженного фронта смены режима кипения жидкой закалочной среды. По разности температур определяют охлаждающую способность закалочной среды. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к термической обработке металлов, точнее к способу определения охлаждающей способности закалочной жидкости при неоднородном охлаждении деталей сложной формы и термозонду для реализации способа, может найти широкое применение при разработке новых составов жидких закалочных сред для высококачественной термообработки деталей сложной формы и может быть использовано для контроля работоспособности закалочных ванн в технологических процессах закалки металлов.

Общепринятый способ определения охлаждающей способности закалочных сред состоит в непрерывной регистрации снижения температуры в центре нагретого модельного образца (термозонда), погруженного в исследуемую жидкую среду [1] В качестве рабочей части термозонда используют металлический шарик диаметром 4 50 мм или цилиндр диаметром 10 50 мм с отношением высоты к диаметру от 2:1 до 10:1. Шарик или цилиндр имеют трубчатую ножку диаметром от 0,1 до 0,5 диаметра термозонда. С помощью этой ножки термозонд переносят из нагревательной печи в исследуемую жидкость. В геометрическом центре рабочей части помещается спай термопары, электроды которой через трубчатую ножку соединены с прибором для измерения температуры.

Термозонд изготавливают из серебра, никеля, нержавеющей стали или жаростойких сплавов типа инконель-600.

Основным недостатком известного способа и устройства для его реализации является то, что кривые охлаждения, полученные в результате регистрации сигналов одной центральной термопары термозонда, представляют собой лишь интегральные характеристики сложного процесса охлаждения и дают сведения о состоянии термозонда, а не закалочной среды. Причина состоит в том, что темп охлаждения спая термопары определяется всей совокупностью процессов, развивающихся одновременно на поверхности термозонда.

Кроме того, существенным недостатком конструкции известного термозонда является ускоренное охлаждение ножки и кромок (для термозондов цилиндрической формы), то есть неравномерное охлаждение различных участков его поверхности. Это вызывает формирование фронтов смены режимов кипения закалочной жидкости (СРК) (фронты перехода от пленочного к пузырьковому кипению и от пузырькового кипения к конвективному теплообмену) и как следствие этого появление значительных градиентов температуры, которые имеют не только составляющую, направленную в глубь тела, но и составляющие, параллельные поверхности охлаждающегося тела в направлении движения фронта СРК. Эти составляющие являются, как правило, причиной коробления закаливаемых деталей [2] При этом геометрическая форма термозонда цилиндр или шарик с ножкой не позволяет детерминировать момент и место формирования фронтов СРК, и поэтому задача определения характеристик индивидуальных стадий процесса охлаждения, то есть поведения самой закалочной жидкости, не может быть решена простым введением в термозонд известной конструкции дополнительных датчиков температуры термопар, что формально позволило бы зарегистрировать градиенты температуры в теле термозонда, возникающие в ходе его охлаждения.

Наиболее близким техническим решением является способ определения охлаждающей способности жидкой среды, для реализации которого используется устройство, описываемое следующей совокупностью существенных признаков [3] 1. Термозонд выполнен в виде шарика с встроенной в него термопарой.

2. Установка содержит муфельную печь, сосуд с исследуемой жидкостью, копир для переноса термозонда из муфельной печи в сосуд с исследуемой жидкостью.

3. С целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения установка по пунктам 1 и 2 дополнена следующими электронными узлами: дифференциатором, пиковым детектором, ключом, цифровым индикатором и усилителем, выход которого подсоединен на вход последовательно соединенных дифференциатора, пикового детектора и цифрового индикатора, а выход термопары подсоединен одновременно к входу усилителя и через один из контактов ключа к самопишущему индикатору; далее, выход дифференциатора через второй контакт также соединен с самопишущим индикатором.

Недостатком известного способа является то, что введенные в него усовершенствования касаются лишь вопроса автоматизации обработки сигнала термопары и совершенно не затрагивают физических процессов, протекающих на поверхности термозонда при охлаждении его в жидкости. В следствие этого, к известному способу полностью применимы все высказанные выше соображения о интегральном характере полученных с его помощью данных, не позволяющих судить ни о роли отдельных стадий процесса охлаждения, ни о вызываемых ими эффектах неравномерного охлаждения.

Задачей изобретения является разработка более детального способа определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды, впрямую учитывающего особенности процесса неравномерного охлаждения деталей сложной формы в жидкости.

