담금질 및 냉각 공정에서의 증기막 현상 설명

담금질 매체의 냉각 용량을 평가하는 방법에는 담금질 강도 방법, 열선 방법, 경도 U 곡선 방법, 자기 테스트 방법 등 다양한 방법이 있습니다. 냉각 곡선 방법은 가장 좋은 실험실 측정 방법으로 간주되며 널리 사용됩니다.

그러나 담금질 중 공작물의 실제 냉각 곡선은 테스트에서 얻은 곡선과 다를 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 담금질 중 공작물에서 매체로의 열 전달 과정이 공작물의 재질뿐만 아니라 크기와 모양에 영향을 받기 때문입니다.

예를 들어, 일반적인 빠른 담금질 오일 표준 프로브를 사용하면 일반적으로 증기막 단계가 표시되지만, 동일한 오일을 소형 패스너의 담금질 매체로 사용하는 경우 증기막 단계가 보이지 않을 수 있습니다.

이러한 차이에도 불구하고 표준 방법을 사용하여 담금질 매체의 냉각 특성 곡선을 테스트하는 것은 다양한 매체를 비교 및 선택하고 시간 경과에 따른 매체의 성능을 모니터링하는 데 여전히 유용합니다.

1. 냉각 특성 곡선 및 3단계 담금질 단계

냉각 특성 곡선은 현재 담금질 냉각 매체의 냉각 특성을 평가하고 매체의 노화 정도를 결정하며 열처리 공정을 안내하는 데 널리 사용되고 있습니다.

가장 일반적으로 사용되는 테스트 방법은 다음과 같습니다:

특정 크기와 재질의 프로브를 800°C 이상으로 가열한 다음 담금질에 담그기 냉각 매체 특정 온도를 설정할 수 있습니다.

프로브 중앙에 열전대를 사용하여 시간에 따른 프로브 중앙의 온도 변화를 직접 기록하고 곡선을 도출하여 다양한 온도에서 냉각 속도를 결정합니다.

측정된 냉각 특성 곡선을 기반으로 냉각 프로세스는 일반적으로 3단계로 나뉩니다(그림 1 참조):

스팀 필름 단계(작업물이 처음 매체에 잠기면 온도가 높고 작업물 주변의 매체가 빠르게 기화하여 작업물 표면을 감싸는 안정적인 스팀 필름을 형성합니다. 이때 스팀 필름의 열전도가 좋지 않아 냉각 속도가 느립니다;)

비등 단계 (공작물의 온도가 낮아지면 증기막이 불안정해지고 작은 기포의 형태로 공작물 표면을 빠르게 떠나 열을 빼앗아갑니다. 이 단계는 냉각 속도가 가장 빠릅니다);

대류 단계(공작물의 표면 온도가 더 낮아지면 매체의 끓는점 아래로 떨어지면 비등이 멈추고 대류 열 전달에 의존하는 대류 단계가 시작됨).

그림 1 냉각 특성 곡선 및 3단계의 담금질 단계

그러나 냉각 곡선 는 시간에 따른 프로브의 코어 온도 변화만 측정하며 표면의 온도 변화를 정확하게 반영하지 못합니다.

이 문제를 해결하기 위해 장커젠 박사는 '고급 팽창점'이 나타난 후 공작물 표면에서 끓는 현상과 증기막 현상이 공존하는 것을 설명하기 위해 증기막 단계와 끓는 단계 사이에 '중간 단계'가 있어야 한다고 가정하는 '4단계' 이론을 도입했습니다(그림 2 참조).

이 이론은 담금질 냉각 매체에서 공작물의 냉각 과정의 복잡성을 강조하고 프로브 중앙의 열전대로 측정한 냉각 곡선으로는 완전히 설명할 수 없음을 보여줍니다.

그러나 증기막 파괴 공정의 복잡성을 단순히 이해하는 것만으로는 증기막 형성 및 파괴의 근본적인 원인에 대한 통찰력을 얻거나 열처리 실무자에게 지침을 제공하는 데 충분하지 않습니다.

코바스코는 비등 열전달에서 임계 열유속 개념을 사용하여 담금질 냉각 매체의 냉각 성능을 평가할 것을 제안했으며, 이는 매체 개발에 더 많은 지원을 제공할 수 있습니다.

