CN101147050B - 金属的表面温度测定装置 - Google Patents
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Abstract
在具有装冷却剂的容器、被测物、加热该被测物的加热器、使上述被测物移动的移动设备以及测定上述被测物表面温度的温度计等的金属表面温度测定装置中，由银或铜构成上述被测物的主体，同时在上述主体的表面以1-100μm的厚度涂布纯铁或铁合金的薄膜。另外，至少将上述容器、上述加热器、上述被测物置于惰性气体气氛的腔室内。
Description
技术领域
本发明涉及测定金属表面温度的装置，特别涉及适合测定钢铁以及其它导热性低的金属的表面温度的金属表面温度测定装置。
背景技术
在淬火加工等热处理中使用的冷却剂、热加工(压延或煅造)用的冷却剂或润滑剂、切削加工液、冷轧油等加工油必须具有规定的品质和性状，因此依据JIS(日本工业标准)确定标准。
例如，对于淬火加工等热处理中使用的冷却剂，在JIS K2242(标准名：热处理油)中规定了标准。
该JIS K2242中，根据用途对冷却剂进行了分类，对每个种类都规定了其品质和性状(冷却性能、稳定度)。具体来说，使用具有加热电炉作为加热器和银棒作为被测物以及温度计等的表面温度测定装置，将加热的银棒迅速放入试样(作为检测对象的冷却剂)中，以此时银棒的温度变化与时间的函数关系求出冷却曲线。根据该冷却曲线计算特性温度和由800℃冷却至400℃的冷却时间，精确至1/10秒，作为冷却性能。
这样，根据JIS K2242的表面温度测定装置中，使用银棒作为被测物，但实际上进行淬火加工的金属大多是钢。尽管如此，使用银棒作为被测物是根据以下的理由。
第一，钢的导热性差、温度分布大，因此无法以良好的灵敏度测定被测物表面的温度变化(参照图4的C)。假设将加热至高温的钢材放入热处理油(冷却剂)中，钢材表面向中心方向在短时间内即产生大的温度差。另外，越接近钢材表面，其温度梯度越大。这是由于钢材的导热性小，因此钢材内部热向表面侧的移动赶不上由钢材表面释放的热。例如，铬钼钢的导热性只有银的导热性的大约1/10。
第二，在空气气氛下，钢的表面被氧化，因此以往是使用银棒。
因此，在以往的金属表面温度测定装置中，存在无法准确测定淬火加工时钢表面温度的变化的问题。
本发明针对上述情况而设，其目的在于提供可以根据冷却剂的种类和热处理温度等热处理条件，迅速地测定钢等导热性低的金属的表面温度的金属表面温度测定装置。
发明内容
为实现上述目的，本发明在具有装冷却剂的容器、被测物、加热该被测物的加热器、使上述被测物移动的移动设备、以及测定上述被测物表面温度的温度计等的金属表面温度测定装置中，由银或铜形成上述被测物的主体，同时在上述主体的表面形成由导热性低的金属制成的薄膜。
这里，被测物的薄膜可以是纯铁或铁合金的薄膜。
如果是上述构成，则可以以银或铜的导热性的速度测定导热性低的金属(以下有时简称为“钢”)的表面温度变化，还可以根据冷却剂的种类和热处理温度等热处理条件迅速进行测定。
本发明中，在由纯铁或铁合金等形成被测物的薄膜的同时，至少将上述容器、上述加热器、上述被测物置于惰性气体气氛的腔室内。
这样，被测物即使使用容易氧化的纯铁或铁合金，由于测定气氛是惰性气体气氛，因此可以防止被测物表面薄膜的氧化。惰性气体优选氮气。
本发明的表面温度测定装置使上述薄膜的厚度为1-100μm。
如果是上述构成，则不受钢等金属的低导热性的不良影响，可以按照JIS K2242的标准测定金属表面的温度变化。
如上所述，本发明可按照JIS K2242的标准测定导热性低的金属的表面温度。
附图简述
图1是本发明的一个实施方案的表面温度测定装置的示意构成图。
图2是本发明实施方案的被测物的部分截面图。
图3表示每种被测物(实施例1、比较例1、2)的温度变化(冷却温度)的测定时间。
图4表示每种被测物的径向温度分布。
图5表示实施例2和比较例3中温度变化(冷却温度)的测定时间。