Предлагаемый способ определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: в жидкую закалочную среду погружают термозонд из жаростойкого сплава, нагретый, например, до температуры закалки; в процессе охлаждения термозонда проводят регистрацию зависимости разности температур между двумя точками, разнесенными по высоте термозонда, одну из которых выбирают в нижней части термозонда, там, где на его поверхности завершается формирование фронта смены режимы кипения жидкой закалочной среды, а другу на таком расстоянии от первой точки, в пределах которого еще обеспечивается равномерное движение неискаженного фронта смены режима кипения, в функции времени или температуры одного из спаев термопар.

Предлагаемый способ реализуется с помощью термозонда, конструкция которого представлена на чертеже и описывается совокупностью следующих существенных признаков: 1. Термозонд выполнен в виде цилиндра 1 с ножкой 2, причем ножка соосна с цилиндрической рабочей частью термозонда.

2. Ножка 2 помещена в соосную ей тонкостенную защитную металлическую трубку 3, диаметр которой в 1,4 1,7 раз превышает диаметр ножки.

3. Трубка образует вокруг ножки кольцевую щель 4, герметически закрытую сверху, в месте где ножка и трубка жестко скреплены друг с другом.

4. Щель открыта снизу, со стороны цилиндра, между трубкой и верхней поверхностью цилиндра оставлен зазор 1 3 мм.

5. Сверху цилиндр, имеющий отношение длина/диаметр ≥ 4, завершен полусферой 5, к которой присоединена ножка, а снизу конусом 6 с углом при вершине 60 90^o и иглой 7, длина которой сравнима с высокой конуса, на границе цилиндрической и конической частей термозонда выполнена неглубокая проточка 9, образующая ребро 8, при этом размеры проточки и ребра соизмеримы с толщиной парового слоя, окружающего термозонд на стадии пленочного кипения (около 1 мм).

6. В термозонд помещены две термопары 10 и 11, спай первой термопары расположен на вертикальной оси термозонда в нижней части цилиндра на расстоянии от проточки, близком по величине к радиусу цилиндра, а спай другой термопары в средней части цилиндра на расстоянии от проточки, близком к половине высоты цилиндра.

7. Цилиндр, ножка, игла, защитная трубка выполнены из жаростойкого сплава.

Отличительным от способа-прототипа признаком предлагаемого способа является признак "2".

Анализ известного уровня науки и техники показал новизну этого отличительного признак, что придает соответствие предлагаемого способа критерию "новизна".

Отличительными признаками предлагаемого термозонда являются признаки 1 - 6. Анализ известного уровня науки и техники показал, что признак 1 термозонд в виде цилиндра с ножкой известен [1] а признаки 2 6 являются новыми, что придает соответствие изобретения (термозонда) критерию "новизна". Использование предлагаемого способа и термозонда приводит к неочевидному результату: повышается возможность определить охлаждающую способность жидкой закалочной среды при неоднородном охлаждении деталей сложной формы. Это придает соответствие изобретения критерию "изобретательский уровень".

Формула изобретения

1. Способ определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды, включающий нагревание термозонда, выполненного из жаростойкого сплава, например, до температуры закалки и погружение его в жидкую закалочную среду, охлаждающую способность которой определяют в зависимости от изменения температуры термозонда, отличающийся тем, что измеряют разность температур в двух точках, разнесенных по высоте термозонда, одну из которых выбирают в нижней части термозонда в месте, где на его поверхности завершается формирование фронта смены режима кипения жидкой закалочной среды, а вторую - на расстоянии от первой точки, в пределах которого обеспечивается равномерное движение неискаженного фронта смены режима кипения жидкой закалочной среды.

2. Термозонд для определения охлаждающей способности жидкой закалочной среды, содержащий рабочую часть, выполненную из жаростойкого сплава, в которую помещена термопара, отличающийся тем, что он снабжен ножкой, защитной трубкой, иглой и второй термопарой, причем рабочая часть выполнена в виде цилиндра с полусферой на одном конце и конусом на другом конце, отношение длины цилиндра к его диаметру не менее 4, ножка присоединена к полусфере, теплоизолирована защитной трубкой и расположена соосно с цилиндром, конус выполнен с углом при вершине 60 90^o, игла выполнена длиной, соизмеримой с высотой конуса, подсоединена к нему и расположена с ним соосно, на границе цилиндра и конуса выполнена проточка с образованием ребра, при этом размеры проточки и ребра соизмеримы с толщиной парового слоя, окружающего термозонд на стадии пленочного кипения, обе термопары помещены в цилиндр, слой одной из термопар расположен по вертикальной оси цилиндра на расстоянии от проточки, соизмеримом с радиусом цилиндра, а спай второй термопары расположен в средней части цилиндра на расстоянии от проточки, соизмеримом с половиной высоты цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1