تست محیط های کوئنچ کننده

محیط های کوئنچ کننده

آزمایش محیط های کوئنچ کننده را می توان به دو دسته کلی طبقه بندی کرد:

• آزمایش قدرت سخت شدن (پاسخ متالورژیکی)
• تست توانایی حذف حرارت از کوئنچ کننده

نتایج آزمایش های سخت شدن به اندازه، ریزساختار و ترکیب فولاد در حال کوئنچ شدن و همچنین به ویژگی های حذف حرارت کوئنچنت مربوط می شود. به طور سنتی، آزمایش‌ های قدرت سخت‌ شدگی فولاد به‌طور تجربی با کوئنچ کردن نمونه‌های آزمایش و انجام سختی مقطع (U-منحنی) و بررسی‌های Jominy end-queench (ASTM A 255) تعیین می‌شود. مشکلات تکرارپذیری مهم ترین عیب محسوب می شود. بنابراین، علاقه مستمر به آزمایش‌های جایگزین وجود دارد که خواص متالورژیکی فولاد، مانند سختی، را با ویژگی‌های حذف حرارت محیط کوئنچ کننده مرتبط می‌کند.

تست های قدرت سخت شدن

معیار نهایی برای انتخاب یک محیط کوئنچ کننده، قدرت سخت شدن آن است، یعنی توانایی آن برای ایجاد یک ریزساختار و سختی مشخص در یک ماده معین تحت شرایط مشخصی از کوئنچ کردن و دما. عوامل اصلی موثر بر سختی به دست آمده در کوئنچ را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

• ماهیت و غلظت (در صورت وجود) کوئنچ کننده
• دمای کوئنچ کننده
• هم زدن و جریان جرمی کوئنچ کننده
• ترکیب مواد، ساختار، و تاریخچه حرارتی جزء فلزی
• اندازه مقطع، هندسه، و وضعیت سطح جزء فلزی

آزمایش جومینی

این آزمایش به طور گسترده ای برای تعیین سختی پذیری فولادها استفاده می شود. این شامل حرارت دادن یک نمونه 25 میلی‌متری (1 اینچ) تا دمای سخت شدن مورد نظر، و سپس برداشتن گرما از یک انتهای میله با استفاده از کوئنچ آب است. سپس میله در امتداد طول خود تا 0.38 میلی متر (0.015 اینچ) زیر سطح آسیاب می شود و سختی نمونه با فاصله 1.6 میلی متر (1/16 اینچ) از هم جدا می شود. سختی پذیری بر حسب فاصله از انتهای کوئنچ شده تا سختی معین بیان می شود.

روش استاندارد کوئنچ کردن از آب 25 درجه سانتیگراد (80 درجه فارنهایت) استفاده می کند، اما برخی محققین از روغن استفاده می کنند. یا پلیمرها کوئنچ انتهایی را انجام می دهند و سپس نتایج به دست آمده را با کوئنچ متناوب با نتایج حاصل از آب مقایسه می کنند.

تست غوطه وری

تست استاندارد جومینی به آسانی اجازه مدل‌سازی کافی اثرات هم زدن را که در بسیاری از روش‌های کوئنچ کردن تجاری با آن مواجه می‌شود را نمی‌دهد. همچنین، آزمایش پایان کوئنچ جومینی یک روش کلی قابل قبول برای استفاده با کوئنچ های پلیمری آبی نیست، زیرا فشار کوئنچ سیل در انتهای نمونه آزمایشی اغلب خواص تشکیل فیلم پلیمر در سطح مشترک فلز داغ را مختل می کند. محدودیت‌های آزمایش کوئنچ جومینی، بررسی سختی مقطعی، یا منحنی U، اغلب بر روی یک قطعه تست استاندارد تحت شرایط کوئنچ کردن واقعی تعیین می‌شوند. سختی‌پذیری نشان‌داده‌شده توسط منحنی U ممکن است به سختی آزمایش کوئنچ با استفاده از تبدیل لامومرتبط باشد.

تست های قدرت خنک کننده

از آنجایی که آزمایش‌های قدرت سخت شدن زمان‌بر بوده و انجام آن نسبتاً دشوار است، آزمایش‌های قدرت خنک‌کننده برای ارزیابی محیط‌های کوئنچ کننده توسعه داده شده‌اند. سه تستی که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

• تست های منحنی خنک کننده
• تست مغناطیسی
• تست سیم داغ

تست های منحنی خنک کننده

مفیدترین روش برای تعیین قدرت خنک‌کنندگی یک کوئنچ، آزمایش منحنی خنک‌کننده است که در آن نرخ‌های خنک‌سازی در طول فرآیند کامل کوئنچ کردن تعیین می‌شوند. این آزمایش با کوئنچ کردن نمونه‌های آزمایشی، حاوی یک یا چند ترموکوپل و دنبال کردن فرآیند خنک‌سازی با استفاده از دستگاه اندازه‌گیری دما انجام می‌شود. نمونه های آزمایشی را می توان از فولاد ضد زنگ، نقره، نیکل یا فولاد کربنی ساخت. اگرچه شکل‌های استوانه‌ای رایج‌تر هستند، اما ممکن است از اشکال دیگری مانند توپ، صفحه، لوله یا قطعات تولیدی استفاده شود.

