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沸腾冷却区的宽度及其传达的信息

张克俭

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6期


摘要:用摄像记录了液态介质中冷却时试样表面的冷却情况。试验发现,在液态介质中淬火时,试样表面的沸腾冷却是在呈带状的沸腾冷却区扫过的过程中完成的。这类沸腾冷却区通常多很窄,因此工件表面上任何部分经历沸腾冷却的时间都很短,靠沸腾冷却方式降低的温度都不多。淬火冷却中,从工件表面出现第一个超前扩展点开始,到蒸汽膜区完全消失为止的很长一段时间内,三种散热方式共同存在;其中,蒸汽膜冷却方式和与对流冷却方式对工件淬火冷却的贡献都比沸腾冷却的要大。

关键词:热处理 淬火介质,液态淬火介质,淬火冷却,精细淬火冷却技术

The width of the boiling cooling zone of the liquid medium and the information it carried

ZhANG ke-jian

Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

Abstract:The cooling status on the surface of the work piece in a liquid medium was recorded by a video camera. It was found that when quenching in a liquid medium, the boiling cooling on the surface of the work piece was accomplished by the sweeping of the boiling cooling zone over the surface. Generally this kind of boiling cooling zone are quite narrow, therefore the duration undergoing cooling at any part on the surface of the work piece is very short, by which the temperature drop could not be high. During the cooling process in quenching, in the rather long time period from the appearance of the first advancing point, until the complete disappearance of the vapor membranes, there is the co-existence of all of the three heat dissipation mechanisms, in which the vapor membrane cooling and the convection cooling contribute more to the quench cooling of the work piece than the boiling cooling.

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

前言

本文是研究四阶段理论文章的第6篇,将对工件淬火冷却过程中沸腾冷却区的宽度及其传达的信息进行研究。

一 沸腾冷却区宽度及其影响因素

1.1 研究沸腾冷却区宽度的意义

图1 沸腾冷却区的构成
图1 沸腾冷却区的构成
Fig.1 It takes about 20-odd seconds for the spread of the demarcation line on a spherical test piece with a diameter of 60mm.

在交界线移动过程中,紧跟在交界线之后的是沸腾冷却区。在沸腾冷却区可以看到大小气泡在形成、长大、上升和破灭。在沸腾冷却区内,挨近交界线部位的气泡活动最频繁。离交界线越远,气泡的形成和破灭活动越微弱。在交界线的另一端,气泡的形成与破裂活动趋于停止。正是气泡的活动让我们看到了沸腾冷却区。图1是实际观测到的沸腾冷却区的一段。图中实线为交界线,箭头表示当时交界线的移动方向。交界线后面以气泡表示沸腾冷却正在进行。用虚线画出活动着的气泡区大致的边界。发生沸腾冷却的范围,就构成本文所述的沸腾冷却区。当交界线移动速度特别快时,在沸腾冷却区扫过之后,还可能有少数较大气泡残留在试样表面上。当时,试样表面温度已经降低到Tb以下,附着在表面的气泡只能被周围介质吸收。小的气泡很快就消失了。而大的气泡一时还可能看到。这就是在虚线之外,有时还可能看到零星而不动的气泡的原因。图2是直径60mm球体试样在基础油中冷却时,前后两条沸腾冷却区的示意图[1]。其中,第一条是在该球体上出现第一个超前扩展点之后5秒钟,也就是入液38.16秒时的沸腾冷却区。可以看出,38.16秒时的沸腾冷却区比42.20秒时的要宽些。

图2 直径60mm球体试样上前后出现的两个沸腾冷却区
图2 直径60mm球体试样上前后出现的两个沸腾冷却区
Fig.1 It takes about 20-odd seconds for the spread of the demarcation line on a spherical test piece with a diameter of 60mm.

从图2可以看出,在60SN的基础油中冷却时,观测到的沸腾冷却区都不宽。由于它的宽度有限,我们看到的交界线扩展过程,就成为以交界线为前沿的带状沸腾冷却区的移动过程。按四阶段理论,作为沸腾冷却区前方边界的交界线,它所在部位的工件表面温度一般是在T0到Tb之间。而在沸腾冷却区的后部边界处,工件表面温度则只稍高于Tb。通常,可以粗略地认为是Tb。于是,可以把沸腾冷却区的后边界线看成是一条工件表面的Tb等温线。作为沸腾冷却区带的前沿边界的交界线,通常都不是一条等温线。交界线以下的表面温度高低,可以凭紧跟其后的沸腾冷却区的宽度来判断。宽的,交界线处的表面温度高,窄的表面温度低。实际上,液体介质的沸腾换热方式就是在这种移动中的带状沸腾冷却区中进行的。沸腾冷却方式是工件在液态介质中淬火冷却时的基本换热方式之一。沸腾冷却区的宽度必然包含着一些有用的信息。因此,有必要研究沸腾冷却区的宽度。

