[发明专利]一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法

权利要求书

1.一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过热重分析实验，确定在升温及保温条件下氧化增重与时间的关系曲线；

S2：升温阶段氧化层计算：氧化动力学的速率规律用阿累尼乌斯公式表达：

ΔWⁿ＝K·t (1)

式中，ΔW为单位面积氧化铁皮的增重Kg/m²；K为氧化速率常数kg/(m²·s)；t为氧化时间，s；

其中：K＝K₀·e^-Q/RT (2)

式(2)中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为加热温度；R为气体常数8.314J/(mol·k)；K₀为频率因子；

式(3)中，n为反应级数；

将公式(2)带入公式(1)并对等式两边进行对数变换得到公式(3)；以lnt为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到时间与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率1/n，确定反应级数n；将n代入公式(3)，并以1/T为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到温度倒数值与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率-Q/R，确定氧化激活能Q，线性方程截距为lnt+lnK₀，确定频率因子K₀；

S3：将S2所求氧化激活能Q、频率因子K₀代入公式(2)即可求出氧化速率常数K，将氧化速率常数K、反应级数n代入(1)即可求得升温过程单位面积氧化铁皮增重ΔW随加热时间t与加热温度T的关系方程；

单位面积氧化增加质量ΔW为氧化层中氧原子的质量，假设氧化层中Fe₃O₄与FeO各占50％，则氧在氧化层中所占原子质量比为16/56；ρ为氧化铁皮密度，5.2g/cm³，升温阶段氧化层厚度x₁增加计算公式为：

S4：保温阶段氧化层计算：保温阶段所有温度下的氧化动力学均表现为快速线性氧化过程，即反应级数n为1，氧化动力学的速率定律为：

式中(W/A)为t时刻单位面积的增重，K为速率常数㎏/(㎡·s)，速率常数K(T)是温度相关的速率常数，其遵循:

对上式等号两边取对数：

式中，K₀是指前因子，R是气体常数8.314J/(mol·k)，T是绝对温度(K)、ΔE是活化能，活化能由ln(K)与1/T曲线的斜率决定；取相同保温时间、不同保温温度对应的ln(K)值作图，得到ln(K)与1/T的关系曲线；进行线性拟合，得到直线的斜率确定活化能ΔE；截距为lnK₀，确定指前因子K₀；将前因子K₀与活化能ΔE代入公式(6)，求出速率常数K，将速率常数K代入公式(5)即可求出t时刻单位面积增重W/A；

保温阶段氧化层厚度x₂计算公式与升温阶段一致，如公式(8)所示：

S5：升温及保温阶段氧化层总厚度x为升温阶段氧化层厚度x₁与保温阶段氧化层厚度x₂的和，即氧化层总厚度x：

x＝x₁+x₂ (9)。

2.如权利要求1所述的一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，其特征在于，S1中热重分析实验方法为：利用热重分析仪进行氧化增重实验：对弹簧钢进行线切割成标准试样，再用砂纸打磨后用酒精进行超声波清洗，吹干，采用同步差热分析仪进行氧化增重试验。

3.如权利要求2所述的一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，其特征在于，S1中确定氧化增重与时间的关系曲线方法为：通过同步差热分析仪每隔一定时间采集一次质量增重信号，并设定炉内混合气体的成分组成、起始温度、升温速率、等温氧化温度及氧化时间，即可确定氧化增重与时间的关系曲线。