TWI394940B - Metal surface temperature measuring device - Google Patents

Description

金屬之表面溫度測定裝置

本發明係有關測定金屬表面溫度的裝置，特別是有關適於測定鐵、鋼及其他導熱度低的金屬表面溫度的金屬之表面溫度測定裝置。

由於用於淬火加工等熱處理的冷卻劑、熱加工(壓延、鍛造)用冷卻劑或潤滑劑、切削加工液體、冷軋油等加工油需要既定品質及性質形狀，故依據JIS K2242訂定規格。

例如，於JIS K2242(規格名稱：熱處理油)中對用於淬火加工等的熱處理的冷卻劑訂定規格。

於此JIS K2242中，對應用途，區分冷卻劑的種類，一一按其種類規將品質及性質形狀(冷卻性能、穩定度)規格化。具體而言，使用作為加熱器的加熱用電爐、作為被測定體的銀棒及溫度計等的表面溫度測定裝置，迅速將加熱的銀棒放入試料(構造檢查對象的冷卻劑)中，以此時銀棒的溫度變化為時間函數求出冷卻曲線。然後，根據此冷卻曲線，以1/10秒計算特性溫度及自800℃至400℃的冷卻時間，作為冷卻性能。

如此依據JIS K2242的表面溫度測定裝置雖然使用銀棒作為被測定體，不過，實際進行淬火加工的金屬以鋼居多。儘管如此，使用銀棒作為被測定體基於如次理由。

第一，原因在於，由於在鋼情況下，導熱度不良，溫度分佈大，故無法高感度測定被測定體表面的溫度變化(參照第4圖的C)。假設將高溫加熱的鋼材放入熱處理油(冷卻劑)的情形，即會在短時間內自鋼材表面朝中心方向發生大的溫差。又，越接近鋼材表面，其溫度斜度越大。其原因在於，由於鋼材的導熱度小，故鋼材內部朝表面側的熱移動趕不上自鋼材表面釋放的熱。例如鈷鉬鋼的導熱度僅為銀的導熱度的約1/10。

第二，由於在大氣下，鋼表面會氧化，故習知使用銀棒。

因此，習知金屬之表面溫度測定裝置有無法正確測定淬火加工時的鋼表面溫度變化的問題。

本發明係有鑑於上述情事而開發完成者，其目的在於提供一種可對應冷卻劑種類、熱處理溫度等熱處理條件，迅速測定鋼等導熱度低金屬的表面溫度的金屬之表面溫度測定裝置。

為達成上述目的，本發明為一種金屬之表面溫度測定裝置，是具備：被測定體、將此被測定體加熱的加熱器、裝入有用來將該加熱器所加熱的前述被測定體冷卻的冷卻劑的容器、以及在前述加熱器與前述容器之間移動前述被測定體，使以前述加熱器加熱的前述被測定體進入前述冷卻劑中的移動手段的金屬之表面溫度測定裝置，其特徵為：以銀或銅形成前述被測定體的本體，並將前述本體全周以由導熱度低的金屬所成之薄膜覆蓋，且設置貫穿前述薄膜而位於前述本體內的絕緣管，經由該絕緣管，將形成 熱電偶的纜線插設於前述本體內，與銀或銅形成熱電偶的構造。

於此，被測定體的薄膜可列舉純鐵或鐵合金薄膜。

若如此構造。即可以銀或銅的導熱度的速度測定導熱度低的金屬(以下單稱「鋼」)的表面溫度變化。又可對應冷卻劑種類、熱處理溫度等熱處理條件，迅速測定。又，本發明係以純鐵或鐵合金等形成被測定體的薄膜，至少將前述容器、前述加熱器、前述被測定體配置於充滿非活性氣體氛圍的測定室內的構造。

