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    交界線借用挑戰有效厚度觀念

    張克儉    王 水    郝學志

    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3期


    前言

    在本刊發表四階段理論文章之后,將接著發表深入研究該問題和有關精細淬火冷卻技術的幾篇文章。本文是這組文章的第3篇。

    在相同冷卻條件下,一般認為: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,都具有相同的冷卻進程并能獲得相同的冷卻效果。這些似乎已成為熱處理界的一種常識。因為它們是建立在液態淬火介質中冷卻的三階段理論基礎上的認識,本文把它們稱為“三階段理論的有效厚度觀念”。最近發表的文章發現了三階段理論存在的問題,并建立了液態介質中冷卻的四階段理論[1]。四階段理論的應用,將動搖傳統的有效厚度觀念,并成為精細淬火冷卻技術的理論基礎。本文研究的是四階段理論應用中的交界線借用問題。

    一、什么是交界線借用

    圖1 四階段理論的四點圖
    圖1 四階段理論的四點圖

    新劃分的四個階段比三階段理論增加了一個“中間階段”。四階段是:蒸汽膜階段、中間階段、沸騰階段和對流階段。中間階段從試樣具有相同有效厚度的表面上出現第一個超前擴展點開始,到該表面最后一部分蒸汽膜籠罩區消失止。以均勻球體試樣為例,在完整蒸汽膜籠罩的時候,球體表面上蒸汽膜的厚度是隨球體表面溫度的降低而減小的。由于受到不可避免的擾動,在完整蒸汽膜階段,不同部位蒸汽膜的厚度始終處在起伏變化之中。當蒸汽膜厚度降低到一定值后,在厚度起伏很大的部位,氣液界面可能與工件表面接觸。當球體表面溫度很高時,擾動引起的這種液?固接觸點會迅速被汽化,使完整蒸汽膜得以恢復。把這樣的液?固接觸點稱為瞬時接觸點。但是,當球體表面溫度再降低到一定程度后,這種接觸點就可能成一小塊穩定存在并能擴展長大的沸騰冷卻區。把這樣的接觸點稱為超前擴展點。把該小區域的邊界,也就是蒸汽膜區與沸騰冷卻區的交界線簡稱為“交界線”。在該交界線上,為趨向界面張力關系的平衡,交界線會向蒸汽膜籠罩區擴展。交界線的擴展速度快慢,決定于相關的三個界面張力的大小關系。交界線的擴展過程,就是球體等效厚度表面的蒸汽膜階段的結束過程。只有到最后一部分蒸汽膜消失的時候,該等效厚度表面的蒸汽膜籠罩區才能完全消失。

    在上述討論中,為簡化問題選用均勻球體表面作為等效厚度部分的代表。蒸汽膜階段結束過程涉及到球體表面的四個溫度值,它們是:T0 - 能出現超前擴展點的最高球體表面溫度。T1 - 出現第一個超前擴展點的表面溫度,也是實際進入沸騰狀態的最高表面溫度。T2 – 最后一部分蒸汽膜消失處的表面溫度,也是進入沸騰狀態的最低表面溫度。T* - 按外推法確定的蒸汽膜厚度最后變成零時的球體表面溫度。把這幾個溫度標注在蒸汽膜厚度變化示意圖上,可以畫成圖1。表中同時列出了對流開始溫度Tb。把這種形式的圖線稱為四點圖。四點圖是四階段理論中描述蒸汽膜結束過程的重要圖線。表1列出了四點圖中幾個溫度值的含意。由于擾動引起的蒸汽膜厚度波動大小有很強的隨機性,在一定條件下出現第一個超前擴展點的時間、部位和該處的表面溫度都很難事先確定。

    表1 四點圖與四階段理論的階段劃分

    階段名稱

    理論上的劃分

    實際的劃分

    蒸汽膜階段

    T0以上

    T1以上

    中間階段

    T0 ~T*

    T1 ~ T2

    沸騰階段

    T* ~Tb

    T2 ~ Tb

    對流階段

    Tb ~液溫

    Tb ~液溫

    按四階段理論,蒸汽膜階段的結束過程是由超前擴展點的產生和交界線的擴展兩個時期組成的。即便球體表面溫度降低到T0以下,也需要足夠強烈的擾動和等待一段不確定的時間,才可能產生超前擴展點。而到了交界線的擴展期,交界線的擴展速度和當時交界線的總長度,又影響著蒸汽膜區的消失進程。因此,按時間來劃分,蒸汽膜階段的結束過程包括球體表面溫度從T0降低到T1所需的不確定時間段,以及由等效厚度部分的大小和交界線的擴展速度決定的球體表面溫度從T1到T2所需要的時間段。

