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超前扩展点的诱导

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4期


摘要:用人为的方法,在表面温度高于T1时产生超前扩展点的做法叫做超前扩展点的诱导。用液态介质中冷却的四阶段理论分析指出:通过诱导产生超前扩展点可以克服自然超前扩展点的随机性,可以提高工件获得的冷却速度,还可以减小工件上的冷却速度差异。提出了两种诱导超前扩展点的方法:诱导锥法和冲液法。用实际的诱导试验演示了这两种方法的诱导效果。超前扩展点的诱导将成为精细淬火冷却技术中的一项基本方法。

关键词:热处理,淬火冷却,液态淬火介质,精细淬火冷却技术

On the induction of the hyper-spreading spot

Zhang ke-jian, Wang Shui , Hao Xuezhi

Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

Abstract:By using manual methods, hyper-spreading spots can be produced while the surface temperature is higher than T1, this is termed induction of a hyper-spreading spot. Using the four-stage differentiation theory of quenching in liquids, the following analyses can be made: producing hyper-spreading spots by induction can eliminate the problem of randomness in natural occurrence of hyper-spreading spots ; can increase the cooling rate of the work piece ; and reduce the differences in cooling rates within a work piece. Two kinds of hyper-spreading spot induction methods have been offered: induction by cone and jet stream induction. Experiments have shown the effectiveness of the two induction methods. Induction of hyper-spreading spots can become a basic process method within the fine quenching technique.

Key words:heat treatment,quenching, liquid quenchants, fine quenching technique

前言

在本刊发表液态介质中冷却的四阶段理论文章之后,计划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4篇。本文将在前面三篇文章的基础上,接着研究超前扩展点的诱导问题

一、什么是超前扩展点的诱导技术

超前扩展点的诱导,是在表面温度高于T1,因此不可能产生自然超前扩展点的条件下,用人为的方法在工件表面产生超前扩展点的操作。用来诱导超前扩展点的方法,就是超前扩展点的诱导技术。

二、为什么需要诱导超前扩展点

根据四阶段理论,出于以下三方面的理由,在热处理生产中应当采用超前扩展点的诱导技术。

1、克服自然超前扩展点的随机性

前面的研究已经指出,在均匀冷却条件下,均匀球体表面上靠系统的扰动和液温起伏产生的超前扩展点,我们把它叫做自然超前扩展点。自然超前扩展点的出现有很大的随机性。这里所指的随机性既包括超前扩展点在出现部位上的随机性,也包括产生超前扩展点的时间和出现点的表面温度的不确定性。出现超前扩展点的随机性会使工件淬火冷却效果产生较大的分散性,并因此引起较大的硬度差、组织差和淬火变形。所谓液态淬火介质的特性温度问题[2],很可能产生于这种随机性。如果能采用一定的办法,人为地在适当的时间和部位诱导出超前扩展点。那就有可能克服自然超前扩展点的随机性,使我们容易获得更加均匀的淬火冷却效果。

2、需要提高工件获得的冷却速度

出现第一个超前扩展点的表面温度T1是决定中间阶段区位置的重要数据之一。在一定冷却条件下,工件的形状大小和某等效厚度表面的特点决定了T1温度的大致范围。 从四阶段理论的冷却特性曲线上容易看出,对一定的等效厚度表面,出现第一个超前扩展点的开始温度是T1。它也是该等效厚度部分发生沸腾冷却的最高温度。随后靠交界线扩展而进入沸腾冷却其他部分,它们开始发生沸腾冷却的温度则低于T1。因为所用介质的Tb温度是一定的,所以,出现第一个超前扩展点的地方发生沸腾冷却的温度范围就最大,即从T1沸腾到Tb。随后进入沸腾冷却状态的其他部分发生沸腾冷却的温度范围就比(T1~Tb)小。而最后进入沸腾冷却状态的部位发生沸腾冷却的温度范围(T2~Tb)则最小。 图1是这种大小关系的示意图。

图1 四阶段理论的表面冷却速度图
图1 四阶段理论的表面冷却速度图

从图1可以看出,出现第一个超前扩展点的部位获得的冷却速度最大。而T2点对应的冷却速度则最小。在T1到T2之间开始沸腾冷却的部分,它们获得的冷却速度则居于二这之间。

前面的文章已经指出,表面温度低于T0,就可能产生超前扩展点。由于图2中的T1温度低于T0,因此如果能在高于T1的温度T1’出现超前扩展点,则发生沸腾的温度范围就扩大到T1’~Tb。无疑,这一改变把该部位获得的冷却速度提高了。在交界线移动速度不变的条件下,T1温度提高,T2温度也必然随之提高。整个球体表面获得的冷却速度也就提高了。如果能在表面温度刚好降低到T0的时候诱导出超前扩展点,那么,该部位发生沸腾冷却的范围就可以扩大到T0~Tb。该部位获得的冷却速度也就被提得更高了。由于T0是能产生超前扩展点的最高温度,因此,发生沸腾冷却的最大温度范围也就是T0~Tb。相应的最大冷却速度,也就是超前扩展点的诱导技术所能获得的冷却速度的最大值。图2用示意图的形式,说明诱导技术能提高冷却速度的原理。图中a)是没有交界线借用时的,b)是发生了交界线借用时的冷却速度曲线。图中的横坐标都是冷却速度。