图6是表示日本特开平7-146264号中公开的传热性能评价方法的顺序的流程图。
图7表示传热系数与温度的关系。
图8是表示使用主体上涂有铁的被测物时温度特性的实测值和模拟结果的比较图。
图9是表示使用主体为银的被测物时温度特性的实测值和模拟结果的比较图。
实施发明的最佳方式
以下参照附图，对本发明的一个实施方案进行说明。
首先，对本发明的表面温度测定装置的一个实施方案的装置整体进行概述。
图1是本发明的一个实施方案的表面温度测定装置的示意构成图。
如图1所示，该装置具有作为加热器的加热电炉1、试样(冷却剂)容器2、被测物10、温度计3和记录仪4。
加热电炉1用于将被测物10加热至规定温度(约800℃)，使用不在炉内形成强磁场或交替磁场的非介电式加热炉等。试样容器2是装作为检测对象的冷却剂(试样)的容器，配置在被测物10的下方。温度计3具有热电偶部分，其测定部分组装入被测物10的内部，测定被测物表面的温度。记录仪4记录温度计3所测定的温度。
加热电炉1、试样(冷却剂)容器2和被测物10配置在腔室20内，向该腔室20内供给惰性气体(氮气)。即，本实施方案的金属的表面温度测定装置是在惰性气体气氛下进行温度测定的。
图2是被测物的部分截面详图。
被测物10包括可通过移动设备11a上下移动的支撑体11、旋拧在该支撑体11上的主体12，该主体12的内部组装了热电偶的测定部分。主体12为银制，其外周面涂有由钢等低导热性的金属制成的薄膜12a。本实施方案中，形成有薄膜12a的主体12的尺寸为直径10mm、长30mm。
薄膜12a通过电镀、蒸镀或溅射等方法涂布，其厚度优选1-100μm。厚度比1μm薄，则难以获得均匀的薄膜，比100μm厚，则受到钢等的低导热性的不良影响，难以准确测定温度。
这里，导热性低的金属除纯铁、铬钼钢钢材之外，还可以是镍铬钼钢钢材、机械结构用的碳钢钢材、高速工具钢钢材、不锈钢钢材等。
铁系以外的低导热性的金属有铬、钛和它们的氮化物。
被测物10的涂布了薄膜12a的主体12内，经由绝缘管14插有热电偶的铝镍合金线13。铝镍合金线13的尖端为球13a，该球13a紧邻由银制成的主体12的表面，但不与薄膜12a接触。该尖端的球13a作为热电偶的测温接点。银制的主体12经由银制管15和银线16连接到温度计3的主体上。铝镍合金线13经由耐热绝缘体17通入到银制管15的内部，与温度计3连接。
图2所示的实施方案中，钢制的薄膜12a涂布在银制主体12的整个外周面。
被测物10的主体12除使用银之外，还可以使用铜等导热性高的金属。使用铜作为主体12时，热电偶使用铜-康铜热电偶。热电偶在主体12上的安装与主体12使用银时的情形相同。
使用这样构成的金属表面温度测定装置的温度测定如下进行。
在加热电炉1内，将被测物10的主体12加热至规定温度(约800℃)，然后降下支撑体，放入试样容器2内。试样容器2中装入了作为测试对象的冷却剂，因此被测物10的薄膜12a和主体12骤冷，其表面温度发生变化。温度计3经由热电偶测定该温度变化，记录仪4记录该变化。应注意的是，可以用温度变化与时间的函数关系求出冷却曲线。
实施例和比较例
(实施例1)使用银制主体上电镀有钢制薄膜的被测物的情形
使用纯铁作为钢。镀层的厚度为100μm。
试样容器中加入250ml作为冷却剂的冷淬火油“Daphne MasterQuench A”(出光兴产(株)制备)，加热至80℃。将用电炉加热至810℃的上述被测物放入到该冷却剂中，测定表面温度。测定在氮气气氛下进行。
其它均按JIS K2242进行表面温度的测定。结果得到图3的B所示的冷却曲线。
(比较例1)使用银制被测物的情形
使用具有银制主体的被测物。测定在空气气氛下进行。其它与实施例1同样进行测定。结果得到图3的A所示的冷却曲线。
(比较例2)使用钢制被测物的情形
使用具有钢制主体的被测物。钢使用铬钼钢钢材(JIS G4105SCM420)。测定使用护套材质为耐腐蚀耐热超合金，护套外径1.0mm、K型接地型SK级(JIS C1605)的铠装热电偶，插入到与图2的热电偶插入位置相同的位置。除此之外与实施例1同样地进行测定。结果得到图3的C所示的冷却曲线。