    圖2 不同厚度部分交匯處的交界線
    圖2 不同厚度部分交匯處的交界線

    實際工件的形狀通常比均勻球體復雜,其中間階段的表現形式也有自己的特點。冷卻過程中,不同等效厚度部分的蒸汽膜階段的結束過程,不是從自然產生超前擴展點,然后通過交界線擴展,就是靠交界線借用來完成。其中,值得注意的是交界線的借用現象。形狀稍復雜的工件上,突出和薄小的部分容易散熱,因此這些部位的蒸汽膜相對較薄。最早的超前擴展點會出現在這樣一些突出的尖小部位。然后,交界線再按一定的速度向蒸汽膜籠罩區擴展。在完成等效厚度部分的擴展之后,這些交界線就推進到與更厚大部分表面的交匯處,如圖2中A所指的部位。而對于更厚大部分的這個部位,當該處的表面溫度降低到T0以下后,其蒸汽膜階段的結束過程是從借用從較小等效厚度部分擴展過來的交界線開始,而直接進入交界線的擴展期。并通過交界線的擴展,來結束該等效厚度表面的蒸汽膜階段。我們把這一現象稱為“交界線的借用”。

    事實上,交界線借用既發生在不同等效厚度表面之間,也發生在相同等效厚度的表面之間。在球體淬火冷卻中,交界線的擴展過程也就是交界線的借用過程。如果不借用從出現超前擴展點形成的交界線,球體大部分蒸汽膜的消失時間必然會推遲到更晚的時候。應當說,在實際工件冷卻中,交界線的借用是非常普遍的事情。

    二、交界線借用的作用分析

    由于省去了產生超前擴展點和增加一定長度交界線兩者所需要的時間段,形狀較復雜的工件上的很多部位,能更早地進入中間階段而迅速完成交界線的擴展過程。圖3在冷卻過程曲線圖上說明了交界線借用能提早冷卻進程和提高冷卻速度的道理。圖中a)和b)分別是沒有交界線借用時的冷卻過程曲線和冷卻速度曲線。c)是交界線借用時的冷卻速度曲線。由于省略了形成超前擴展點所需要的時間,在與小薄部分的交匯處,通過交界線借用,T1溫度可以提高到T1’,甚至提高到T0溫度,T2溫度可以提高到T2’。 當T1提高到T0,T2提高到T2’時,其冷速曲線為圖3 c。在這些等效厚度表面,其散熱方式由隔著蒸汽膜散熱改變成靠發生沸騰來散熱,散熱速度增大。同時,在T0和T2之間的不同表面部分,進入沸騰狀態的時間雖然有先有后,但它們沸騰冷卻的結束溫度卻同樣是Tb。因此,交界線借用使實際發生沸騰冷卻的溫度范圍由原來的T1~Tb增大到T1’-Tb。最大可以增大到T0~Tb。在交界線擴展速度相同的條件下,交界線的借用就可以提早結束蒸汽膜階段。由于沸騰冷卻階段的冷卻速度是隨工件表面溫度的增大而提高的,交界線借用就使工件獲得的冷卻速度進一步增大。由此產生的結果是,依靠交界線的借用,在相同的冷卻條件下,形狀較復雜的工件上與較小部分交匯的較厚大部分獲得的淬火冷卻效果將快于形狀簡單而不能借用交界線的其他相同有效厚度部分。

    圖3 交界線借用可以提高冷卻速度(以表面熱流密度計)

    圖3 交界線借用可以提高冷卻速度(以表面熱流密度計)

    交界線借用可以跳過形成超前擴展點的時期,而直接進入交界線擴展期,并因此提高工件獲得的冷卻速度。這是四階段理論推論出的一個必然結果。這一結果與傳統三階段理論的有效厚度觀念是相違背的。