图2 交界线借用可以增大冷却速度

a) 无交界线借用

b) 发生了交界线借用

图2 交界线借用可以增大冷却速度

3、中间阶段的大小需要控制

中间阶段区的大小对等效厚度部分获得的冷却均匀性有重要影响。从四阶段理论的冷却过程曲线上,可以按T1到T2的温度范围确定中间阶段的大小。也可以用出现第一个超前扩展点的时间和最后一部分蒸汽膜消失的时间之差,来确定中间阶段的大小。中间阶段区越大,等效厚度部分的冷却差异也越大。相反,中间阶段区越小,等效厚度部分的冷却差异也越小。等效厚度部分的冷却速度差异越小,工件淬火冷却获得的组织和性能的均匀性就可能越好。这是热处理工作者为提高工件热处理质量和减小淬火变形所追求的目标。减小中间阶段的大小,靠缩短T1和T2之间的温度差,或者缩短相关的两个时间之间的差值。有两种办法可以减小中间阶段的大小。一个是提高交界线的扩展速度,它可以缩短交界线完成扩展所需要的时间。另一个是人为诱导出多个超前扩展点,来缩短结束蒸汽膜所需要的交界线扩展的路程。参照图3,很容易理解它的道理。以半径R的均匀球体为例。如果整个中间阶段只出现一个超前扩展点,则交界线要从球体的一端扩展到另一端需要移动的路程长度为πR。但是,如果在该球体的6个标注了P字部位上同时诱导出超前扩展点,则交界线的扩展路程都可以缩短到πR的四分之一。如果交界线的扩展速度保持不变,中间阶段的时间范围也缩短到原来的四分之一,如图4所示。上图是只靠一个超前扩展点时的球体表面冷却过程曲线和冷却速度曲线。而下图是在合理安排的6个部位诱导出超前扩展点后,球体表面的冷却过程曲线和冷却速度曲线。交界线的扩展路程缩短到原来的四分之一,完成交界线扩展的时间也可能缩短到原来约四分之一。T1到T2的温度差也相应大大缩小。这就是诱导超前扩展点能够控制中间阶段大小的道理。中间阶段区由大变小,表明该等效厚度部分获得了更加均匀的冷却效果。

图3 六个超前扩展点时的扩展路程是一个时的四分之一

a) 只一个超前扩展点

b) 6个超前扩展点

图3 六个超前扩展点时的扩展路程是一个时的四分之一
图4 六个超前扩展点缩小中间阶段缩的道理

图4 六个超前扩展点缩小中间阶段缩的道理

三、诱导超前扩展点的方法

有多种方法可能在工件表面诱导出超前扩展点。本文想介绍的是当前提出的两种方法。一个是附加诱导锥的方法。另一个是冲液诱导法。

1、附加锥形诱导体的方法

图5 诱导锥焊接在工件基体上
图5 诱导锥焊接在工件基体上

此法是形状因素和交界线借用特性[3]相结合的产物。其具体方法是,在工件表面附加上比所在部分小得多的、带尖角的锥形诱导体,如图5所示。这样,在工件的淬火冷却过程中,由于形状大小的原因,锥尖部的蒸汽膜提早破裂而进入沸腾冷却期。这就在附加的锥体与尺寸大得多的基体的交汇处形成一圈交界线。一待交界线附近的蒸汽膜笼罩区的表面温度降低到T0以下,交界线就会向工件基体扩展。这样,该锥体的作用就相当于在该处形成了一个超前扩展点。

之所以叫诱导锥而不是诱导针,是因为它必须有一定的大小,才能产生诱导作用。关于诱导锥的形状大小,后续的文章中将做进一步的讨论。

附加的锥形诱导体应当与基体紧密结合在一起。它们之间不应当有孔隙。可以用压焊或者其他焊接的办法进行这种结合。

2、冲液诱导法

用较高液压的细小液流,在工件的某些局部点制造出较强烈的扰动,迫使所用液态介质与蒸汽膜笼罩区的工件表面发生接触。当该部分工件表面温度降低到T0点以下时,便可能在该点诱导出超前扩展点。

此法要点是,液流束可以较细小,但必须超过一定的截面大小。液流束要以一定的角度,连续不断地或者间断地,向工件选定部位喷射所用介质。工件表面温度越高蒸汽膜就越厚,为形成液?固接触所需要的扰动也就越强烈。因此,要在高于T1的温度用冲液的办法诱导出超前扩展点,液压应当较高,否则不能冲破蒸汽膜而到达工件表面。

