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交界线借用挑战有效厚度观念

张克俭    王 水    郝学志

北京华立精细化工公司 (102200)

发表于《热处理技术与装备》2007年第3期


前言

在本刊发表四阶段理论文章之后,将接着发表深入研究该问题和有关精细淬火冷却技术的几篇文章。本文是这组文章的第3篇。

在相同冷却条件下,一般认为:小工件冷得快,而大工件冷得慢;工件上有效厚度小的部分比有效厚度大的部分容易淬硬;工件上具有相同有效厚度的部分,都具有相同的冷却进程并能获得相同的冷却效果。这些似乎已成为热处理界的一种常识。因为它们是建立在液态淬火介质中冷却的三阶段理论基础上的认识,本文把它们称为“三阶段理论的有效厚度观念”。最近发表的文章发现了三阶段理论存在的问题,并建立了液态介质中冷却的四阶段理论[1]。四阶段理论的应用,将动摇传统的有效厚度观念,并成为精细淬火冷却技术的理论基础。本文研究的是四阶段理论应用中的交界线借用问题。

一、什么是交界线借用

图1 四阶段理论的四点图
图1 四阶段理论的四点图

新划分的四个阶段比三阶段理论增加了一个“中间阶段”。四阶段是:蒸汽膜阶段、中间阶段、沸腾阶段和对流阶段。中间阶段从试样具有相同有效厚度的表面上出现第一个超前扩展点开始,到该表面最后一部分蒸汽膜笼罩区消失止。以均匀球体试样为例,在完整蒸汽膜笼罩的时候,球体表面上蒸汽膜的厚度是随球体表面温度的降低而减小的。由于受到不可避免的扰动,在完整蒸汽膜阶段,不同部位蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当蒸汽膜厚度降低到一定值后,在厚度起伏很大的部位,气液界面可能与工件表面接触。当球体表面温度很高时,扰动引起的这种液?固接触点会迅速被汽化,使完整蒸汽膜得以恢复。把这样的液?固接触点称为瞬时接触点。但是,当球体表面温度再降低到一定程度后,这种接触点就可能成一小块稳定存在并能扩展长大的沸腾冷却区。把这样的接触点称为超前扩展点。把该小区域的边界,也就是蒸汽膜区与沸腾冷却区的交界线简称为“交界线”。在该交界线上,为趋向界面张力关系的平衡,交界线会向蒸汽膜笼罩区扩展。交界线的扩展速度快慢,决定于相关的三个界面张力的大小关系。交界线的扩展过程,就是球体等效厚度表面的蒸汽膜阶段的结束过程。只有到最后一部分蒸汽膜消失的时候,该等效厚度表面的蒸汽膜笼罩区才能完全消失。

在上述讨论中,为简化问题选用均匀球体表面作为等效厚度部分的代表。蒸汽膜阶段结束过程涉及到球体表面的四个温度值,它们是:T0 - 能出现超前扩展点的最高球体表面温度。T1 - 出现第一个超前扩展点的表面温度,也是实际进入沸腾状态的最高表面温度。T2 – 最后一部分蒸汽膜消失处的表面温度,也是进入沸腾状态的最低表面温度。T* - 按外推法确定的蒸汽膜厚度最后变成零时的球体表面温度。把这几个温度标注在蒸汽膜厚度变化示意图上,可以画成图1。表中同时列出了对流开始温度Tb。把这种形式的图线称为四点图。四点图是四阶段理论中描述蒸汽膜结束过程的重要图线。表1列出了四点图中几个温度值的含意。由于扰动引起的蒸汽膜厚度波动大小有很强的随机性,在一定条件下出现第一个超前扩展点的时间、部位和该处的表面温度都很难事先确定。