由於若如此，即便使用容易氧化的純鐵或鐵合金於被測定體，測定氣體氛圍仍為非活性氣體氛圍，故可防止被測定體的表面薄膜的氧化。非活性氣體以氮較佳。

又，本發明的表面溫度測定裝置將前述薄膜的厚度定作成1~100μm。

若如此構造，即不受鋼等金屬的低導熱度的不良影響，可依據JIS K2242的規格測定金屬表面的溫度變化。

如以上，根據本發明，可依據JIS K2242的規格測定導熱度低的金屬表面的溫度。

(用以實施發明之最佳形態)

以下，參照圖式，對本發明一實施形態加以說明。

首先，說明本發明表面溫度測定裝置之一實施形態的裝置全體的概略。

第1圖係本發明一實施形態的表面溫度測定裝置的概略構成圖。

如第1圖所示，本裝置具備作為加熱器的加熱用電爐1、試料(冷卻劑)容器2、被測定體10、溫度計3及記錄器4。

加熱用電爐1係用來將被測定體10加熱至既定溫度(約800℃)為止的裝置，使用於爐內不會形成強磁場或交變磁場的無電介質式者等。試料容器2係裝入構成檢查對象的冷卻劑(試料)的容器，配置於被測定體10的下方。溫度計3具有熱電偶部分，將其測定部裝入被測定體10的內部，測定被測定體表面的溫度。記錄器4記錄溫度計3所測定的溫度。

加熱用電爐1、試料(冷卻劑)容器2及被測定體10配置於測定室20內，將非活性氣體(氮氣)供入此測定室20內。亦即，本實施形態的金屬之表面溫度測定裝置於充滿非活性氣體氛圍下進行溫度測定。

第2圖係剖斷被測定體一部分的詳細視圖。

被測定體10由可藉移動手段11a上下作動的支持體11及螺合支持於此支持體11的本體12形成，將熱電偶的測定部裝入此本體12內部。本體12係銀製，於其外周面塗佈由鋼等低導熱度的金屬形成的薄膜12a。於本實施形態中，將形成薄膜12a的本體12的尺寸製為直徑10mm，長度30mm。

薄膜12a雖然藉由電鍍、蒸著或濺射等方法塗佈，惟其厚度以1~100 μ m較佳。若厚度較1 μ m還薄時，則難以獲得均一薄膜，若厚度較100 μ m還厚時，即受到鋼等低導熱度的不良影響，難以作正確的溫度測定。

在此，導熱度低的金屬除了純鐵、鉻鉬鋼鋼材之外，尚可列舉鎳鉻鉬鋼鋼材、機械構造用碳鋼鋼材、高速工具鋼鋼材、不銹鋼鋼材等。

又，鐵系以外的低導熱度金屬可列舉鉻、鈦及此等之氮化物。

經由絕緣管14插設熱電偶的亞鋁美(Alumel)鎳鋁合金線13於被測定體10的塗佈薄膜12a的本體12內。亞鋁美鎳鋁合金線13的前端形成球13a，此球13a雖然定位極接近由銀所形成的本體12表面，惟不接觸薄膜12a。此前端的球13具有作為熱電偶的測溫接點的功能。銀製本體12經由銀製管15及銀線16連接於溫度計3的本體。又，亞鋁美鎳鋁合金線13經由耐熱絕緣體17通過銀製管15的內部，連接於溫度計3。

且於第2圖所示實施形態中，鋼製薄膜12a塗佈於本體12的全周圍。

除了銀外，可使用銅等導熱度高的金屬作為被測定體10的本體12。於使用銅作為本體12時，使用銅－康銅熱電偶作為熱電偶。如同使用銀於本體12的情形，進行熱電偶對本體12的安裝。

使用如此構成的金屬之表面溫度測定裝置的溫度測定如次進行。

於加熱用電爐1內，將被測定體10的本體12加熱至既定溫度(約800℃)為止之後，下降支持體，放入試料容器2內。由於在試料容器2內置入有構成試驗對象的冷卻劑，故被測定體10的薄膜12a及本體12急速被冷卻，其表面溫度變化。溫度計3透過熱電偶測定此溫度變化，記錄器4將此記錄。且亦可以以溫度變化作為時間的函數，來求出冷卻曲線。