1.2 沸腾冷却区宽度的实验观测结果

本文只采用60SN的基础油作为冷却介质,试样都用耐热不锈钢制成。

图3是用标准探棒测出的60SN基础油的冷却特性曲线。图4是检测该冷却特性时,先后出现在探棒上的3条沸腾冷却区带的位置的示意图[2]。图4中的数字是出现该沸腾冷却区带的时刻(从探棒入液算起)。

图3 试验用60SN基础油的冷却特性曲线 图4 在60SN由中冷却时探棒上的3条沸腾冷却区带

图3 试验用60SN基础油的冷却特性曲线

图4 在60SN由中冷却时探棒上的3条沸腾冷却区带

从图中的沸腾冷却区带,可以测量出该探棒上的几个沸腾冷却区的宽度。再按图中两条沸腾冷却区带之间的距离和时间间隔,可以估算出交界线移动的平均速度。用这个平均速度去除沸腾冷却区带的宽度,又可以算出交界线通过时,所在表面经历沸腾冷却的时间长度。

从9.24秒的沸腾冷却区到13.80秒的沸腾冷却区的距离为19mm,而二者之间的时间间隔为4.56秒。由此可以算出这一时间范围内,交界线移动的平均速度为每秒4mm。再测出9.24秒的沸腾冷却区宽度为3.57mm。用这一宽度除以交界线移动速度,求出该部位经历沸腾冷却的时间为0.89秒。

现在,用同样的方法去研究图2所示直径60mm球体上沸腾冷却区的宽度。38.16秒的沸腾冷却区比42.20秒的宽。产生这种差异的原因,是在到达42.20秒的球体表面前,该部位经历蒸汽膜笼罩条件下的冷却时间更长,因此表面温度比38.16秒时的要低。表面温度低,表明该部位及其内部需要用沸腾冷却方式散失的热量更少。而散失更少的热量需要的沸腾时间也就更短。

再来研究图2中的沸腾冷却区的宽度和经历沸腾冷却的时间长度。估算出38.16秒时的沸腾冷却区宽度约为4mm,交界线移动速度约为每秒7mm。因此算出该部位经历沸腾冷却的时间为0.6秒。同样,42.20秒的沸腾冷却区宽度约为2.8mm,其经历沸腾冷却的时间为0.4秒。

图5 出现在方形试样上的两个沸腾冷却区带
图5 出现在方形试样上的两个沸腾冷却区带

图5是方形试样在基础油中冷却时的几条沸腾冷却区带的示意图[3]。从图中容易看出,试样端头和边缘的沸腾冷却区较窄,而试样中间部分的沸腾冷却区较宽。产生这种差异的原因是,端头和边缘部分表面以下的材料厚度较小,需要散失的热量较少;而中间部分的材料厚度较大,需要散失的热量较多。用前面的方法,估算在观测面长度方向的中线上,冷却到8秒和14秒时的交界线移动的平均速度为2.9mm/秒。而两个沸腾冷却区宽度分别为2mm和4.9mm。因此估算出二者经历沸腾冷却的时间分别为0.68秒和1.7秒。

图6 台阶试样观测面上的两条沸腾冷却区带
图6 台阶试样观测面上的两条沸腾冷却区带

图6是出现在台阶形空心试样观测面上的两个沸腾冷却区带[4]。用同样的方法,估算出沸腾冷却区的宽度约为1.2mm,经历沸腾冷却的时间约为0.4秒。此处的沸腾冷却区相当窄,经历沸腾冷却的时间也相当短,其原因是观测面是交界线在该试样上最后扫过的部分,当时的表面温度都已经很低了。









图7 外径132mm圆筒上的交界线扩展图
图7 外径132mm圆筒上的交界线扩展图

图7是直径132mm,壁厚3.5mm,高度100mm的管状试样在基础油中冷却时的交界线扩展图。需要说明的是,试验前该试样上部表面打磨得不够光洁和不够均匀,至使试样上部残留的氧化膜多少不匀。这是试验上部交界线很不规则的主要原因。从该试验的结果中,选出几条沸腾冷却区带来加以研究,如图8所示。