    三、交界線借用的防止

    幾乎所有自然特性都有它的兩面性。有好的方面可以被利用,就有它可能起壞作用的條件。交界線借用有它的好處,也就有它的害處。應當有防止它被借用的方法。根據四階段理論,可以找到防止交界線借用的方法。下面是本文當前找出的兩種方法。方法之一是凹槽法。方法之二隔離堤法。

    隔離堤法,如圖4 a)所示。它是在不同等效厚度部分的交匯線上附加一條一定大小的隔離堤。該隔離堤與工件基體之間是固態接觸,并不緊密相連。二者之間要保持很小的縫隙。縫隙中的介質蒸汽有隔熱作用,而且不容易排出。它能保證厚大部分表面產生超前擴展點之前,液態介質不能從該縫隙中穿過去。這就起到了防止交界線借用的作用。

    凹槽法,如圖4 b)所示。它是在不同等效厚度部分的交匯線上開一條一定大小的凹槽。由于凹槽底部散熱困難,其表面溫度降低就比相鄰厚大部分要慢。結果,相鄰厚大部分的表面溫度先降低到T0溫度以下,并自然產生超前擴展點。這就得到了防止交界線借用的效果。

    圖4 交界線借用的兩種防止方法

    圖4 交界線借用的兩種防止方法

    四、交界線借用效果的實驗演示

    上面的分析已從道理上說明了交界線借用可能達到的效果。下面再安排了兩個簡單的實驗來進行演示。這些實驗并不用來證明上述推論的正確性,而只想讓讀者對上述推論產生更加生動和具體感受。

    1、試樣和淬火介質

    安排了A、B兩組對比試樣。A組用耐熱不銹鋼加工而成,用來觀測冷卻過程中不同試樣表面的中間階段進程。B組則用最常見的45鋼加工而成,用來比較有交界線借用和沒有交界線借用試樣的不同淬硬效果。

    A組由兩個試樣組成。一個試樣是直徑20mm總長度70mm的圓柱,其兩端再加工成直徑20mm的半球形。我們把它稱為不銹鋼圓頭試樣。另一個試樣是邊長20×20×70mm的長方體。我們把它稱為不銹鋼方形試樣。圖5說明了它們的大小關系。如以方形試樣為準,則圓頭試樣比方形試樣少了陰影部分。即圓頭試樣比方形試樣要小。只在兩端面的中心點和四個側面的中心線上,兩者才具有相等的尺寸。

    圖5  A、B兩組對比試樣中圓頭試樣和方形試樣的大小關系

    圖5 A、B兩組對比試樣中圓頭試樣和方形試樣的大小關系
    圖6 試驗用油的冷卻特性曲線
    圖6 試驗用油的冷卻特性曲線

    B組用試樣淬火硬度上的不同,來證明交界線借用在熱處理中的作用。選定的試樣為16×16×56mm的長方體的45鋼方形試樣。與之對比的是直徑16mm總長度為56mm,兩端為16mm直徑的半球體的45鋼圓頭試樣。B組對比試樣的大小關系也如圖5所示。

    試驗用淬火介質是透明程度很高的一種基礎油。圖6是試驗用油的冷卻特性曲線。所有試樣都用細的電爐絲懸吊著冷卻,以防止在懸吊處發生交界線借用。

    2、試驗內容

    A組試樣分別在箱式爐中加熱到900℃,表面到溫后保溫5分鐘,然后迅速轉移到所選淬火介質中冷卻。淬火介質不攪拌。在冷卻過程中用攝像機記錄了冷卻的全過程。

    B組試樣先在箱式爐中加熱到900℃。表面到溫后保溫5分鐘。然后迅速轉移到所選淬火介質中冷卻。淬火介質不攪拌。淬火冷卻下來后,用線切割切從長度的中間位置,沿垂直于軸線的截面,截取厚度5mm的硬度試塊。再檢測它們的截面淬火態硬度分布。

    3、A組試樣的實驗結果與分析

    從錄像中選取了A組試樣上多個時刻的交界線位置,并畫在一張圖上,作成了圖7和圖8。圖中的曲線是交界線。圖中的數字是從試樣浸入介質時刻起,到某處出現交界線止的時間(秒)。