實施例與比較例

(實施例1)使用將鋼製薄膜鍍於銀製本體作為被測定體的情形。

使用純鐵作為鋼。鍍層厚度為100 μ m。

將250ml之作為冷卻劑的冷淬火油「達夫尼主淬火A」(出光興產(株式會社)製)放入試料容器，加熱至80℃。將在電爐內加熱至810℃的上述被測定體放入此冷卻劑中，測定表面溫度。測定在氮氣氛圍中進行。

其他則依據JIS K2242，進行表面溫度的測定。結果，獲得第3圖的B所示冷卻曲線。

(比較例1)使用銀製被測定體的情形使用銀製本體所形成者作為被測定體。測定在大氣下進行。其他如同實施例1進行測定。結果，獲得第3圖的A所示冷卻曲線。

(比較例2)使用鋼製被測定體的情形使用鋼製本體所形成者作為被測定體。鋼使用鉻鉬鋼鋼材(JIS G 4105 SCM420)。測定使用護套材質為耐蝕耐熱超合金、護套外徑1.0mm、K型接地型SK級(JIS C 1605)護套熱電偶，插入而設置於與第2圖的熱電偶插入位置相同的位置。其他如同實施例1進行測定。結果，獲得第3圖的C所示冷卻曲線。

(實施例2)使用將鋼製薄膜鍍於銀製本體上的被測定體的情形

使用熱淬火油「達夫尼高溫油A」(出光興產(株式會社)製)作為冷卻劑，加熱至120℃。其他如同實施例1進行測定。結果，獲得第5圖的B所示冷卻曲線。

(比較例3)使用銀製被測定體的情形

使用熱淬火油「達夫尼高溫油A」(出光興產(株式會社)製)作為冷卻劑，加熱至120℃。其他如同實施例1進行測定。結果，獲得第5圖的A所示冷卻曲線。

測定結果之比較

使用熱處理模擬軟體及實測值來比較實施例與比較例的測定結果。

熱處理模擬軟體使用「DEFORM^TM -HT」(Yamanaka Engineering Co.)。鋼材的導熱度等的資料使用日本材料學會(社團法人)的資料庫MATEQ。鋼材表面的導熱係數使用先前表面溫度測定結果，藉日本特開平07－146264號公報所載使用貝色耳函數的熱導方程式的解法算出。第7圖顯示算出的結果。

又，對半徑8mm的被測定體(圓柱模型)的表面、距表面4mm及中心位置的溫度特性進行模擬。第8圖及第9圖顯示模擬結果。第8圖顯示使用根據藉塗佈鐵於本體的被測定體測定的表面溫度算出的熱導係數的模擬結果及實測值。第9圖顯示使用根據藉以銀為本體的被測定體測定的表面溫度算出的熱導係數的模擬結果及實測值。

另外，實際測試使用由半徑8mm、長度30mm的圓柱形鋼形成的被測定體。於被測定體上距其中心線4mm處，平行於中心線安裝護套熱電偶。其他如同比較例2(實施例1)進行測定。

據此判斷，使用實施例1的表面溫度的測定結果的情形接近實測值。

於此，對日本特開平7－146264號公報所載導熱能力評估方法簡單加以說明。此方法係本申請人所提議的方法。

首先，設定與熱處理過程中的評估對象物的物理形狀相同或類似的基準體，作成表示此基準體與評估對象物間的熱導的熱導方程式(步驟41)。

亦即，藉與評估對象物的物理形狀相同或類似的基準體，設定代表進行熱處理模擬的冷卻過程的冷卻模型M，作成此冷卻模型M的熱導方程式。此熱導方程式是從表示熱導的一般式，對應冷卻模型M的形狀等所導出。