그림 2 "4단계" 담금질 이론

2. 임계 열 플럭스 및 3단계 담금질

그림 3은 금속 표면 온도가 상승하고 벽 과열(매체의 표면 온도와 끓는점의 차이)이 증가함에 따라 연속 가열 공정 중 표면 열 흐름 밀도의 변화와 세 단계의 연속적인 변화를 보여주고 이 과정에서 매체의 열 전도성 α의 변화를 보여줍니다.

그러나 담금질과 냉각은 냉각 과정이며, 이에 따른 열 흐름 밀도와 열전도율의 변화는 그림 3의 오른쪽 상단에서 왼쪽으로 진행되어야 합니다.

또한 이 시간 동안 잠깐의 일시적인 끓는 과정이 있습니다(그림 4 참조).

그림 3 비등 현상 및 가열 중 열유속 및 열전도율 변화

그림 4 초기 단계의 순간 끓는 현상 담금질 프로세스

1926~1930년 프랑스에서는 순간 끓는 과정을 연구하기 위해 수많은 실험을 진행했습니다.

연구 결과에 따르면 담금질 공정 시작 시 순간 끓는 공정의 지속 시간은 모든 모양과 크기의 공작물에 대해 1초 미만인 것으로 나타났습니다.

qcr1은 짧은 과도 비등 과정 후 증기막이 나타나는 임계 열유속을 나타내고, qcr2는 증기막 비등이 핵 비등으로 전환되는 임계 열유속을 나타냅니다.

유체 역학 이론을 사용하여 S. Kutateladze가 제안한 qcr의 이론적 계산 모델에 따르면, 공식 (1)을 사용하여 qcr1(W/m2 단위)을 계산할 수 있습니다:

여기서 k ≈ 0.14;

• r* - 증기 형성 열, J/kg;
• ρ' - 액체 밀도, kg/m³
• ρ" - 증기 밀도, kg/m³;
• g - 중력 가속도, m/s²
• σ - 매체의 표면 장력, N/m.

동시에, q_cr1 및 q_cr2 는 다음 관계를 만족합니다:

qcr1과 qcr2는 모두 담금질되는 공작물과 무관하게 냉각 매체의 고유한 특성을 나타낸다는 점에 유의해야 합니다.

qcr2는 종횡비가 큰 실린더(구의 선팽창점은 예측하기 어려운 반면 짧은 실린더의 하단 가장자리 모서리는 항상 선팽창점으로 필름이 파손될 가능성이 높음)와 은 소재(열전도율이 높고 온도에 따라 거의 변하지 않아 코어 및 표면 온도가 더 일정함)를 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.

프로브를 냉각 매체에 담근 후 증기막이 깨질 때의 냉각 속도는 다음 관계에 따라 주어진 시간의 순간 온도 변화와 열 흐름 밀도로 표현됩니다:

어디

C - 중간 열 용량;

dT - d τ 시간 경과에 따른 평균 온도 변화
V - 볼륨;
S - 표면적;
- 표면 온도 구배.

따라서 열유속 q:

어디 는 평균 냉각 속도입니다.

전체 냉각 과정 동안의 냉각 속도를 측정하고 필름이 파손되는 최소 임계 열유속인 최소 임계 열유속 qcr2를 계산합니다. 그런 다음 qcr1을 결정합니다.

고온의 공작물을 매체에 담근 후 공작물 표면에서 외부로 열이 전달되는 초기(최대) 열유속 진을 비교하여 실제 담금질 냉각에서 두 가지 냉각 과정이 발생할 수 있음을 추론할 수 있습니다.

qin <qcr1일 경우, 공작물 열 전달의 열 흐름 밀도가 냉각 매체 증기막 형성에 필요한 임계 열 흐름 밀도 qcr1에 도달하지 않으므로 안정적인 증기막이 형성되지 않습니다. 이 경우 증기막 단계가 관찰되지 않습니다. 공작물은 비등 단계로 직접 진입한 다음 대류 단계로 전환됩니다.

그러나 QIN이 QCR1을 초과하면 공작물을 매체에 담근 후 표면에 증기막이 형성되어 증기막 단계, 비등 단계, 대류 단계의 완전한 3단계 냉각 공정이 이루어집니다.

