当前位置:精细淬火冷却技术 >> 淬火冷却中球体表面冷却过程的几种图线描述方法
淬火冷却中球体表面冷却过程的几种图线描述方法

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》2009年第6期


摘要:以一个底端带诱导锥的球体试样为例,凭试样的冷却过程录像结果,结合传热学知识,提出了描述球体试样表面冷却过程的五种图形表示方法。它们是:交界线扩展图、表面Tb+等温线扩展图、表面冷却过程曲线、表面冷却速度曲线,以及不同冷却方式的表面积比例图。文中介绍了图线的绘制方法,分析了有关影响因素的作用规律,还讨论了改变这些因素来调控球体冷却速度和冷却均匀性的原则方法。在今后的精细淬火冷却技术中,这类图线可用来描述工件表面的淬火冷却情况,帮助寻找产生淬火冷却质量问题的原因,和设计淬火冷却的工艺方案。

关键词:热处理,淬火冷却,液态淬火介质,精细淬火冷却技术

Description Methods of Surface Cooling Process on a Spherical Sample in Quenching Cooling

Zhang Ke-jian

Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

Abstract:Take a spherical sample with a derivational cone at its bottom as an example. According as the image record of its cooling process, and based on heat transfer theory, five description methods of surface cooling process are proposed. They are the spreading pattern of demarcation lines, the spreading pattern of the surface Tb+ temperature lines, the surface cooling process curves, the surface cooling rate curves and the area proportions of different cooling mechanisms. The methodologies applied in drawing these sketches or curves are introduced, the working laws of related influencing factors are analyzed and some principles followed in alternating these factors to adjust cooling rate and homogeneity of cooling process are also discussed. In fine quenching technique, these patterns or curves can be used to describe quenching cooling status of work pieces so as to find out the reasons caused the quenching troubles and to design better quenching process.

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

这是四阶段理论文章的第10篇。这些文章的研究目标,是为精细淬火冷却技术的生产应用提供基本的理论与技术方法。在当前的热处理生产中,选择和应用淬火油或者水性介质时,我们已经离不开它们的冷却特性曲线了。同样的道理,精细淬火冷却技术工作的开展,也需要一些记录和描述工件冷却过程的方法。通过这些方法,我们既能了解工件淬火冷却的真实情况,又能依据它们去寻找淬火冷却中产生质量问题的原因,还能借助它们去设计精细淬火冷却过程的工艺方案。通过提出新的图线方法,再加上对已有图线的修改和补充,本文总共介绍了五种描述表面冷却进程的图线方法。

一. 交界线扩展图和表面Tb+ 等温线扩展图

第一种曲线是交界线扩展图。从提出四阶段理论开始,我们就使用了冷却过程的交界线扩展图[1]。图1是直径30mm不锈耐热钢球体经过900℃加热后,在60SN的基础油中冷却时的交界线扩展图。图2是该试样入油冷却28.5秒时的摄像照片。由于球体最下端有一个诱导锥,冷却条件又相当均匀,从底端诱导出超前扩展点后,扩展中的交界线始终保持水平。

图1 底端带诱导锥的一个球体试样上的交界线扩展图 图2 球体入油冷却到第28.5秒时的摄像照片

图1 底端带诱导锥的一个球体试样上的交界线扩展图
Fig.1 The spreading pattern of demarcation line on the spherical sample with a derivational cone at its bottom

图2 球体入油冷却到第28.5秒时的摄像照片
Fig.2 Video image of the sphere cooled in oil at 28.5 seconds

交界线是移动着的表面沸腾冷却区的前边界线,而表面沸腾冷却区的后边界线就是沸腾冷却区与对流冷却区的分界线。通常,在该后边界部位,试样的表面温度稍高于所用介质的沸点温度。我们用符号Tb+代表该温度值。对于均匀而又清洁的试样表面,其Tb+温度的波动范围通常较小。因此,可以把沸腾冷却区与对流冷却区的交界线粗略地看成该试样上的一条表面Tb+等温线。于是,在记录交界线扩展图的同时,我们又记录了同一时刻的表面Tb+等温线。把不同时刻的表面Tb+等温线画在另外一张图上,这就成为“表面Tb+等温线扩展图”,如图3。用它作为表述球体表面冷却进程的第二种曲线图。

