CC BY
7
УДК 621.78:669.715
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-3-11-14
О ДЕЙСТВИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССАХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Семен Львович Цукров, канд. техн. наук
Независимый эксперт, Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. В процессах термической обработки алюминиевых сплавов тепловая энергия - главный фактор целесообразного воздействия на структуру изделия для получения нужных свойств. Она совершает нагрев и охлаждение изделия и тем самым изменяет его структуру. Процессы нагрева и охлаждения ведутся в печах и агрегатах, в которых тепловая энергия с помощью теплоносителя переносится в изделие или отводится от него. Тепловая энергия представляет собой работу, которую производят атомы изделия. В настоящей статье дано представление о том, что движение атомов и молекул совершается под действием мощности тепловой энергии, равной частному от деления расхода тепловой энергии на время ее действия. Эта мощность обусловливает изменение структуры изделия и, в частности, изменение зеренной и дислокационной структуры, морфологии частиц растворимых и труднорастворимых фаз. Мощность тепловой энергии имеет знаки: плюс при нагреве и минус при охлаждении изделия. Приведены возможные результаты действия мощности тепловой энергии при различных видах термической обработки алюминиевых сплавов. При дорекристаллизационном отжиге, изменяя мощность тепловой энергии можно управлять процессами возврата и степенью разупрочнения изделия. При отжиге-рекристаллизации скоростной нагрев увеличивает мощность тепловой энергии, что ведет к формированию мелкозернистой рекристаллизованной структуры. При обработке на твердый раствор увеличение мощности тепловой энергии способствует более быстрому растворению частичек избыточных фаз. Величина мощности тепловой энергии имеет значение в процессе закалочного охлаждения. С ростом скорости охлаждения мощность (со знаком минус) уменьшается и полнее сохраняется пересыщенное состояние твердого раствора.
Ключевые слова: тепловая энергия; мощность; термическая обработка; алюминиевые сплавы; нагрев; охлаждение; теплообмен; теплоноситель; структура; дислокации; фазы; частицы; твердый раствор
On the Effect of Thermal Energy in the Processes of Heat Treatment of Aluminum Alloys. Cand. of Sci. (Eng.) Semyon L. Tsukrov
Independent expert, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. In the processes of heat treatment of aluminum alloys, thermal energy is the main factor of an expedient impact on the structure of a product to obtain the desired properties. It heats and cools the product and thereby changes its structure. The heating and cooling processes are carried out in furnaces and units in which the thermal energy is transferred to the product or removed from it using a heat-transfer agent. Thermal energy is the work that make the atoms of the product. This article describes an idea that the movement of atoms and molecules is carried out under the action of the power of the thermal energy, which is equal to the quotient of the division of the thermal energy consumption by the time of its action. This power causes a change in the structure of the product and, in particular, a change in the grain and dislocation structure, the morphology of the particles of soluble and hardly soluble phases. The power of thermal energy has signs: plus when heating and minus when cooling the product. Possible results of the action of thermal energy for various
types of heat treatment of aluminum alloys are given. In case of the pre-recrystallization annealing, the process of strain-relief crystallization and the softening degree of the product can be controlled by changing the power of thermal energy. In case of the recrystallization annealing, the high-rate heating increases the power of the thermal energy, which leads to the formation of a fine-grained recrystallized structure. In the process of solid solution heat treatment, an increase in the thermal energy power facilitates a faster dissolution of excess phase particles. The magnitude of the thermal energy power is important in the quenching cooling process. With an increase in the cooling rate, the power (with a minus sign) decreases and the supersaturated state of the solid solution is more fully preserved.
Keywords: thermal energy; power; heat treatment; aluminum alloys; heating; cooling; heat exchange; heat-transfer agent; structure; dislocations, phases; particles; solid solution
В трудах отечественных и иностранных ученых термическая обработка металлов и сплавов рассматривается как процесс целенаправленного воздействия на структуру металлов и сплавов [1-3]. Термическая обработка изделий и полуфабрикатов (в дальнейшем изделий) из алюминиевых сплавов подразделяется на следующие основные виды: гомогени-зационный отжиг, дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиги, обработка на твердый раствор с последующим закалочным охлаждением и старение. Каждый вид обработки обеспечивает необходимые изменения структуры изделия [4]. Принято считать, что структурные и фазовые превращения происходят под влиянием повышения или понижения температуры изделия. Известно, что причиной изменения температуры является подвод к изделию или отвод от него тепловой энергии [5]. Поэтому тепловая энергия - главный фактор целесообразного воздействия на структуру изделий и достижения необходимых свойств. Влиянию этого фактора на структурные изменения в изделии в научной литературе не уделяется должного внимания. Цель настоящей статьи - восполнить это упущение.