یک نمونه آزمایشی با جرم نسبتاً کوچک ممکن است برای سیالات کوئنچ کننده با سرعت آهسته مورد نظر باشد، در حالی که مایعات کوئنچ کننده سریعتر ممکن است به جرم بزرگتر یا ضبط کننده با نرخ پاسخ بسیار بالا نیاز داشته باشند. پروب های نقره ای توسط برخی از محققین استفاده می شود زیرا آنها عاری از اثرات تغییر شکل هستند و در برابر خوردگی مقاوم هستند. رسانایی نسبتاً بالای نقره تغییرات حرارتی سطح موضعی را به طور متوسط کاهش می دهد و در عین حال حساسیت بالایی را به خواص کوئنچ کننده حفظ می کند.

دمای مشخصه (کمترین دمایی که در آن پوشش بخار می تواند حفظ شود) و نقطه جوش تحت تأثیر دما، هدایت حرارتی یا جرم قطعه آزمایش زمانی که منحنی خنک کننده در سطح قطعه آزمایش گرفته می شود. این درست نیست وقتی منحنی در هر نقطه زیر سطح گرفته شود. به طور کلی، تست منحنی خنک کننده یک ابزار تحقیقاتی و کنترل کیفیت عالی است و درجه بالایی از دقت مقایسه ای را ارائه می دهد. استانداردسازی آزمون مقایسه نتایج از منابع مختلف را تسهیل می‌کند.

در انجام تجزیه و تحلیل منحنی خنک‌کننده، بسیار مهم است که نرخ‌های اکتساب داده‌ها برای ارائه نقاط داده کافی برای تعیین دقیق نرخ خنک‌کننده در مناطق با بالاترین انتقال حرارت کافی باشد. هدایت حرارتی بالاتر یا کاوشگرهای کوچکتر به سرعت اکتساب داده‌های سریع‌تر نیاز دارند. ترموکوپل سطحی گاهی اوقات برای شناسایی رویدادهای سطحی که در خروجی ترموکوپل مرکزی پنهان می‌شوند استفاده می‌شود.

معمولاً به دلیل نرخ‌های خنک‌کنندگی بالا، نرخ اکتساب داده‌های بالا برای ترموکوپل‌های سطحی مورد نیاز است. اگر یک ترموکوپل سطحی با یک قطعه آزمایش نقره با قطر 10 میلی‌متر (0.4 اینچ) استفاده شود، ضبط‌کننده باید بتواند نرخ‌های تغییر دمای حداقل 540 درجه سانتی‌گراد (1000 درجه فارنهایت) را در 0.1 ثانیه در سراسر محدوده دمایی به‌طور دقیق ثبت کند. به طور کلی مشخص شده است که خوانش دمای سطح در محاسبه ضرایب انتقال حرارت و شار حرارتی سطح در طول فرآیند کوئنچ کردن مهم است.

با این حال، اکسیداسیون پروب در طول گرمایش قبل از کوئنچ کردن اغلب دستیابی به منحنی های خنک کننده سطح قابل تکرار را دشوار می کند. با این حال، دمای سطح در طول فرآیند کوئنچ را می توان با روش اجزای محدود (FEM) یا روش تفاضل محدود (FDM) با استفاده از برنامه های کامپیوتری تجاری موجود محاسبه کرد.

عملیات کننده های حرارتی معمولاً تمایلی به اندازه گیری رفتار خنک کنندگی سطح ندارند، زیرا آنها بیشتر به هسته سختی علاقه دارند. در نتیجه، آنها بیشتر به منحنی‌های خنک‌کننده خط مرکزی در آلیاژهای پایه آهن یا نیکل با ویژگی‌های حرارتی مشابه فلزات تحت عملیات حرارتی علاقه‌مند بوده‌اند. هنگام تجزیه و تحلیل منحنی‌های خنک‌کننده به‌دست‌آمده از پروب‌هایی با ساختارهای مختلف، تحلیل‌گران باید تشخیص دهند که توانایی فلزات در انتشار گرما از هسته با عبارت منعکس می شود:

که در آن α انتشار حرارتی است. k رسانایی است. ρ چگالی است. و CP گرمای ویژه فلز است. مقدار α برای نقره 0.25 سانتی‌متر مربع بر ثانیه، برای نیکل 0.175 سانتی‌متر مربع بر ثانیه و برای فولاد کربنی 0.11 سانتی‌متر مربع بر ثانیه است. شیب دما در پروب های ساخته شده از فولاد بیشتر از نیکل و هر دو بیشتر از گرادیان دما در نقره است.