表1 四点图与四阶段理论的阶段划分

阶段名称

理论上的划分

实际的划分

蒸汽膜阶段

T0以上

T1以上

中间阶段

T0 ~T*

T1 ~ T2

沸腾阶段

T* ~Tb

T2 ~ Tb

对流阶段

Tb ~液温

Tb ~液温

按四阶段理论,蒸汽膜阶段的结束过程是由超前扩展点的产生和交界线的扩展两个时期组成的。即便球体表面温度降低到T0以下,也需要足够强烈的扰动和等待一段不确定的时间,才可能产生超前扩展点。而到了交界线的扩展期,交界线的扩展速度和当时交界线的总长度,又影响着蒸汽膜区的消失进程。因此,按时间来划分,蒸汽膜阶段的结束过程包括球体表面温度从T0降低到T1所需的不确定时间段,以及由等效厚度部分的大小和交界线的扩展速度决定的球体表面温度从T1到T2所需要的时间段。

图2 不同厚度部分交汇处的交界线
图2 不同厚度部分交汇处的交界线

实际工件的形状通常比均匀球体复杂,其中间阶段的表现形式也有自己的特点。冷却过程中,不同等效厚度部分的蒸汽膜阶段的结束过程,不是从自然产生超前扩展点,然后通过交界线扩展,就是靠交界线借用来完成。其中,值得注意的是交界线的借用现象。形状稍复杂的工件上,突出和薄小的部分容易散热,因此这些部位的蒸汽膜相对较薄。最早的超前扩展点会出现在这样一些突出的尖小部位。然后,交界线再按一定的速度向蒸汽膜笼罩区扩展。在完成等效厚度部分的扩展之后,这些交界线就推进到与更厚大部分表面的交汇处,如图2中A所指的部位。而对于更厚大部分的这个部位,当该处的表面温度降低到T0以下后,其蒸汽膜阶段的结束过程是从借用从较小等效厚度部分扩展过来的交界线开始,而直接进入交界线的扩展期。并通过交界线的扩展,来结束该等效厚度表面的蒸汽膜阶段。我们把这一现象称为“交界线的借用”。

事实上,交界线借用既发生在不同等效厚度表面之间,也发生在相同等效厚度的表面之间。在球体淬火冷却中,交界线的扩展过程也就是交界线的借用过程。如果不借用从出现超前扩展点形成的交界线,球体大部分蒸汽膜的消失时间必然会推迟到更晚的时候。应当说,在实际工件冷却中,交界线的借用是非常普遍的事情。

二、交界线借用的作用分析

由于省去了产生超前扩展点和增加一定长度交界线两者所需要的时间段,形状较复杂的工件上的很多部位,能更早地进入中间阶段而迅速完成交界线的扩展过程。图3在冷却过程曲线图上说明了交界线借用能提早冷却进程和提高冷却速度的道理。图中a)和b)分别是没有交界线借用时的冷却过程曲线和冷却速度曲线。c)是交界线借用时的冷却速度曲线。由于省略了形成超前扩展点所需要的时间,在与小薄部分的交汇处,通过交界线借用,T1温度可以提高到T1’,甚至提高到T0温度,T2温度可以提高到T2’。 当T1提高到T0,T2提高到T2’时,其冷速曲线为图3 c。在这些等效厚度表面,其散热方式由隔着蒸汽膜散热改变成靠发生沸腾来散热,散热速度增大。同时,在T0和T2之间的不同表面部分,进入沸腾状态的时间虽然有先有后,但它们沸腾冷却的结束温度却同样是Tb。因此,交界线借用使实际发生沸腾冷却的温度范围由原来的T1~Tb增大到T1’-Tb。最大可以增大到T0~Tb。在交界线扩展速度相同的条件下,交界线的借用就可以提早结束蒸汽膜阶段。由于沸腾冷却阶段的冷却速度是随工件表面温度的增大而提高的,交界线借用就使工件获得的冷却速度进一步增大。由此产生的结果是,依靠交界线的借用,在相同的冷却条件下,形状较复杂的工件上与较小部分交汇的较厚大部分获得的淬火冷却效果将快于形状简单而不能借用交界线的其他相同有效厚度部分。

图3 交界线借用可以提高冷却速度(以表面热流密度计)

