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    淬火介質的冷卻特性曲線究竟說明了什么

    張克儉

    北京華立精細化工公司 (102200)

    發表于《熱處理技術與裝備》2007年第2期


    摘要:在標準測試儀檢測淬火介質冷卻特性的同時,用攝像機攝錄了探棒周圍的狀況。對比發現,按測得的冷卻特性曲線的形狀劃分的冷卻階段,與探棒表面實際發生的冷卻情況大不相同。說明了產生這種差異的原因。通過分析和推理,得出了結論:不能從淬火介質的冷卻特性曲線去劃分探棒所處的冷卻階段;憑測出的冷卻特性曲線不可能準確推算實際工件可能獲得的冷卻情況;淬火介質的冷卻特性曲線只宜用在介質冷卻特性的相互對比中。

    關鍵詞:淬火介質;冷卻特性曲線;冷卻特性檢測;冷卻過程計算;熱處理工藝

    What Cooling Rate Curve of Quenching Media Implies?

    ZhANG ke-jian

    Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

    Abstract:The visual phenomena occurred around the quench probe were recorded with digital video camera during standard test of quenching media. It was found that partition of cooling process according to the measured cooling rate curve is not totally corresponding to what were visually observed. The reasons of this discrepancy are discussed. It is concluded the cooling process of actual quenched parts can not be accurately predicted by merely using the measured cooling rate curves of quenching media, which are only applicable for comparison of characteristics of different quenching media.

    Key words:quenchant; cooling curve; cooling curve test; simulation of quenching process; heat treatment technology

    圖1 液態介質中淬火冷卻的階段劃分和各階段的散熱機理
    圖1 液態介質中淬火冷卻的階段劃分和各階段的散熱機理

    近二十年來,淬火介質冷卻特性曲線的應用給熱處理行業帶來了不小的技術進步。現在,淬火介質的開發研究,介質的比較和選擇,熱處理生產中的產品質量控制,甚至分析和解決生產中遇到的熱處理質量和技術問題,都已離不開淬火介質的冷卻特性曲線了。但是,這些冷卻特性曲線究竟能告訴我們些什么?對這個問題,行業內已經有了基本一致的答案。極具權威性的美國金屬手冊[1]上,以及行業內知名專家G.E.Totten的專著[2]上提供的解釋很具代表性,如圖1所示。圖中階段A通稱冷卻的蒸汽膜階段(也稱膜沸騰階段),階段B通稱沸騰階段(也稱泡沸騰階段),階段C稱為對流階段。在蒸汽膜階段,整個試塊被蒸汽膜包圍著。在沸騰冷卻階段,整個試塊表面都在發生沸騰。而到了對流冷卻階段,則通過對流傳熱使試塊冷卻。圖中任一曲線上的點,都可以通過時間或者溫度坐標找到另一曲線上的對應點。其它的書刊資料上,液態淬火介質的冷卻特性曲線,不管采用什么樣的檢測標準,都按圖1所示的方式劃分冷卻的階段和解釋各階段的冷卻機理。

    在淬火介質的研究和評價中,通常用圖1所示的兩種曲線來表示和比較介質的冷卻特性。從冷卻速度曲線上,指出淬火介質的特性溫度、出現最高冷卻速度的溫度和最高冷卻速度值,以及對流開始溫度。從冷卻過程曲線上,通常指出從800℃冷卻到400℃(或者300℃)所需的時間。有人還把冷卻速度曲線上各溫度對應的冷卻速度值,直接或間接作為實際生產中工件在相同溫度下獲得的冷卻速度值來加以利用。

    眾所周知,在同樣冷卻條件下小工件冷得快,而大工件冷得慢。根據這一常理,人們會理所當然地把它與淬火介質的冷卻速度曲線聯系起來。由此產生這樣的認識:在相同冷卻條件下,工件上具有相同有效厚度的部分,都應當獲得相同的冷卻進程和冷卻效果;并且,都可以在淬火介質的冷卻特性曲線上找到它們的溫度、冷卻速度和冷卻時間的對應關系。

    考慮到測溫的熱電偶熱端在探棒的幾何中心,以及探棒形狀因素的影響,對上述認識和做法的準確性,我們一直持有一些懷疑。為了澄清這方面的諸多疑團,在完成“液態淬火介質中冷卻的四階段理論”的研究后,通過試驗和觀測,研究了本課題。研究的目的有三個:

    1、審查現行認識和用途的合理性。2、如果有問題,就找出產生問題的原因。3、并確定淬火介質冷卻特性曲線的合理應用場合和合理應用限度。

    二、試驗方法和試驗結果

    圖2 50℃基礎油的試驗和觀測結果對照圖
    圖2 50℃基礎油的試驗和觀測結果對照圖

    1、試驗方法和儀器

    在檢測淬火介質的冷卻特性的過程中,用攝像機同步觀測記錄探棒表面發生的現象。為了獲得更清晰的圖像,采用的是無色或者顏色很淺,而且透明性很好的淬火介質品種。比如清水、鹽水、精煉程度很高的基礎油、快速淬火油和PAG淬火液等介質。