تست کوئنکومتر مغناطیسی (ASTM D 3520).

این آزمایش از خواص فلزاتی استفاده می کند که با گرم شدن بالای نقطه کوری خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند و وقتی زیر این دما سرد می شوند، مغناطیس خود را باز می یابند. تست کوئنکومتر برای ارائه وسیله ای برای مقایسه نرخ استخراج حرارتی روغن، نمک مذاب، آب و سایر محیط های کوئنچ کننده ابداع شد. روش آزمایش شامل حرارت دادن یک کره با قطر 22 میلی متر (78 اینچ) نیکل یا کروم نیکل کروم شده، با وزن تقریبی 50 گرم (1.8 اونس) تا 885 درجه سانتی گراد (1625 درجه فارنهایت) در هوا یا اتمسفر کنترل شده است.

پس از به دست آوردن یکنواختی دما، در یک نمونه 200 میلی لیتری (0.055 گال) مایع واقع در میدان مغناطیسی کوئنچ می شود. همانطور که کره ی نیکل در دمای کوری سرد می شود، توسط میدان مغناطیسی به کنار ظرف جذب می شود.

زمان لازم برای خنک شدن کره نیکل از 885 درجه سانتیگراد (1625 درجه فارنهایت) تا دمای کوری 355 درجه سانتیگراد (670 درجه فارنهایت) اندازه گیری قدرت خنک کننده محیط کوئنچ کننده است. هر چه قدرت خنک کنندگی محیط کوئنچ کننده بیشتر باشد، زمان کوتاه تری لازم است تا نیکل بتواند خاصیت مغناطیسی خود را به دست آورد. آلیاژهای دیگر با نقاط کوری مختلف می توانند برای ایجاد نقاط اضافی در منحنی خنک کننده استفاده شوند.

یک اصلاح تست کوئنچ مغناطیسی را می توان برای مطالعه تأثیر گردش و گرما بر قدرت خنک کنندگی روغن های کوئنچینگ استفاده کرد. برخی از روغن های معمولی و سریع کوئنچ کننده موجود در بازار و همچنین برای روغن های معطر با و بدون شتاب دهنده های سرعت کوئنچ شدن. روغن‌های معمولی و سریع معمولاً در دمای 25 درجه سانتی‌گراد (80 درجه فارنهایت) آزمایش می‌شوند.

روغن‌های مارتمپرینگ که در دماهای بالاتر استفاده می‌شوند، معمولاً در دمای 120 درجه سانتی‌گراد (250 درجه فارنهایت) آزمایش می‌شوند. نیکل نوع دوم برای نزدیک شدن به شرایط و نتایج به‌دست‌آمده با گلوله‌های نیکل خالص که تا دمای ۸۸۵ درجه سانتی‌گراد (۱۶۲۵ درجه فارنهایت) تحت اتمسفر کاهش‌دهنده گرم شده‌اند، توسعه داده شد. این آزمایش مغناطیسی، با استفاده از توپ‌های نیکل کرومیزه شده، در ASTM D 3520 مشخص شده است، اما آنقدر دست و پا گیر است که معمولاً آزمایش توپ نیکل ساده‌تر بسیار ساده‌تر ترجیح داده می‌شود.

تست سیم داغ

این روش ارزیابی کوئنچی شامل گرم کردن سیم نیکروم (با گیج استاندارد و مقاومت الکتریکی) با استفاده از جریان الکتریکی در 100 تا 200 میلی لیتر (0.025 تا 0.055 گال) کوئنچ است. سیم توسط دو الکترود مسی یا برنجی پشتیبانی می شود و کوئنچ کننده معمولاً در دمای استفاده است. سیم با افزایش مداوم جریان توسط یک رئوستات گرم می شود. قدرت خنک کننده کوئنچنت با جریان جریانی که سیم در آن ذوب شده یا می سوزد نشان داده می شود.

محیط کوئنچ کننده قادر به استخراج گرما با سرعت بیشتری اجازه عبور جریان های بالاتر از سیم را می دهند. این آزمایش شبیه آزمون بازه زمانی است که توانایی حذف گرما را فقط در محدوده دمای بالاتر مقایسه می کند.