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

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.

Описание изобретения к патенту

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".