В процессах термической обработки изделий тепловая энергия используется (расходуется) как вне, так и внутри изделия. Вне изделия она используется для нагрева конструкций печей, вспомогательных и транспортных средств. С помощью приборов можно определить общий расход тепловой энергии за определенный промежуток времени. В международной системе единиц расход энергии измеряется в джоулях (Дж). Характеристикой интенсивности является расход энергии
в единицу времени. Она называется мощностью и измеряется в ваттах (Вт). Существует понятие коэффициента полезного действия (КПД) термического устройства (печи, ванны расплава), равного отношению всего расхода энергии на нагрев изделия к общему расходу энергии в термическом устройстве для достижения заданной температуры термообработки. Все виды расходуемой энергии имеют стоимость, которая составляет значительную часть экономического показателя термической обработки.
Внутри изделия действие тепловой энергии проявляется в виде нагрева и охлаждения.
Внешний и внутренний расходы энергии связаны между собой теплопередачей - это процесс передачи тепловой энергии, совершаемый теплоносителем. При термической обработке алюминиевых сплавов в качестве теплоносителей используются газы (воздух, азот, продукты сжигания топлива), расплавленная селитра, вода или водные растворы. При нагреве изделия температура теплоносителя выше, чем у изделия, и он передает тепловую энергию изделию, повышает его температуру. Такая тепловая энергия считается положительной. При охлаждении температура теплоносителя ниже, чем у изделия, и он отнимает тепловую энергию от изделия, понижая его температуру. Такая тепловая энергия считается отрицательной.
Количество тепловой энергии определяется по формуле [5]:
О = СрДТт, Дж, (1)
где Ср - средняя удельная теплоемкость вещества изделия, Дж/(кг • К);
ДТ - разность конечной и начальной температуры при нагреве, разность начальной и конечной температуры при охлаждении, °С; m - масса изделия, кг Тепловая энергия - это работа, которую производят атомы и молекулы изделия. Работа тепловой энергии совершается с различной интенсивностью. Величина интенсивности равна частному от деления количества работы (тепловой энергии) на время ее проведения и измеряется в ваттах (Вт). Интенсивность представляет собой мощность, с которой атомы и молекулы совершают работу. При положительной тепловой энергии мощность имеет знак плюс, при отрицательной - знак минус.
Время теплопереноса (нагрева или охлаждения) определяется расчетом или экспериментально (в современных агрегатах термической обработки время нагрева изделия определено по математической модели и приведено в протоколе процесса). Для теплотехнически тонких тел*, к которым относится большинство изделий из алюминиевых сплавов, время нагрева ^ и охлаждения определяется по формулам [4]:
. ов. Тп - Тн
tн =— !п- п н Р а
ов, Тн - Тс
Тп - Тк
Р а
!п
Тк - Тс
(2) (3)
от величины абсолютной температуры изделия. При температуре плавления подвижность атомов максимальна. В диапазоне температур 400-500 °С мощность больше, чем в диапазоне 150-250 °С. Можно принять, что мощность тепловой энергии прямо пропорциональна гомологической температуре, равной отношению средней температуры в интервале нагрева или охлаждения к абсолютной температуре плавления сплава [3], т.е. мощность тепловой энергии
^ Q/tн,охTгом
, Вт,
(4)
Здесь с - средняя удельная теплоемкость вещества изделия в интервале температур нагрева или охлаждения, Дж/(кг • К);
G - масса изделия, кг;
а - среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2 • °С);
F- поверхность изделия, м ;
Тп,Тс - температура печи или окружающей среды, °С;
Тн, Тк - соответственно начальная и конечная температура изделия, °С.
Вместе с тем, при одинаковом расходе энергии и равном времени ее переноса мощность тепловой энергии может быть различной, так как она зависит от интенсивности тепловой подвижности атомов и, следовательно,
Теплотехнически тонкими называются тела, в которых разностью температур по сечению можно пренебречь.
где Q - расход тепловой энергии, Дж;
^,ох - время нагрева или охлаждения соответственно, с;
Tгом - гомологическая температура, °С.
Сила тепловых движений атомов и молекул, возникающая при изменении температуры изделия, подобно Броуновскому движению, воздействует на скорость изменения структурных элементов изделия, таких как дислокации, мелкие частицы растворимых и труднорастворимых фаз.