图8 圆筒试样上不同时刻的沸腾冷却区宽度
图8 圆筒试样上不同时刻的沸腾冷却区宽度

图8中,(a)画出了入液7.84秒和10.20秒时的沸腾冷却区的位置和宽度。超前扩展点最先出现在圆筒的下端。圆筒下端先冷下来。在一定范围内,离底部越远,试样表面温度越高。在这一期间,越往上部交界线移动速度越快。因此7.84秒的沸腾冷却区最窄,而10.20秒的沸腾冷却区稍宽一些。在11.28秒的(b)图中,下面的沸腾冷却区带明显变宽。其上面的沸腾冷却区带上,因两个局部区段交界线快速移动而形成两个凸出部。跟在凸出部分的交界线之后的沸腾冷却区远比其他部分的沸腾冷却区宽。其他部分中,交界线移动速度越慢,沸腾冷却区越窄。此后,交界线移动速度更快。到了12.00秒,只剩一个瓜子形的蒸汽膜区了。在该蒸汽膜区的周围,是一片沸腾冷却区。到蒸汽膜区完全消失的时刻,即12.44秒时,试样表面就只能看到一小块沸腾冷却区。到13.12秒,试样表面上就再已看不到沸腾冷却区了。可以看出,试样表面上最后出现的沸腾冷却区较宽较大。但是,该宽大的沸腾冷却区也只存在了一秒多时间。

1.3 影响沸腾冷却区宽度的因素

影响沸腾冷却区宽度的因素很多。为便于介绍这些因素对沸腾冷却区宽度的影响,我们先建立一个能把这些因素联系在一起的关系式。建立这个关系式的思路是:交界线到达试样表面某部位时,该部位的表面温度记为T。如上所述,沸腾冷却区离开时,该部位的表面温度为Tb。设所指部位通过沸腾散热方式把表面温度从T降低到Tb需要的散热时间为t。再设该部位的沸腾冷却区宽度为D。这三个量的关系可以用式(1)表示。

D = Vt …………(1)

散热时间t的大小决定于当时条件下,单位表面用沸腾散热方式散失的热量Q和沸腾冷却时该部位的表面热流密度C。它们之间的关系可以用式(2)来表示。

t= Q/C …………(2)

将式(2)代入式(1),得到式(3)

D= VQ/C ………… (3)

以上三个关系式可以用来定性地讨论各影响因素对沸腾冷却区宽度的影响规律。实际试样冷却过程中,V、Q和C三个量都是变量,都有各自的影响因素。因此,以下讨论只反应各因素对沸腾冷却区宽度定的性影响规律。

a.表面以下工件厚度的影响

表面以下的工件越厚,沸腾冷却区越宽;相反,表面以下的工件越薄,沸腾冷却区越窄。以球体为例,同样材质的球体,其直径越大,沸腾区就越宽。产生这种影响的原因是,球体的直径增大,需要通过单位球体表面散失的热量Q就越多。而在表面温度一定时,担任这一散热任务的表面的热流密度是一定的。散热面积相同的条件下,需要通过它散失的热量越多,散热所需要的时间t就越长。在这一期间,交界线以速度V向前移动了Vt的距离。这个距离就是沸腾冷却区的宽度D。

b. 表面温度高低的影响

其影响规律是,交界线经过时,工件表面温度越高,沸腾冷却区越宽。这是因为,表面温度越高,或者说表面温度比Tb高得越多,需要从该表面以沸腾冷却的方式散失的热量Q就越多,需要的散热时间也就越长。按式(1)所示关系,需要的散热时间越长,沸腾冷却区的宽度也就越大。

在Tb温度一定的条件下,交界线到达某处时该处的表面温度T越高,需要用沸腾冷却方式散失的热量就越多,因此沸腾冷却区的宽度就越大。交界线到达某处时该处的表面温度T的最高值为T0。因此,T0温度越高,可能的D值也就越大。相反,T0温度越低,可能的D值也就越小。同样的道理,Tb温度越高,沸腾冷却区越窄。Tb温度越低,沸腾冷却区越宽。

交界线所在部位可能的最高表面温度是T0,因此,等效厚度相同的表面部分的最大沸腾冷却区宽度也能由此确定下来。

c. 交界线移动速度对沸腾冷却区宽度的影响

其影响规律是:交界线的移动速度越快,沸腾冷却区就越宽;相反就越窄。

d. 热学特性的影响

工件材料的比热容越大,沸腾冷却区宽度也越大。其比热容越小,沸腾冷却区的宽度也越小。

工件的导热特性越好,沸腾冷却时表面热流密度就越大。相应地,沸腾冷却区的宽度就越小。

液态介质的汽化潜热越大,发生汽化需要的热量就越多,沸腾冷却期的表面热流密度也就越大,沸腾冷却区的宽度就越小。

e. 工件形状因素的影响

在其他条件相同时,表面形状对散热情况也有影响。尖凸的形状散热容易,这些部位的表面热流密度会大些。因此,与平直的表面相比,尖凸部分的沸腾冷却区较窄。凹陷表面散热较难,相应地其表面热流密度较小。因此,凹陷表面上的沸腾冷却区较宽。