(实施例2)使用在银制主体上电镀有钢制薄膜的被测物的情形
使用热淬火油“Daphne HI-Temp Oil A”(出光兴产(株)制备)作为冷却剂，加热至120℃。除此之外与实施例1同样地进行测定。结果得到图5的B所示的冷却曲线。
(比较例3)使用银制被测物的情形
使用热淬火油“Daphne HI-Temp Oil A”(出光兴产(株)制备)作为冷却剂，加热至120℃。除此之外与比较例1同样地进行测定。结果得到图5的A所示的冷却曲线。
测定结果的比较
使用热处理模拟软件和实测值，对实施例和比较例的测定结果进行比较。
热处理模拟软件使用“DEFORMTM-HT”((株)Yamanaka Eng.Co.，Ltd.)。钢材的导热性等数据使用(社)日本材料学会的数据库MATEQ。钢材表面的传热系数使用上述的表面温度的测定结果，按照日本特开平07-146264号公报所记载的贝塞耳函数的导热方程式的解法计算。计算结果如图7所示。
对半径为8mm的被测物(圆柱模型)的表面、距表面4mm处以及中心位置的温度特性进行模拟。模拟的结果如图8和图9所示。图8表示使用根据主体上涂有铁的被测物测定的表面温度计算的导传递系数的模拟结果和实测值。图9表示使用根据主体为银的被测物测定的表面温度计算的传热系数的模拟结果和实测值。
实测使用由半径8mm、长30mm的圆柱状钢形成的被测物。被测物中，在距离其中心线4mm的位置与中心线平行地安装铠装热电偶。除此之外与比较例2(实施例1)同样进行。
由上述描述可知，使用实施例1的表面温度的测定结果时更接近于实测值。
这里，对日本特开平7-146264号记载的传热性能评价方法进行简单说明。该方法是本申请人提出的。
首先，设定与热处理过程中的评价对象物的物理形状相同或类似的基准物，制作表示该基准物与评价对象液体之间传热的导热方程式(步骤41)。
即，通过与评价对象物的物理形状相同或类似的基准物，设定代表进行热处理模拟的冷却过程的冷却模型M，制作该冷却模型M的导热方程式。该导热方程式可根据冷却模型M的形状等，由表示导热的通式得出。
接着，测定上述基准物与液体之间热处理过程的温度变化(步骤42)。即，在设定了热处理等的液体的种类、热处理前的材料温度和液体温度的基础上，测定并求出冷却模型M的冷却曲线。
接着，使用特征函数对导热方程式进行解析(步骤43)，确定传热系数(步骤44)。
使用上述热处理模拟软件，分别形成银(与比较例1相同的银)、钢(与比较例2相同的铬钼钢)以及在上述银上电镀有上述钢的被测物(半径5mm的圆柱体)，对由中心向径向的温度分布进行解析。各解析中，产生最大温度分布时的结果如图4所示。
即，仅由铁制成的被测物在表面和距离表面1mm处有80℃左右的温度差。这意味着即使在接近被测物表面处设置热电偶的测温接点，其设置位置即使仅偏移0.1mm，也会产生8℃左右的较大温差。该点表明，无法预期在由钢等导热性低的材料制成的被测物中设置热电偶形成的表面温度测定装置能正确测定温度。另外，各装置问测定精度有很大差异，无法成为具有可靠性的测定装置。
产业实用性
本发明可广泛用于依照JIS K2242的冷却剂冷却性能试验、以及根据JIS K2242的热处理模拟技术等中。特别是在冷却剂对导热性低的金属的冷却性能实验和热模拟技术等中可有效利用。
Claims (3)
1.金属的表面温度测定装置，该装置具有装冷却剂的容器、被测物、加热该被测物的加热器、使上述被测物移动的移动设备以及测定上述被测物表面温度的温度计，其特征在于：上述被测物的主体由银或铜形成，同时在上述主体的表面形成有由导热性低的纯铁或铁合金制成的薄膜。
2.权利要求1所述的金属的表面温度测定装置，其特征在于：至少将上述容器、上述加热器和上述被测物置于惰性气体气氛的腔室内。
3.权利要求1或2所述的金属的表面温度测定装置，其特征在于：上述薄膜的厚度为1-100μm。
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