其次，測定前述基準體與液體間的熱處理過程中的溫度變化(步驟42)。亦即，在設定熱處理等的液體種類、熱處理前的材料溫度及液體溫度後，測定冷卻模型M的冷卻曲線。

接著，使用固有函數解析熱導方程式(步驟43)，鑑定熱導係數(步驟44)。

且，使用上述熱處理模擬軟體，分別形成銀(與比較例1相同的銀)、鋼(與比較例2相同的鉻鉬鋼)及鍍上述鋼於上述銀的被測定體(半徑5mm的圓柱體)，解析自其中心的徑向溫度分佈。於各解析中，產生最大溫度分佈情形的結果如第4圖明示。

亦即，僅由鐵所形成的被測定體於表面與距表面1mm處有80℃左右的溫差。這意指即使接近被測定體的表面配置熱電偶的測溫接點，縱然其設置位置僅偏差0.1mm，仍會有高達8℃左右的差。根據此點，對於將熱電耦設置在如鋼等之由導熱度低的材料形成的被測定體所構成的表面溫度測定裝置時，是難以期待能夠有正確的溫度測定。又，於各裝置間，在測定精度上產生大的差異，從而可得知是無法成為具有可靠性的測定裝置。

(產業上可利用性)

本發明可廣泛利用依據JIS K2242的冷卻劑的冷卻性能試驗及依據JIS K2242的熱處理模擬技術等。特別是可有效利用於對導熱度低的金屬的冷卻劑的冷卻性能試驗及熱模擬技術等。

1．．．加熱用電爐

2．．．試料容器

3．．．溫度計

4．．．記錄計

10．．．被測定體

11．．．支持體

11a．．．移動手段

12．．．本體

13．．．亞鋁美(Alumel)鎳鋁合金線

13a．．．球

14．．．絕緣管

15．．．銀製管

16．．．銀線

17．．．耐熱絕緣體

20．．．測定室

第1圖係本發明一實施形態的表面溫度測定裝置的概略構成圖。

第2圖係本發明實施形態的被測定體的部分剖斷視圖。

第3圖係顯示依被測定體的種類(實施例1、比較例1、2)之溫度變化(冷卻溫度)的測定時間。

第4圖係顯示依每一種被測定體之徑向溫度分佈。

第5圖係顯示於實施例2及比較例3中之溫度變化(冷卻溫度)的測定時間。

第6圖係顯示以日本特開平7－146264號所揭示熱導能力評估方法之順序的流程圖。

第7圖係表示熱導係數與溫度的關係圖。

第8圖係使用塗佈鐵於本體作為被測定體之情形時，其溫度特性的實測值及模擬結果的比較圖。

第9圖係使用本體為銀作為被測定體之情形時，其溫度特性的實測值及模擬結果的比較圖。

11．．．支持體

12．．．本體

13．．．亞鋁美(Alumel)鎳鋁合金線

13a．．．球

14．．．絕緣管

15．．．銀製管

16．．．銀線

17．．．耐熱絕緣體

Claims (3)

1. 一種金屬之表面溫度測定裝置，是具備：被測定體、將此被測定體加熱的加熱器、裝入有用來將該加熱器所加熱的前述被測定體冷卻的冷卻劑的容器、以及在前述加熱器與前述容器之間移動前述被測定體，使以前述加熱器加熱的前述被測定體進入前述冷卻劑中的移動手段的金屬之表面溫度測定裝置，其特徵為：以銀或銅形成前述被測定體的本體，並將前述本體全周以由導熱度低的金屬所成之薄膜覆蓋，且設置貫穿前述薄膜而位於前述本體內的絕緣管，經由該絕緣管，將形成熱電偶的纜線插設於前述本體內，與銀或銅形成熱電偶。
2. 如申請專利範圍第1項之金屬之表面溫度測定裝置，其中將前述被測定體的薄膜作成純鐵或鐵合金的薄膜；並且至少將前述容器、前述加熱器、前述被測定體配置於充滿非活性氣體氛圍的測定室內。
3. 如申請專利範圍第1或2項之金屬之表面溫度測定裝置，其中將前述薄膜形成1~100μm的厚度。