    檢測淬火介質冷卻特性用的是ivf儀。攝像用的是松下NV-GS11型攝像機。采用1/100秒的快門速度,每秒拍攝25張圖片。

    試驗中通常采用850℃的加熱溫度。水性介質的液溫在10℃~70℃內選取;油性介質的液溫在30℃~100℃內選取。

    2、試驗結果

    試驗獲得了通常所見的淬火介質的冷卻特性曲線,又獲得了探棒冷卻過程中表面附近冷卻情況的攝像資料。下面以清水、基礎油和快速淬火油作為代表,介紹本文的試驗結果。其中,把冷卻速度曲線上一些選定點對應的攝像觀測結果以示意圖形式畫在同一張圖上。

    基礎油的冷卻特性曲線與多個選定點的冷卻狀況如示如圖2。快速淬火油的冷卻特性曲線與多個選定點的冷卻狀況如圖3所示。60℃清水的冷卻特性曲線與多個選定點的冷卻狀況如圖4所示。

     

    圖3 50℃快速淬火油的試驗和觀測結果對照圖 圖4 60℃清水的試驗和觀測結果對照圖

    圖3 50℃快速淬火油的試驗和觀測結果對照圖

    圖4 60℃清水的試驗和觀測結果對照圖

    三、試驗結果分析

    1、冷卻特性曲線與冷卻介質散熱階段的關系

    研究分析的重點放在三方面:一是介質的冷卻特性曲線與攝像觀測到的冷卻情況之間的關系。二是不同淬火介質的冷卻特性和攝像結果之間的共性規律。三是冷卻特性曲線與工件實際的冷卻情況之間的關系

    稍加注意就會發現:冷卻特性曲線上選定點所處的冷卻階段,和同一時刻探棒上實際發生的冷卻階段大不相同。主要表現在:

    a)除了蒸汽膜階段之初,如圖2中第1點以外,在所有其它的選定點上,實際發生的冷卻狀況都與介質冷卻特性曲線上所指的階段構成不同。

    b)在介質的冷卻特性曲線上,除冷卻階段的分界點外,一定的探棒溫度,都對應著一種單一的冷卻階段。但是,攝像結果表明,在大部分冷卻過程中,探棒上不同部位都存在二、三個冷卻階段。比如,即便在特別令人關注的特性溫度點上,在基礎油中試驗時,探棒的上下兩端都早已進入了沸騰冷卻階段。這說明當時探棒表明同時存在兩個冷卻階段。在快速淬火油和60℃清水的特性溫度點,探棒上同時存在著三種冷卻階段。在出現最高冷卻速度的時刻,三種介質中探棒上都同時存在三個冷卻階段;但是不同介質中各階段所占的比例卻不相同。對流開始溫度上,在基礎油和快速淬火油中也還存在三個冷卻階段。清水中試驗時,在對流開始點,探棒的中上段還處在沸騰冷卻階段;說明同時存在兩個冷卻階段。

    c)對不同介質品種,比較了冷卻特性曲線上的特性溫度、出現最高冷卻速度的溫度,以及對流開始溫度時,攝像圖片上的冷卻階段數和各階段所占的比例。結果證明,不同介質之間沒有找到共同之處。

    d)所有這些結果都說明:現行的淬火介質冷卻特性曲線與攝像觀測到的冷卻階段之間,沒有簡單的對應關系。因此,不能從淬火介質的冷卻特性曲線去劃分探棒所處的冷卻階段。

    2、 淬火介質的冷卻特性曲線是如何形成的

    憑淬火介質中冷卻的三階段理論(如圖1所示的劃分法),以及有效厚度就能決定冷卻進程的認識,無法解釋圖1所示冷卻特性曲線的形成原因。比如,按圖1所示的階段劃分,一冷到所謂的特性溫度點,整個探棒就會進入沸騰冷卻階段。由于當時探棒的溫度很高,相應的冷卻速度曲線上應當出現整個冷卻過程的最高冷卻速度值。但圖線中最高冷卻速度值都出現在更低的溫度上。事實上,這里涉及到兩個問題:一是測量溫度的熱電偶熱端位于探棒的幾何中心。它所測出的是內部點的溫度變化。二是決定探棒某點冷卻特性的因素,除了探棒本身的傳熱學特性外,冷卻介質在不同溫度的散熱機理(階段)又起著非常重要的作用。最新提出的“液態淬火介質中冷卻的四階段理論”則容易解釋這一問題。四階段理論認為,在液態淬火介質中冷卻的機理,可按工件溫度高低劃分成:蒸汽膜階段、中間階段、沸騰階段和對流階段。中間階段有其特定的成因和獨有的特性[3]。詳細內容請查看原文。這里只分析內部點的溫度變化,用以說明圖2~4對應的觀測結果上常常存在2,3個冷卻階段的原因。