图3 球体表面的Tb<sup>+</sup>等温线扩展图
图3 球体表面的Tb+等温线扩展图
Fig.3 The spreading pattern of the sphere surface Tb+ temperature lines

需要说明的是,按我们当前的测量手段,和图1中的交界线相比,沸腾冷却区的后边界较难准确画定。因此,凭观测所确定的后边界位置的精确程度低于交界线。出于这样的原因,在图3中把它们画成了虚线。

冷却过程中,任何表面部分的温度都在不断降低。因此,不同时刻的交界线是不会相交的。不同时刻的Tb+等温线也是互不相交的。于是,只要不把这两种曲线画在一张图上,每一张图都可以容纳很多条曲线而互不相交。有了这两种图线,就可以记录试样表面冷却过程的很多信息。此外,把某时刻图1和图3的两条曲线画在另一张图上,还可以获得该时刻球体表面上蒸汽膜、沸腾和对流这三种冷却方式的区域大小和分布图。

当球体是靠自然超前扩展点开始其中间阶段时,情况就比较复杂。这时,必须用多部摄像机,从不同角度摄像,才能记录下球体表面冷却过程的全面信息。而后,每一类信息都要用两张以上的图线才能完整地记录下来。

二. 球体表面的冷却过程曲线

在交界线借用和超前扩展点的诱导两篇文章中,我们已经使用了表面冷却过程曲线和表面冷却速度曲线[2,3]。但是,当时还没有发现蒸汽膜内气体的流动规律[4,5],因此,其中没有考虑蒸汽膜内气体的流动规律的影响。下面介绍的将是修改过后的这两种图线。

根据图1和图3 提供的信息,结合传热学方面的知识,可以画出该球体表面的冷却过程曲线图,如图4所示。按理,下方出现超前扩展点后,随着下方蒸汽膜区高度的减小,在上方蒸汽膜内,层流层对表面的加热能力必将逐渐减弱。上方表面获得的冷却速度会有所减小。但是,为了简化讨论,图4中暂时忽略了这一影响。图4是表述球体表面冷却进程的第三种曲线图。图中,下方那条曲线表示的是球体底端,也就是诱导锥周围球体表面的温度和冷却时间的关系。上方那条曲线则是球体顶端那部分表面的冷却过程曲线。该球体试样上其他表面部分的冷却过程曲线都挤在这两条曲线之间。挨近球体底端的那些表面,其冷却过程曲线靠近下方的那条曲线。而挨近球体顶端的那些表面,其冷却过程曲线则靠近上方的那条曲线。如此类推,位于球体中间部分的那些表面,其冷却过程曲线约在上下两条曲线之间的中间部位。对于连贯的表面,可以画出很多条这样的曲线。上下两条曲线所包围的区域代表了这些曲线,而没有把它们都画出来。

图4 试验球体表面的冷却过程曲线
图4 试验球体表面的冷却过程曲线
Fig.4 Cooling process curves of the tested spherical surface

图4中,在a点和d点之间画了一条虚线。在线段ad以上的部分,各表面部分的冷却过程曲线都处在它的蒸汽膜冷却阶段。由a、b、c、d四个点围成的区域内,各表面部分的冷却过程曲线都处在它的沸腾冷却阶段。而在b和c两点连线以下的部分,所有表面的冷却过程曲线都处在它的对流冷却阶段。

注意,图中a点所在表面的温度是本试验条件下的T1温度。它是挨近诱导锥底部的那部分表面由蒸汽膜冷却方式转变为沸腾冷却方式时的表面温度。因为交界线只能在低于T0温度的表面上扩展,T1温度稍低于T0温度。d点的温度是交界线扩展到球体顶端表面时该部分表面的温度,也就是本试验条件下的T2温度。T2温度通常高于Tb+,而低于T1。a点到d点之间的时间差,就是本球体试样交界线扩展所需的总时间。