图3 交界线借用可以提高冷却速度(以表面热流密度计)

交界线借用可以跳过形成超前扩展点的时期,而直接进入交界线扩展期,并因此提高工件获得的冷却速度。这是四阶段理论推论出的一个必然结果。这一结果与传统三阶段理论的有效厚度观念是相违背的。

三、交界线借用的防止

几乎所有自然特性都有它的两面性。有好的方面可以被利用,就有它可能起坏作用的条件。交界线借用有它的好处,也就有它的害处。应当有防止它被借用的方法。根据四阶段理论,可以找到防止交界线借用的方法。下面是本文当前找出的两种方法。方法之一是凹槽法。方法之二隔离堤法。

隔离堤法,如图4 a)所示。它是在不同等效厚度部分的交汇线上附加一条一定大小的隔离堤。该隔离堤与工件基体之间是固态接触,并不紧密相连。二者之间要保持很小的缝隙。缝隙中的介质蒸汽有隔热作用,而且不容易排出。它能保证厚大部分表面产生超前扩展点之前,液态介质不能从该缝隙中穿过去。这就起到了防止交界线借用的作用。

凹槽法,如图4 b)所示。它是在不同等效厚度部分的交汇线上开一条一定大小的凹槽。由于凹槽底部散热困难,其表面温度降低就比相邻厚大部分要慢。结果,相邻厚大部分的表面温度先降低到T0温度以下,并自然产生超前扩展点。这就得到了防止交界线借用的效果。

图4 交界线借用的两种防止方法

图4 交界线借用的两种防止方法

四、交界线借用效果的实验演示

上面的分析已从道理上说明了交界线借用可能达到的效果。下面再安排了两个简单的实验来进行演示。这些实验并不用来证明上述推论的正确性,而只想让读者对上述推论产生更加生动和具体感受。

1、试样和淬火介质

安排了A、B两组对比试样。A组用耐热不锈钢加工而成,用来观测冷却过程中不同试样表面的中间阶段进程。B组则用最常见的45钢加工而成,用来比较有交界线借用和没有交界线借用试样的不同淬硬效果。

A组由两个试样组成。一个试样是直径20mm总长度70mm的圆柱,其两端再加工成直径20mm的半球形。我们把它称为不锈钢圆头试样。另一个试样是边长20×20×70mm的长方体。我们把它称为不锈钢方形试样。图5说明了它们的大小关系。如以方形试样为准,则圆头试样比方形试样少了阴影部分。即圆头试样比方形试样要小。只在两端面的中心点和四个侧面的中心线上,两者才具有相等的尺寸。

图5  A、B两组对比试样中圆头试样和方形试样的大小关系

图5 A、B两组对比试样中圆头试样和方形试样的大小关系
图6 试验用油的冷却特性曲线
图6 试验用油的冷却特性曲线

B组用试样淬火硬度上的不同,来证明交界线借用在热处理中的作用。选定的试样为16×16×56mm的长方体的45钢方形试样。与之对比的是直径16mm总长度为56mm,两端为16mm直径的半球体的45钢圆头试样。B组对比试样的大小关系也如图5所示。

试验用淬火介质是透明程度很高的一种基础油。图6是试验用油的冷却特性曲线。所有试样都用细的电炉丝悬吊着冷却,以防止在悬吊处发生交界线借用。

2、试验内容

A组试样分别在箱式炉中加热到900℃,表面到温后保温5分钟,然后迅速转移到所选淬火介质中冷却。淬火介质不搅拌。在冷却过程中用摄像机记录了冷却的全过程。

B组试样先在箱式炉中加热到900℃。表面到温后保温5分钟。然后迅速转移到所选淬火介质中冷却。淬火介质不搅拌。淬火冷却下来后,用线切割切从长度的中间位置,沿垂直于轴线的截面,截取厚度5mm的硬度试块。再检测它们的截面淬火态硬度分布。