    圖5 冷卻過程中,內部點向其更外部分散熱的方向
    圖5 冷卻過程中,內部點向其更外部分散熱的方向

    淬火冷卻過程中,內部某點P的溫度降低是通過向更外部分散熱來實現的,如圖5所示。產生這種散熱的最終原因是液體介質對工件表面的冷卻作用。遠近不同的表面部分被冷卻,再通過熱傳導使P點冷卻下來。不管參與冷卻的表面處于蒸汽膜階段、沸騰階段、還是對流階段,離P點越近,其降溫情況對P點產生影響就越早;離P點越遠,其降溫情況對P點產生影響就越遲。因此,任何時刻P點實際的冷卻情況是在該時刻之前一定時間范圍內,遠近不同的表面所受冷卻情況的綜合影響的結果。內部點的冷卻特性曲線,表述的就是這種影響隨時間的變化和隨P點溫度的變化情況。通常用來描述淬火介質冷卻特性的圖線,也正是這類曲線。它們既不是工件(探棒)表面的冷卻過程曲線,也不是工件(探棒)表面獲得的冷卻速度隨表面溫度變化的曲線。用這樣的曲線來劃分液態淬火介質中冷卻的三階段,無疑是不恰當的。

    四、冷卻特性曲線和實際工件的冷卻情況的關系

    淬火介質的冷卻特性大多采用熱電偶法來測量。因所用探棒的材質、形狀大小和熱電偶位置不同,又形成了不同的測量標準。標準不同,測得的冷卻特性曲線也不同。出于對英寸和厘米,華氏和攝氏等換算關系的習慣,人們曾試圖建立不同標準測出的冷卻特性之間的換算關系。但是,這方面的努力都以失敗告終。至今,熱處理行業不得不面對這樣一個事實:同一種淬火介質,用不同標準檢測所得的冷卻特性曲線之間,沒有固定關系的可比性。在此,“沒有可比性”指的是不同標準檢測的冷卻特性之間沒有能通用的,即有規律的換算關系。為什么沒有可比性?關于這一問題,將在后續的文章中用四階段理論來加以解釋。在此,只想借用這一事實來幫助我們分析本節提出的問題。

    以上述“不同標準檢測出的冷卻特性曲線之間沒有可比性”這一事實為依據,如果把實際工件看成是具有不同材質、形狀大小和熱電偶位置的另一種探棒;那么,在一種淬火介質中淬火的工件所獲得的冷卻特性,與采用某種標準的冷卻特性儀檢測出來的同一介質的冷卻特性之間也同樣沒有可比性。換句話說說,淬火介質的冷卻特性曲線不能用來(準確)推算實際工件的冷卻過程。

    再進一步,依據同樣的推理,又可以得出下一個結論:所有標準方法檢測出的冷卻特性曲線與實際工件的冷卻特性之間都沒有可比性。

    最后,依據同樣的道理,還可以得出這樣的結論:在同一淬火介質中冷卻時,不同形狀大小和材質的工件的冷卻特性之間,也沒有可比性。

    五、淬火介質冷卻特性曲線的合理用途

    前面的討論已經說明,雖然淬火介質的冷卻特性曲線對熱處理工作者很有幫助,但它們的作用也不宜擴大化。簡單說,淬火介質的冷卻特性曲線的合理應用范圍可以歸納成以下幾方面:

    1、檢測淬火介質產品的冷卻特性。對比不同產品在冷卻特性上的差異。既可定性,也可定量。主要適于淬火介質的研究開發、產品的檢驗、選擇等場合。

    2、了解使用中淬火介質冷卻特性的穩定性和變化程度。既可定性,也可定量。主要適于熱處理生產單位的質量管理,以及分析解決工件熱處理技術和質量問題等場合。

    3、定性預測不同工件的淬火硬度高低和淬硬層深度的大小。主要用于為不同工件選擇淬火介質,以及介紹不同淬火介質的適于范圍等場合。

    參考文獻

    [1]ASM,HandbookTM,Vol.4 Heat Treating[M], SAM International,1991:69

    [2]G.E.Totten, C.E.Bates, et al. Handbook of Quenchants and Quenching Technology [M]. SAM International, 1993 :70

    [3]張克儉,王水,郝學志,液態淬火介質中冷卻的四階段理論[J],熱處理技術與裝備,2006,6:14-25.


    評論
    匿名用戶 [來自62.210.78.179]
    2014-10-19 19:51
    I read your post and wiehsd I was good enough to write it

    匿名用戶 [來自101.26.138.238]
    2015-02-14 05:49
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    我來說兩句



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