再来讨论画出图4所依据的基本信息。第一个点是上下两条曲线与纵坐标的交点。一般说,它的温度坐标为球体的加热温度。第二个点是图中的a点。a点的时间坐标是出现第一个超前扩展点的时间,在本文中为22.0秒;温度坐标是“稍低于T0温度”。第三个点是b点。它的温度坐标为Tb+;时间坐标通常可以从表面Tb+等温线扩展图中找到。第4个点是c点。它的温度坐标也是Tb+,时间坐标容易从表面Tb+等温线扩展图中找到。第5个点是d点。它的时间坐标容易从交界线扩展图中找到;其温度坐标应当低于T1点而又高于Tb+。最后一个数据是试样冷却下来时的介质温度,也就是图4中上下两条曲线最后相会时的温度。有了这些数据,就能画出这样一张基本上属于定性的曲线图。关于T0温度,我们将在后续的文章中做专门讨论。

淬火冷却过程中,假定蒸汽膜内的气体不发生流动,而且蒸汽膜的消失过程也不存在中间阶段,那么,具有相同等效厚度的球体表面就不会产生相对厚度差。在不存在相对厚度差的情况下,用一条简单的曲线就能描述整个球体表面的冷却过程。其中的表面温度和冷却时间之间自然有着一一对应的简单关系。但是,实际情况并非如此。在前面的文章中我们已经提出了淬火冷却过程中工件表面上的相对厚度差,并且介绍了它的产生原因和变化规律[6,7]。正是这种相对厚度差的产生、发展和消失过程,造成了图4所表述的表面温度和冷却时间的复杂关系。在图4中,上下两条曲线是从同一点出发的。这表明入油之前,球体底端和顶端表面之间的温度差为零,或者说相对厚度差为零。入油冷却后它们之间才产生了相对厚度差。随着冷却的进行,这种相对厚度差先是逐渐加大,而后再逐渐减小。到冷却结束时,上下两条曲线最终又合在了一起。这说明,冷却结束时,球体表面上不同部分之间的相对厚度差也为零。因此,也可以说,这样一张平面曲线所描述的正是球体表面的相对厚度差的变化情况。本文选用两个可以测量出的数据,来描述球体表面的相对厚度差及其变化情况。第一个数据是冷却过程中某时刻的最大表面温度差,在图4中就是上下两条曲线在同一时刻的温度差,简称该时刻的“最大表面温度差”。第二个数据是球体底端和顶端两表面达到同一温度所需的冷却时间差,简称该表面温度下的“最大冷却时间差”。加大最大表面温度差可以增大表面相对厚度差。加大最大冷却时间差,也可以增大表面相对厚度差。当最大表面温度差足够大,最大冷却时间差也足够长时,球体表面必然经历大的相对厚度差。无疑,减小最大表面温度差和缩短最大冷却时间差都能减小表面相对厚度超差。

在球体下端出现超前扩展点之后,同保持为完整蒸汽膜时相比,随着下方蒸汽膜区的高度减小,通过层流层向上输送的热气体的量会更少,热气体的温度也会更低。相应地,球体上方表面受到的层流层加热作用也随之更小。其结果,从出现超前扩展点的时间开始,和继续保持为完整蒸汽膜相比,所有位于上方蒸汽膜笼罩下的表面,其冷却速度都会稍快些。图5是图4的局部放大图。图中,从出现超前扩展点的f点开始,球体顶端表面的冷却过程曲线就发生了向下的微小偏转。之前走的是f点到k点的虚线,之后沿f点到d点的实线变化。球体顶端以下蒸汽膜笼罩着的表面部分,其冷却速度也同样发生了这种性质的变化。

把图5中出现超前扩展点之前的部分,也就是竖线a-f左边的部分划为第一个区域。把曲边三角形Δ fad包围的部分划为第二个区域。再把四边形abcd所包围的部分作为第三个区域。下面将参照图5对这三个区域的冷却进程及其控制方法做一番讨论。

