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一种高效淬火冷却介质

来源:未知 佚名 2018-08-28 浏览
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  淬火是热处理中最重要的一种工艺。热处理质量的好坏与所选用的淬火冷却介质及冷却方法有密切的关系。南昌大学和江西铜业公司余干铸锻公司提出采用油基-碳纳米管纳米流体作为淬火冷却介质,可明显改善淬火效果。

  纳米流体是在基液中分散纳米粒子所形成的一种悬浮液。由于纳米粒子具有高的比表面积和导热性,所以可以使纳米流体具有更高的传热特性。碳纳米管是一种优良的导热材料,由于高的热导率和比表面积,它能使所形成的纳米流体的热传输能力得到大幅度提高。有研究表明,质量分数为1.0%的水基-碳纳米管纳米流体在沸腾阶段的热传输系数有明显提高;而且热导率随着碳纳米管含量的增加而增大。

  南昌大学和余干铸锻公司使用油基-碳纳米管纳米流体作为淬火介质,对45#钢进行淬火试验。所用的碳纳米管,管径为10~50nm,长为1~10μm。对碳纳米管进行分散处理,首先对碳纳米管进行湿磨,采用行星式球磨机,转速为100r/min,时间为6h。然后过滤、烘干,再将碳纳米管和十二烷基苯磺酸钠阴离子分散剂以2∶1加入水中超声20min,最后进行稀释,制备成油基-碳纳米管纳米流体淬火液。

  与采用30#机油作淬火介质的对比试验结果表明(加热试样至850℃,保温时间为30min,然后淬火。淬火后在250℃低温回火2h。),在655℃以上时,纳米流体冷却速度明显大于油的冷却速度,并且随着碳纳米管含量的增加,冷却速度逐渐增大,在750℃时,冷却速度达到最大。在655~550℃之间,30#机油的冷却速度在质量分数为1.25%~1.50%碳纳米管纳米流体的冷却速度区间。在550~460℃时,30#机油的冷却速度处于质量分数为1.50%~1.75%碳纳米管的纳米流体冷却速度之间。在460℃以下,30#机油的冷却速度大于碳纳米管纳米流体的冷却速度。在整个过程中,碳纳米管纳米流体的冷却速度都是随着碳纳米管含量的增加而逐渐增大。

  淬火冷却过程一般分为3个阶段:蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流传热阶段。当炽热的工件投入淬火介质的瞬间,工件周围的介质立即被加热达到沸点后气化,在工件的表面形成一层过热的蒸汽膜将工件与淬火介质隔开。由于蒸汽膜的导热性较差,被其包围隔绝的工件主要靠辐射和蒸汽导热,此时工件冷却缓慢,直到蒸汽膜破裂而消失,进入沸腾阶段。油基-碳纳米管纳米流体由于碳纳米管纳米粒子的存在,将形成的气泡打破,减少了在蒸汽膜阶段停留的时间,能使工件不同的部位几乎同时迅速进入沸腾阶段,并形成较大的冷却速度。而在冷却过程的低温阶段(即对流阶段),冷却速度比较慢,减少了马氏体组织转变应力,大大降低了工件的淬火开裂和畸变率。由于上述原因,油基-碳纳米管纳米流体中淬火的试样,其硬度明显大于在30#机油中淬火的试样的硬度。

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