应当还有其他因素影响沸腾冷却区的宽度。它们的影响规律通常也可以用上述三个关系式予以说明,这里就不再讨论了。实际冷却中看到的沸腾冷却区宽度,应当是所有影响因素共同作为的结果。

二 重新认识不同散热方式的贡献大小

至此,可以对水性和油性介质中淬火时,工件和探棒表面的冷却过程做新的整体的描述,并重新认识不同散热方式在淬火冷却中的重要程度了。

第一, 工件表面上,在移动着的交界线的前方是蒸汽膜笼罩区,紧跟在交界线之后的,通常是宽度很小的、形如带状的沸腾冷却区。沸腾冷却区的后边界以下的工件表面温度约等于所用介质的沸点温度(Tb)。后边界之后是短暂存在的沸腾冷却区,然后是对流冷却区。淬火冷却过程中,从工件上出现第一个超前扩展点起,到最后一部分蒸汽膜区消失止,3种散热方式同时存在,并且共同对工件的冷却作贡献。

第二, 实际工件冷却过中,工件上任何部分经历沸腾冷却的时间

都很短。可以推测:沸腾冷却对工件上任何部分的冷却作用都不可能很大。工件上任何表面因沸腾冷却而获得的温度降低程度必然也不大。据此估计,在交界线扩展过程中,只有当经过的表面温度接近T0,沸腾冷却引起的表面温度降低才比较大;而当表面温度比T0低得稍多时,沸腾冷却引起的表面温度降低值估计超不过几十摄氏度。

第三, 工件冷却过程中,从入液开始到出现第一个超前扩展点之间,全部工件表面都在蒸汽膜笼罩下冷却。从出现超前扩展点到蒸汽膜区完全消失期间,蒸汽膜笼罩区的面积比例逐渐减小,直至为零;而对流冷却的区域的面积比例则从零开始逐渐增大。到蒸汽膜区消失之后不久,对流冷却的表面积就到达100%。在试验表面从蒸汽膜笼罩到完全采用对流方式散热的转换过程中,带状沸腾冷却区只从试样表面扫过一次。

蒸汽膜笼罩区和以对流方式散热的区域始终比沸腾冷却区域的面积大很多,加上任何表面部分经历蒸汽膜散热和对流散热方式冷却的时间都比经历沸腾冷却方式的时间要长很多。因此,本文认为,蒸汽膜方式散热和对流方式散热对工件淬火冷却的贡献都比沸腾冷却方式的贡献要大。

第四, 从出现第一个超前扩展点后不久,对流散热就开始对工件的淬火冷却作贡献。而后,工件表面上采用对流散热的部分逐渐增加到100%。 在部分表面开始以对流方式冷却之初,虽然这些表面的温度降低到了Tb甚至更低的温度,在工件内部,温度却还相当高。离表面越远,内部温度就越高,内部的组织仍然是温度足够高的过冷奥氏体。 而此时工件表面同时存在蒸汽膜区、沸腾冷却区和对流冷却区。这就说明,对于试样内部点,从相当高的温度起,表面对流散热方式已经开始对它的冷却过程起作用了。 由于这样的原因,普通工件淬火冷却过程中,提高对流换热的热流密度的措施,不仅能获得增大工件淬硬深度的效果,也同样能增大工件发生高温转变阶段的冷却速度。

三 三阶段理论对沸腾冷却区宽度的错误划分及其影响

在有关液态介质中淬火冷却的问题上,行业内存在不少由三阶段理论引起的错误认识和不当做法。为此,在介绍四阶段理论和建立精细淬火冷却技术的文章中,我们将结合当时涉及的内容,逐步指出并纠正这样一些错误。

2.1 三阶段理论划分的沸腾冷却区宽度

图9 三阶段理论的阶段划分图
图9 三阶段理论的阶段划分图

图9是代表性的三阶段理论曲线[5,6]。该图形明确告诉读者,探棒几何中心的温度在所谓特性温度以上时,整个探棒都始终被蒸汽膜包裹着。探棒几何中心的温度在特性温度至对流冷却温度范围时,整个探棒表面都始终处在沸腾冷却状态。而在它以同样方法划分的对流冷却阶段,整个探棒才进入和保持在对流冷却状态。