四、诱导技术的实验演示

前面对诱导技术的分析是在四阶段理论的基础上推导出来的。接下来再用几个简单实验,演示一下上述两种诱导方法的效果。

1、试样和试验过程

A组用诱导锥(Φ4)来诱导,共两个圆头试样。在一个圆头不锈钢试样的中间位置焊了一个不锈钢钉子,也就是本文所说的诱导锥。在另一个圆头不锈钢试样的圆柱部分,沿轴线长度的三分之一和三分之二的位置上,各焊一个同样的诱导锥。试样经过900℃加热。表面到温后保温5分钟。然后在保持悬吊成水平的状态下转移入基础油中冷却。冷却过程中用摄像机记录了全过程。

B组采用冲液诱导法,只有一个直径60mm的不锈钢球体。球体表面焊了一个诱导锥。试样先被加热到900℃,表面到温后保温5分钟。然后在同样的基础油中冷却,并用摄像机记录了冷却的全过程。

2、试验结果与分析

A组中,只焊了一个诱导锥的试样,冷却过程中不同时间的交界线位置如图6所示。图中黑色的小圆是诱导锥的位置。可以看出,超前扩展点出现在入液第12秒之前。在没有诱导锥时,同样的试样上,入液20秒后自然超前扩展点才先后出现在试样左右两端,而试样中间位置,蒸汽膜到第26秒才消失[2]。而现在,因为诱导锥的作用,在试样中间位置提早出现了超前扩展点。到18秒时,交界线的扩展过程就完成了。用冲液的办法,在希望出现超前扩展点的部位,在自然超前扩展点出现之前,诱导出了超前扩展点。(图6中,试样左端也在入液13秒左右出现了一个超前扩展点,这是试验中另外一些因素引起的。)

图6 焊了单一诱导锥的试样上交界线的扩展过程

图6 焊了单一诱导锥的试样上交界线的扩展过程

焊了两个诱导锥的试样,在入液13秒之前先后诱导出两个超前扩展点。比无诱导锥时提早了8秒,如图7所示,这与图6中一个诱导锥时出现超前扩展点的时间(约12秒)基本相同。整个试样约在入液19秒时完成了交界线的扩展过程。比靠自然超前扩展点时提早了7秒。由于两个诱导锥相隔得很近,本应冷却得最慢的试样中部,在入液第18秒就进入了沸腾冷却期。比靠自然超前扩展点时提早了8秒。比较图6与图7,还可以发现,对不同次试验的两个圆头试样上,中间部位的三个诱导锥都在12到13秒期间诱导出超前扩展点。这是由它们的等效厚度情况基本相等决定的。这说明,通过超前扩展点的诱导,能够克服工件上等效厚度部分自然超前扩展点在出现位置和时间上的随机性。

图7 焊了两个诱导锥的试样上交界线的扩展过程

图7 焊了两个诱导锥的试样上交界线的扩展过程
图8 冲液诱导出超前扩展点及其交界线扩展
图8 冲液诱导出超前扩展点及其交界线扩展

B组试样冷却过程中,交界线扩展前期的交界线位置如图8所示。在入液后不久,就用细小的介质液流,断断续续地冲击球体上特定的部位。由于开始时球体表面温度高于T0,没能诱导出超前扩展点。直到入液30秒,才冲出了一个超前扩展点。同时可以看出,交界线的扩展速度是逐渐加快的。这说明交界线的扩展速度可能与表面温度有关。

五、讨论

1、超前扩展点的诱导,其作用是让超前扩展点出现在更高的表面温度范围。

对于超前扩展点的出现时间,还应当考虑相反的需求,那就是推迟到更低的温度再出现超前扩展点。但这个问题不在本文的研究范围。

2、当前普遍采用的介质搅拌技术,其作用之一是缩短蒸汽膜阶段,并因此提高工件获得的冷却速度。因为与诱导超前扩展点的目的有相同之处,这里不妨对它们的作用和特点作一个简单的对比:搅拌介质产生的局部液流速度较低,一般只能起减小蒸汽膜厚度的作用。但是,其作用的目标比较笼统而盲目,因此作用效果很不均衡。而本文讨论的超前扩展点的诱导技术,则能有计划有目的地提高确定部分的冷却速度。超前扩展点的诱导技术将属于精细淬火冷却技术的范围。作个比喻,它和粗放式的搅拌的差异很像传统农业生产中的漫灌与先进的滴灌之间的差别。

3、无疑,交界线的移动速度对需要设置的诱导点的多少,以及中间阶段的特点都有重要影响。关于这个问题,我们将在下一期发表的文章中介绍。

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[J],热处理技术与装备,2006,27(6):14-25.

[2] 张克俭. 对自来水作为冷却介质的两大缺点的研究[J],金属热处理,2005年第1期,66-71.

[3] 张克俭,王水,郝学志. 交界线借用挑战有效厚度观念[J],热处理技术与装备,2007,28(3):23-28.




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