图5 球体表面中间阶段的区域划分
图5 球体表面中间阶段的区域划分
Fig.5 Area division of middle stage of the sphere surface

在图中划出的第一个区域,球体被完整蒸汽膜包裹着。一旦浸入油中,球体顶端表面与底端表面之间就开始产生温度差。起初,该温度差会不断增大,到a点时达到其最大值。就一般工件的有效厚度部分而言,影响这一温度差大小的因素有:工件上有关表面的等效厚度、表面的大小、表面的朝向、工件的加热温度高低,以及由冷却介质与工件材料的配对情况所决定的T0温度值等。我们可以通过选择或者调节这些因素,来控制这一期间的最大表面温度差。比如,在其他因素相同的情况下,通过提高T0温度,可以减小a点到f点之间的温度差。T0温度升高,完整蒸汽膜期间的最大表面温度差和表面冷却时间差都会相应减小。改变工件上不同部分表面的朝向和相对高度关系,也能改变完整蒸汽膜期间的表面最大温度差和最大冷却时间差。

在第二个区域,影响相对厚度差大小的因素有:除第一部分提到的因素外,加上交界线移动速度的快慢。图中,a点到d点的时间距离基本上是中间阶段的最大冷却时间差(t)。设在这一段时间内交界线扩展的平均速度为V,交界线走过的路程为L。于是,可以在t、V和L三者间建立以下关系:

t=L/V --------(1)

按照这一关系, V越大,t就越小;即由最大冷却时间差决定的表面相对厚度差就越小。相反,V越小,t就越大;表面的最大冷却时间差也就越大。如果把V提高一倍,完成交界线扩展所需的时间就可以缩短约一半;球体顶端表面完成交界线扩展的时间就可以提早到g点对应的时间。相应地,球体顶端表面的冷却过程曲线就会沿f-g-h路线走。以时间差表示的相对厚度差也能缩短大约一半。

再来分析交界线扩展路程(L)对相对厚度差的影响规律。此处,球体直径越大,L就越大。L大,t就大,表面相对厚度差也就大。相反,L越小,t就越小,表面的相对厚度差也越小。已经介绍过,合理布置诱导锥或者隔离堤可以调节L的大小[8]。从图线中容易看出,调节了时间t,也就同时改了变球体顶端以下不同高度表面之间的最大温度差。此外,提高或者降低T0温度,也能改变球体表面的最大冷却时间差。

在第三个区域,提高T1温度或者降低Tb+温度,都可以增大这一冷却期间的最大表面温度差。相反,则能减小其最大表面温度差。提高交界线移动速度与缩短交界线扩展的路程,都能减小最大冷却时间差。相反,降低交界线移动速度与增大交界线扩展的路程都会增大这个差值。

三. 表面冷却速度曲线

用同样的信息和知识,画出了试验球体表面温度与表面冷却速度的关系曲线,如图6。这是表述球体表面冷却进程的第四种曲线图。其中,a-c曲线段是球体底端在蒸汽膜笼罩下的冷却速度曲线。a-b曲线段是球体顶端在蒸汽膜笼罩下的冷却速度曲线。在b、c两点间画了一条虚线,分出了曲边三角形Δabc。该三角形包含了球体不同高度部分处于蒸汽膜笼罩期间的所有冷却速度曲线。其中,位置越低的表面,其冷却速度曲线离a-c曲线越近。位置越高的表面,其冷却速度曲线离a-b曲线越近。

图6 试验球体的表面冷却速度曲线
图6 试验球体的表面冷却速度曲线
Fig.6 The cooling rate curves of the sphere surface

在球体表面温度相同时,以沸腾冷却方式散热获得的冷却速度通常比蒸汽膜笼罩时要快得多。因此,交界线一旦扫过某部分表面,该表面获得的冷却速度就会在一瞬间陡然加快。以球体底端那一小部分表面为例,其表面的温度一旦降低到T1温度,早已等待在诱导锥底部的交界线就开始向周围扩展。这些部位的冷却速度便突然加快。图中,用c到d的水平的线段表示了这一变化。其他部分表面的冷却速度曲线一旦走到与b-c线段相交的温度,都会因为改换成沸腾冷却方式而冷却速度大增。表现在冷却速度图上,也就是一条从该相交点画到d-e线段的水平线。在最后发生这一转变的球体顶端表面,这一变化以水平线段b-e表示。