    圖7 方形試樣上不同時刻(從入液起,秒)的交界線位置 圖8 圓頭試樣上不同時刻(從入液起,秒)的交界線位置

    圖7 方形試樣上不同時刻(從入液起,秒)的交界線位置

    圖8 圓頭試樣上不同時刻(從入液起,秒)的交界線位置

    圖線說明:在每一張圖上,標注時間最短的交界線,就是該試驗上出現超前擴展點后不久的交界線。標注時間更長的交界線,是后來時刻的交界線。

    從圖7可以看出,方形試樣兩端的八個尖角是最容易散失熱量的部位。蒸汽膜也就最容易從這八個尖角處破裂。在快到4秒鐘的時候,超前擴展點先后出現在部分尖角上。鄰近這些尖角的部分,通過交界線借用,可以在表面溫度降低到T0后逐步進入沸騰冷卻狀態。隨著更厚大部分的溫度降低到T0以下,交界線繼續向更厚大部分移動。在第21秒到來的同時,蒸汽膜就從方形試樣表面全部消失了。從第4秒開始,由于冷卻到T0需要時間,經過了整整17秒,交界線才完成了它的擴展歷程。

    再來看看圓頭試樣的交界線移動過程。從圖8中我們看到,由于缺少提早形成超前擴展點的尖角部分,在浸入介質后的很長一段時間內,籠罩在試樣表面的蒸汽膜一直保持完好。直到過了21秒,才從試樣兩端先后出現兩小塊沸騰冷卻區。然后,沸騰冷卻區與蒸汽膜籠罩區的交界線向中間部分移動。由于蒸汽膜籠罩時間長,試樣各部分都冷卻到了比較低的溫度。不需要等待降溫到T0以下,或者降溫需要的時間已經很短。所以交界線的擴展速度比較快,尤其是在兩個端頭部分。最后,在快到26秒之際,完成了交界線的擴展的過程。整個交界線的擴展過程只經歷了4秒的時間。

    圖9 圓頭試樣和方形試樣的中間階段起止時間對比(秒)
    圖9 圓頭試樣和方形試樣的中間階段起止時間對比(秒)

    把兩個試樣交界線擴展的時間段畫在同一時間坐標上,得到了圖9。交界線的擴展過程就是不同部位進入、并且開始進行沸騰冷卻的過程。幾乎是在在方形試樣完成交界線擴展之后,圓頭試樣才開始出現超前擴展點。(本實驗中兩個時間段正好前后相接。但這不是普遍現象,而只是一種巧合。)從熱處理行業的傳統觀念去推想,方形試樣比圓頭試樣具有更大的有效厚度,至少也具有等于圓頭試樣的有效厚度。因此,相同條件下,在同一種液態介質中冷卻時,方頭試樣應當比圓頭試樣冷得更慢。這是建立在三階段理論基礎之上的有效厚度觀念在我們心目中固化了的一種認識。無疑,圖9所示的試驗結果完全動搖了熱處理行業的這一有效厚度觀念。但這卻是實驗事實。而有關液態介質中冷卻的四階段理論,正好能夠解釋這一違背傳統觀念的現象。



    4、B組試樣的試驗結果與分析

    圖10  45鋼方形試樣和圓頭試樣的淬火態硬度對比
    圖10 45鋼方形試樣和圓頭試樣的淬火態硬度對比

    圖10是B組試樣上取出的試塊的硬度測試結果。方形試樣獲得了高于圓頭試樣的硬度分布。這樣的結果是三階段理論無法解釋的。只有存在中間階段,且中間階段具有那樣一些特點,才能產生交界線借用現象,也才能產生這樣的淬火硬度差異。

    五、小結

    交界線借用是工件淬火冷卻過程中普遍存在現象。靠交界線借用可以省略形成超前擴展點的時間而直接從蒸汽膜階段進入交界線擴展期。通過交界線借用,可以提早結束較厚大部分的蒸汽膜階段,而獲得比傳統有效厚度觀念的預測更快的冷卻效果。

    參考文獻

    [1] 張克儉、王水、郝學志,液體介質中淬火冷卻的四階段理論,熱處理技術與裝備,2006年12月,14-25.


    評論
    匿名用戶 [來自188.143.234.155]
    2015-11-26 00:32
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    我來說兩句



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