이 이론은 엔지니어링 응용 분야에서 다양한 증기막 현상을 설명할 수도 있습니다. 예를 들어 표면 거칠기 의 비표면적을 늘리고 크기를 줄이는 것은 공작물의 비표면적을 늘리고 열 흐름 밀도인 진을 줄여 증기막을 제거(진 <qcr1)하거나 증기막 시간을 단축(증기막이 파손될 정도로 빠르게 qcr2에 도달)하는 것과 동일합니다.

물에 일정량의 무기염을 첨가하면 수용액의 표면장력 σ가 증가하고 매질과 증기 사이의 밀도 차이도 증가하여 qcr1이 증가합니다.

소금 용액에서 공작물 표면에 형성된 이중 전기 층은 공작물의 열 흐름 밀도 진을 감소시켜 이 이중 효과로 인해 증기막의 파열을 형성하거나 가속화하는 것이 더 어려워집니다.

이 이론은 또한 "3단계 이론"으로는 설명할 수 없는 많은 담금질 및 냉각 문제에 대한 통찰력을 제공합니다. 예를 들어, 매체의 경화성이 낮은 고탄소 크롬강은 역 담금질이 발생하기 쉽고 침탄 층의 표면은 비 마르텐사이트 구조가 발생하기 쉽습니다( 합금 원소 고갈).

3. 다양한 담금질 오일을 냉각하는 동안 냉매가 증기막에 미치는 영향

이 이론을 바탕으로 담금질 및 냉각 시 기유에 냉매를 첨가하는 것이 증기막에 미치는 영향을 조사하는 실험을 실시했습니다.

기유에 냉매를 첨가하면 증기막의 지속 시간을 크게 줄여 기유의 냉각 능력을 향상시키고 공작물 담금질 공정의 균일성을 개선할 수 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다.

이 연구에서는 동일한 농도의 냉매를 저점도 기유와 고점도 기유에 각각 용해하여 고속 담금질 오일과 등온 담금질 오일의 냉각 성능을 시뮬레이션했습니다. 실험을 통해 가열 및 냉각 중 증기막을 관찰했습니다.

이 실험에서는 기하학적 중심에 열전대 온도 프로브가 있는 직경 8mm의 니켈 크롬 합금 프로브를 사용했습니다. 내경 12.5mm의 유도 코일에 의해 2.7kW의 일정한 가열 전력이 공급되었습니다. 온도 상승 및 하강 과정은 온도 레코더로 기록했습니다.

테스트 장치는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 유도 가열 및 온도 기록 장치

(1) 온도 상승 시 증기막 생성

그림 6은 가열 공정 중 저점도 기유, 고속 오일 및 등온 오일의 시간-온도 곡선을 보여줍니다.

가열 속도 온도 곡선은 곡선을 미분하여 얻을 수 있습니다.

그림 6 가열 공정의 시간 온도 곡선 및 가열 속도 온도 곡선

그림에서 볼 수 있듯이 고속 오일을 제외하고 프로브는 기유와 등온 오일의 온도 상승 곡선에서 두 개의 눈에 띄는 변곡점을 가지고 있습니다.

프로브 온도의 증가는 유도 가열에 의해 프로브에 가해진 열에서 담금질 오일에 의해 프로브 표면에서 빼앗긴 열을 뺀 순열 증가를 반영합니다.

프로브와 코일 사이의 재질, 크기, 거리가 일정하게 유지되고 가열 코일의 출력이 변하지 않기 때문에 유도 가열로 인한 열 증가율도 일정하게 유지된다고 가정할 수 있습니다.

초기 저온 단계에서는 매체가 대류 열 전달을 통한 냉각 능력이 제한되어 있어 프로브의 온도 상승 속도가 빠릅니다.

그 후 매체가 격렬하게 끓기 시작합니다.

온도가 계속 상승함에 따라 매체의 냉각 용량이 크게 증가하여 프로브의 온도 상승률이 크게 감소합니다.

나중에 수증기 막이 형성됩니다. 이때 매체의 냉각 용량이 다시 감소하여 프로브의 온도 상승률이 다시 증가합니다.

고속 오일과 기유에 비해 대류 단계의 지속 시간과 끓는 단계로의 전이 온도는 대부분 동일합니다.

냉매를 추가해도 대류 단계에서 매체의 냉각 용량이나 기유의 끓는점이 크게 변하지 않습니다.