发生沸腾冷却时,各部分表面的冷却速度都沿d-e-f线段变化。沸腾着的任何表面,其温度降低到Tb+,沸腾冷却立即停止。随后,所有表面都按对流方式散热。图中忽略了对流冷却期间不同高度表面在冷却速度上的差异。表现在图线上,就是f点以下部分的冷却速度不再形成一个区域,而只是一条曲线。

图5告诉我们,由于蒸汽膜内气体的流动规律和中间阶段特性的作用,浸在水性或者油性介质中淬火冷却时,即便是具有相同有效厚度的球体表面,其不同部分获得的冷却速度和球体表面温度之间不存在一一对应的简单关系。容易推知,对于形状大小更多变的普通工件,其表面温度与该部分的有效厚度之间的关系应当更加复杂。

等效厚度表面的冷却过程曲线和冷却速度曲线主要用来研究工件上重要部位的冷却过程。在当前的热处理生产中,可用于提高工件获得的淬火冷却速度,以及改善工件的淬火冷却均匀性。在今后的精细淬火冷却技术中,可用来设计工件的淬火冷却过程。比如,决定诱导锥的数目和安设位置等。

第3和第4两种图线通常只用于试样上具有相同有效厚度的表面。在本文讨论的球体试样上,这些具有相同等效厚度的表面是连通的。因此,图中上下两条曲线所围成的区域内,包含的众多冷却过程曲线与冷却速度曲线也都是连贯的。这两种方法用于一般工件时,比如用于正方体试样时,不同朝向表面上具有相同等效厚度的部分可能是一块不大的表面,甚至是一些“点”(小片表面区)。在这种情况下,第3和第4种图线中出现的将是不连贯的区域。当然,我们仍然能画出这些部分或者“点”中冷却得最快和冷却得最慢的两个表面的相关的曲线。而它们就是第3与第4种图线中的上下两条曲线。其余冷却速度居于中间的那些部分或者“点”的相应曲线,必然要落在该上下两条曲线之间。此时,在上下曲线与中间的多条曲线之间,就不再在是连贯的了。

四. 不同冷却方式的表面积比例图

第五种曲线图是用不同时刻的蒸汽膜、沸腾和对流三种冷却方式所占球体表面积比例画成的。从图1和图3提供的信息,通过对几个特定时刻有关数据的测量和计算,得到表1所列的一组数据。以这组数据为基础,可画出试验球体的这种图线,如图7所示。图中,纵坐标标注的是面积百分比,横坐标表示的是入液冷却的时间。图面的左上部是蒸汽膜笼罩区。右下部是对流冷却区。二者之间一个狭窄而又倾斜的带状区域是沸腾冷却区。用图7确定某时刻不同冷却方式所占表面积的百分比的方法是:从横坐标上找到选定的那个时刻,并作一条垂线。该垂线被沸腾冷却区的上下边界划分成上、中、下三段。其上段的长度(以纵坐标所示百分比标度计),就是当时蒸汽膜笼罩区的面积百分比。中段为沸腾冷却区的面积百分比。下段为对流冷却区的面积百分比。

图7 三种冷却方式所占表面积的比例随时间的变化图
图7 三种冷却方式所占表面积的比例随时间的变化图
Fig7. Variation chart of the occupied surface area proportions of the sphere with three different cooling mechanisms

表1 不同冷却方式所占面积百分比的变化情况

Table1. Variations of the occupied surface area percentages with different cooling mechanisms

入油时间(秒)