这种划分的错误是非常明显的。除了划分上的错误外,它还使人产生这样的认识:冷却的任何时候或者某一温度范围内,整个工件都只靠一种冷却方式冷却。蒸汽膜、沸腾和对流冷却方式不会同时在一个工件上起作用。

稍有热处理常识,或者看过用标准探棒检测介质冷却特性的人都知道,探棒(或者工件)上总是凸出的尖角和厚度小的部分先冷却下来,而凹陷和厚大部分后冷却下来。先冷却下来的部位,蒸汽膜阶段先结束,经过沸腾冷却后,也先进入对流冷却阶段。无疑。图9所示的冷却阶段划分是错误的。

由于感觉到上述划分不合理,以三阶段理论为基础,又产生了另一种划分方法:把图线中划分的不同冷却阶段对应的温度值,作为工件或者工件表面的温度值;而把曲线上对应的冷却速度值,作为所有具有该温度的表面(或者部分)应当获得的冷却速度值。同时认为:冷却过程中,工件上某部分的温度高低,完全决定于该部分的有效厚度值。于是,在相同冷却条件下,冷却的同一时刻,凡是具有相同等效厚度的部分,都具有相同的温度,并因此处于相同的冷却阶段和具有相同的冷却进程。这种认识看似合理。本文作者在过去很长一个时期内也有同样的认识。从图线可以看出,冷却过程中,工件表面有很大一个温度范围处于沸腾冷却阶段。举例来说,图10是两种油性介质的冷却速度曲线。如果按这种认识,在N32油的冷却速度曲线上,表面温度从600℃一直到370℃,上下相差230℃的温度范围内,工件表面都以沸腾冷却方式散热。而在快速淬火油15-2中淬火时,工件表面从约700℃一直到250℃,上下相差约450℃的温度范围中,始终处于沸腾冷却状态。再如,图11所示清水的冷却速度曲线[5]中,40℃水中冷却时,沸腾冷却的温度范围约达580℃;80℃水的约达400℃。

图10 两种油的冷却特性曲线 图11 清水的冷却特性曲线

图10 两种油的冷却特性曲线

图11 清水的冷却特性曲线

2.2 三阶段理论产生错误划分的原因

从以下三方面来说明这种认识的错误所在。

第一, 用标准探棒测出的只是探棒几何中心部位的冷却过程曲线。它与探棒表面实际出现的不同冷却阶段的冷却情况之间没有有规律的关系[2]

第二, 按四阶段理论,由于出现超前扩展点的部位的偶然性[3],交界线借用现象的存在[3],T0温度的配对规律(将在后续的文章中介绍),以及试样放置位向的影响(将在后续的文章中介绍),工件或者探棒上具有等效厚度部分的冷却进程并不相同。

第三, 按三阶段理论的有效厚度观念,在某一时刻,任何具有相同等效厚度的表面都只能以一种散热方式冷却。然而,正如本文前面部分所述,实际工件冷却中,即便是工件上具有相同等效厚度的表面,其大部分时间内都有两、三种散热方式同时在起作用。

第四,在图9到图11中看到的所谓沸腾冷却阶段的快速冷却效果,是三种散热方式共同作用的结果;而不是单纯沸腾冷却方式散热所产生的。其中,沸腾冷却的贡献还可能最小。

2.3 需要为水性和油性介质的冷却特性曲线正名

应当说,在热处理行业内,这四个方面的错误认识是普遍存在的。按三阶段理论的这些错误认识去分析和解决热处理工艺问题,必然得出错误和严重偏离实际的结果。纠正这些错误认识需要做多方面的工作。错误的源头是:水性和油性介质冷却特性曲线上的“蒸汽膜阶段”、“沸腾冷却阶段”,以及“对流阶段”的命名没有反应探棒上实际的冷却情况。“名不正,则言不顺”,这才出现了上述多项错误认识。因此,要在今后不同介质的冷却特性的比较中继续使用已经标准化了的冷却特性检测方法和检测得到的冷却特性曲线,首先要做的事是为这些冷却特性曲线的区段划分正名。

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[J],2006,27(6):14-25.

[2] 张克俭,淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么,热处理技术与装备[J],2007,28(2),25–28.

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

[4] 张克俭、王水、郝学志,隔离堤法的提出与实验验证,热处理技术与装备[J],2007,28(5):6-13.

[5] ASM HandbookTM,Vol.4 Heat Treating[M],1991: 69,91.

[6] G.E.Totten,C.E.Bates,et al. Handbook of Quenchants and quenching Technology[M],ASM, 1993:70.


评论
匿名用户 [来自188.143.234.155]
2015-11-24 01:47
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匿名用户 [来自188.143.234.155]
2015-11-26 00:32
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