3、A组试样的实验结果与分析

从录像中选取了A组试样上多个时刻的交界线位置,并画在一张图上,作成了图7和图8。图中的曲线是交界线。图中的数字是从试样浸入介质时刻起,到某处出现交界线止的时间(秒)。

图7 方形试样上不同时刻(从入液起,秒)的交界线位置 图8 圆头试样上不同时刻(从入液起,秒)的交界线位置

图7 方形试样上不同时刻(从入液起,秒)的交界线位置

图8 圆头试样上不同时刻(从入液起,秒)的交界线位置

图线说明:在每一张图上,标注时间最短的交界线,就是该试验上出现超前扩展点后不久的交界线。标注时间更长的交界线,是后来时刻的交界线。

从图7可以看出,方形试样两端的八个尖角是最容易散失热量的部位。蒸汽膜也就最容易从这八个尖角处破裂。在快到4秒钟的时候,超前扩展点先后出现在部分尖角上。邻近这些尖角的部分,通过交界线借用,可以在表面温度降低到T0后逐步进入沸腾冷却状态。随着更厚大部分的温度降低到T0以下,交界线继续向更厚大部分移动。在第21秒到来的同时,蒸汽膜就从方形试样表面全部消失了。从第4秒开始,由于冷却到T0需要时间,经过了整整17秒,交界线才完成了它的扩展历程。

再来看看圆头试样的交界线移动过程。从图8中我们看到,由于缺少提早形成超前扩展点的尖角部分,在浸入介质后的很长一段时间内,笼罩在试样表面的蒸汽膜一直保持完好。直到过了21秒,才从试样两端先后出现两小块沸腾冷却区。然后,沸腾冷却区与蒸汽膜笼罩区的交界线向中间部分移动。由于蒸汽膜笼罩时间长,试样各部分都冷却到了比较低的温度。不需要等待降温到T0以下,或者降温需要的时间已经很短。所以交界线的扩展速度比较快,尤其是在两个端头部分。最后,在快到26秒之际,完成了交界线的扩展的过程。整个交界线的扩展过程只经历了4秒的时间。

图9 圆头试样和方形试样的中间阶段起止时间对比(秒)
图9 圆头试样和方形试样的中间阶段起止时间对比(秒)

把两个试样交界线扩展的时间段画在同一时间坐标上,得到了图9。交界线的扩展过程就是不同部位进入、并且开始进行沸腾冷却的过程。几乎是在在方形试样完成交界线扩展之后,圆头试样才开始出现超前扩展点。(本实验中两个时间段正好前后相接。但这不是普遍现象,而只是一种巧合。)从热处理行业的传统观念去推想,方形试样比圆头试样具有更大的有效厚度,至少也具有等于圆头试样的有效厚度。因此,相同条件下,在同一种液态介质中冷却时,方头试样应当比圆头试样冷得更慢。这是建立在三阶段理论基础之上的有效厚度观念在我们心目中固化了的一种认识。无疑,图9所示的试验结果完全动摇了热处理行业的这一有效厚度观念。但这却是实验事实。而有关液态介质中冷却的四阶段理论,正好能够解释这一违背传统观念的现象。



4、B组试样的试验结果与分析

图10  45钢方形试样和圆头试样的淬火态硬度对比
图10 45钢方形试样和圆头试样的淬火态硬度对比

图10是B组试样上取出的试块的硬度测试结果。方形试样获得了高于圆头试样的硬度分布。这样的结果是三阶段理论无法解释的。只有存在中间阶段,且中间阶段具有那样一些特点,才能产生交界线借用现象,也才能产生这样的淬火硬度差异。

五、小结

交界线借用是工件淬火冷却过程中普遍存在现象。靠交界线借用可以省略形成超前扩展点的时间而直接从蒸汽膜阶段进入交界线扩展期。通过交界线借用,可以提早结束较厚大部分的蒸汽膜阶段,而获得比传统有效厚度观念的预测更快的冷却效果。

参考文献

[1] 张克俭、王水、郝学志,液体介质中淬火冷却的四阶段理论,热处理技术与装备,2006年12月,14-25.


评论
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