沸腾冷却区的面积百分比

蒸汽膜区的面积百分比

对流冷却区的面积百分比

22.0

0

100

0

26.8

3.6

76

20.4

27.2

4.0

60

36

28.0

3.5

50

46.5

29.3

2.6

22

75.4

29.9

1.5

10

88.5

31.0

0

0

100

热处理行业已经习惯了三阶段理论。三阶段理论认为:在相当长的一个温度范围内,工件表面只发生沸腾冷却。因此,沸腾冷却方式在工件冷却中的作用非常之大。但是,在图7中,冷却的前22.0秒是完整蒸汽膜期。31秒之后,整个球体表面都只以对流冷却方式向外散热。从22.0秒到31秒的9秒时间段,是本试验的中间阶段的时间范围。在中间阶段,球体表面上真正发生沸腾冷却的部分也非常之少。如表中所示,在冷却的27秒附近出现了沸腾冷却区面积的最大值,其面积比例也不超过球体总表面积的4%。在中间阶段的其它时间,沸腾冷却区的面积比例还更少。也就是说,即便在冷却的中间阶段,把球体表面被蒸汽膜笼罩的面积与对流冷却区的表面积加在一起,也没有低于总表面积的96%。本试验中,根本不存在单一的沸腾冷却阶段。在我们做过的所有其它试验中,也从来没有见过,哪怕是一瞬间的相反的事实。由此可见,在工件的实际冷却过程中,沸腾冷却在工件散热中的贡献远比三阶段理论告诉我们的要小。当然,对于特别小的工件,当其交界线扩展总路程(L)小于交界线移动速度(V)与表面发生沸腾冷却的时间(tb)的乘积时,也能看到例外情况。

在我们后续的文章中,将通过诱导超前扩展点、选择淬火介质品种等措施,来获得不同的T0温度、T1温度、Tb+温度和交界线移动速度,从而改变冷却过程中沸腾冷却区的面积比例。提高T0温度和降低Tb+温度可以增大沸腾冷却区的面积比例;相反,则能减小这个比例。加快交界线移动速度可以提高沸腾冷却区的面积比例,并同时缩短中间阶段的时间范围。

在一次冷却中,工件上任何表面都只经历一次沸腾冷却过程。因此,本图线既可用于研究整个工件,也可用于研究工件表面上特别关注的某些部分。

提高T0温度和诱导超前扩展点等措施的采用,都能使中间阶段向左移动。无疑,这也就加快了工件或者所讨论的局部表面的冷却速度。提高交界线移动速度可以缩短中间阶段的时间跨度。表现在图7中就是中间阶段的右边界向左移。其效果也是加快工件或者所讨论的局部表面的冷却速度。降低T0温度、安设隔离堤,以及减慢交界线移动速度等措施的作用相反,其效果则是降低冷却速度。

五. 讨论

1. 本文介绍的第3种图线中,现在能确定的只有几个时间数据,因此基本上是定性的图线。第4种图线中没有任何确定的数值,完全是定性图线。

2. “三阶段理论观念”所依据的只有淬火介质的冷却特性曲线。而该曲线记录的是探棒几何中心部位的冷却过程,没有提供工件表面冷却情况的任何信息。相比之下,本文的5种图线为我们提供的信息要多得多。有了第1、第2、第3和第5种图线,适当参考第4种图线,已经可以在生产现场对工件实施精细淬火冷却了。

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、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.

[3]. 张克俭,王 水,郝学志,超前扩展点的诱导,热处理技术与装备[J],2007,28(4):14-8.

[4]. 张克俭,蒸汽膜内气体的流动规律(一),热处理技术与装备[J],2008,29(4):5-9.

[5].张克俭,蒸汽膜内气体的流动规律(二),热处理技术与装备[J],2008,29(5):11-16,20.

[6]. 张克俭、王 水、郝学志,淬火冷却中工件的正放与斜放(一),热处理技术与装备[J],2009,30(1):25-30,43.

[7]. 张克俭、王 水、郝学志,淬火冷却中工件的正放与斜放(二),热处理技术与装备[J],2009,30(2):9-17.

[8]. 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.


评论
匿名用户 [来自60.9.141.66]
2015-01-30 23:50
好文章,内容出神入化.
硝化纤维 http://www.xiaohuamian.org/




我来说两句