그러나 2.7kW의 가열 전력에서는 프로브 표면이 더 이상 안정적인 증기막을 유지할 수 없습니다. 이는 냉매를 추가하면 매체의 임계 열유속 qcr2이 증가하여 증기막이 균열되기 쉽기 때문입니다.

또한 프로브 표면에 냉매에 의해 형성된 폴리머 필름은 공작물 표면의 열전도도를 감소시켜 공작물의 열 흐름 밀도를 감소시켜 진 <qcr1을 만들어 증기막 형성 실패로 이어집니다.

(2) 냉각 과정에서 증기막의 소멸

유도 가열을 통해 프로브 온도를 1000℃까지 올린 다음 가열을 중단했습니다.

시간 경과에 따른 프로브의 냉각 과정을 기록하여 잘 알려진 냉각 시간-온도 곡선을 얻었습니다.

곡선을 미분하면 그림 7과 같이 담금질 중 냉각 속도-온도 곡선을 구할 수 있습니다.

냉각 속도 온도 곡선을 가열 공정의 가열 속도 온도 곡선과 중첩하면(그림 7 참조), 담금질 공정의 세 단계가 가열 공정의 세 단계의 온도 범위와 밀접하게 관련되어 있음을 알 수 있습니다.

그러나 가열 공정에 비해 냉각 공정의 단계 간 전이 온도는 다음과 같은 이유로 인해 약간 더 높습니다:

가열 과정에서 유도 가열은 표면에서 시작하여 프로브의 중심으로 전달되므로 측정된 중심 온도가 표면 온도보다 어느 정도 뒤처지게 되어 실제 표면 온도에 비해 테스트 온도가 낮아집니다.

냉각 과정에서 코어 온도도 표면 온도보다 뒤처지기 때문에 실제 표면 온도에 비해 테스트 온도가 더 높아집니다.

동시에 방정식 (4)에 따르면 냉각 공정의 열 흐름 밀도는 평균 냉각 속도에 비례합니다:

필름이 파손될 때 등온 오일의 냉각 속도가 저점도 기유보다 낮기 때문에 임계 열유속 qcr2도 저점도 기유보다 높다는 계산을 할 수 있습니다. 이는 필름이 더 높은 온도에서 파손될 수 있다는 것을 의미하며, 이는 엔지니어링 응용 분야에서 관찰된 결과와 일치합니다.

4. 결론

담금질 공정에서 열 전달 과정을 분석함으로써 증기막 형성 단계와 증기막에서 핵 생성 비등으로의 전환 단계가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것이 분명해졌습니다. 비등 열전달 이론에서 사용되는 임계 열유속 개념을 도입하여 담금질 공정의 증기막 현상을 설명할 수 있게 되었습니다.

가열 및 냉각 중 끓는 현상과 증기막 현상을 관찰하고 기록하기 위해 유도 가열을 사용하여 실험을 수행했습니다. 이 결합된 접근 방식은 담금질 공정에서 증기막의 일반적인 현상을 더 깊이 이해하여 증기막 지속 시간이 짧고 냉각 속도가 빠른 새로운 담금질 냉각 매체의 설계 및 개발에 더 많은 지침을 제공하는 것을 목표로 했습니다.

이론적 논의와 실험적 검증을 통해 담금질 공정에서 증기 막을 줄이고 공작물 담금질 균일성을 개선하려면 다음 세 가지 측면을 고려해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다:

(1) 매체 자체의 수증기막 형성 및 파열을 위해 임계 열유속 qcr1 및 qcr2를 증가시킵니다.

예를 들어, 매체의 표면 장력과 기체와 액체 상 사이의 밀도 차이를 증가시켜 증기막을 형성하기 어렵고 파열하기 쉽게 만듭니다.

(2) 공작물 표면에 막을 형성 할 수있는 첨가제를 도입하여 공작물 표면에 부착하여 적당한 두께의 단열층을 형성하여 공작물 표면의 열전달 계수를 감소시켜 공작물 표면의 열 흐름 밀도 진을 감소시켜 증기 막을 감소 시키거나 심지어 제거합니다.

(3) 전해질을 도입하여 매체의 임계 열유속 qcr을 증가시키고 동시에 공작물 표면에 이중 전기 층을 형성하여 공작물 표면의 열유속 진을 감소시켜 수증기 막을 줄이거 나 제거합니다.