Можно предположить, что под действием тепловой энергии тепловое движение атомов приобретает направление, заданное нагревом или охлаждением изделия, а структурные элементы, состоящие из атомов, также трансформируются во времени и пространстве в этом направлении в соответствии с видом термической обработки изделия.
Структурные изменения при термической обработке полностью определяются ее видом, а величина мощности тепловой энергии влияет на скорость процесса.
При дорекристаллизационном отжиге величина мощности тепловой энергии обусловливает протекание процессов возврата и, как следствие, влияет на прочностные и пластические свойства изделия. Диапазон температур отжига, в котором достигаются требуемые механические свойства, зависит от величины мощности.
При отжиге-рекристаллизации большая мощность тепловой энергии, возникающая при скоростном струйном нагреве лент, инициирует много центров рекристаллизации, и в результате у малолегированных алюминиевых сплавов формируется мелкозернистая
структура и достигается повышенная пластичность изделия.
Величина мощности в случае обработки на твердый раствор влияет на скорость и полноту растворения частиц растворимых фаз. Подобный результат следует ожидать и при гомо-генизационном отжиге.
Представляет интерес действие тепловой энергии со знаком минус при закалочном охлаждении, цель которого сохранить пересыщенное состояние твердого раствора до комнатной температуры. Действие мощности тепловой энергии будет тогда направлено на сохранение пересыщения и снижение скорости распада, благодаря уменьшению интенсивности тепловых колебаний атомов алюминия и атомов легирующих компонентов, т.е. путем увеличения скорости охлаждения изделия. Чем меньше мощность, тем полнее сохранится твердый раствор. Для конкретных изделий и условий термической обработки мощность может быть рассчитана. Она качественно может быть выражена скоростью изменения температуры в процессе термической обработки, зависит от интенсивности теплообмена между изделием и теплоносителем. Поэтому такие теплотехнические величины, как коэффициент теплоотдачи, температурный напор и градиент температур оказывают сильное влияние на скорость изменения структурных превращений и играют
важную роль в технологических процессах термической обработки.
Изложенные представления о мощности тепловой энергии дополняют известные закономерности закалочного охлаждения [4, 6] и являются еще одним инструментом для его управления.
Заключение
1. В технологию термической обработки помимо температуры вводится дополнительный параметр - мощность тепловой энергии, равная частному от деления расхода тепла на время нагрева или охлаждения. Для конкретных изделий и условий термической обработки тепловая сила может быть рассчитана.
2. Мощность тепловой энергии, которая может быть качественно выражена скоростью изменения температуры в процессе термической обработки, зависит от интенсивности теплообмена между изделием и теплоносителем. Поэтому такие теплотехнические понятия, как коэффициент теплоотдачи, температурный напор и градиент температур, влияют на скорость структурных изменений и играют важную роль в технологии термической обработки.
3. В любом виде термической обработки использование тепловой энергии позволит расширить возможности управления термическим процессом и в конечном счете улучшить качество изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1966. 394 с.
2. Бочвар А.А. Основы термической обработки сплавов. М.: Металлургиздат, 1940. 298 с.
3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. 4-ое изд. М.: Металлургия, 1986. 460 с.
4. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. М.: НП «АПРАЛ», 2020. 552 с.
5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. М.: Просвещение, 2014. 416 с.
6. Давыдов В.Г., Захаров В.В., Захаров Е.Д., Новиков И.И. Диаграммы изотермического распада раствора в алюминиевых сплавах. Справ. М.: Металлургия, 1979. 152 с.
REFERENCES
1. Kolobnev I.F. Termicheskaya obrabotka alyumi-nievyh splavov. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Metal-lurgia, 1966. 394 s.
2. Bochvar A.A. Osnovy termicheskoi obrabotki splavov. M.: Metallurgizdat, 1940. 298 s.
3. Novikov I.I. Teoriya termicheskoi obrabotki metallov. 4-e izd. M.: Metallurgia, 1986. 460 s.
4. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termicheskaya obrabotka deformiruemyh alyuminievyh splavov. M.: NP «APRAL», 2020. 552 s.
5. Mjakishev G.Ya., Buhovtsev B.B., Sotskij N.N. Fizika. M.: Prosveshchenie, 2014. 416 s.
6. Davydov V.G., Zaharov V.V., Zaharov E.D., Novikov I.I. Diagrammy izotermicheskogo raspada rast-vora v alyuminievyh splavah. Sprav. M.: Metallurgia, 1979. 152 s.
