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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?#24230;?#22788;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?#21644;?#36807;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?#23548;?#30340;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 treatmentquenching liquid quenchants fine quenching technique

    前言

    在?#31350;?#21457;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?#25216;?#26415;

    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?#20174;?#23548;超前扩展点的方法就是超前扩展点的诱?#25216;?#26415;

    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?#25216;?#26415;

    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?#27573;?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?#27573;?#23601;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?#27573;?#23601;比T1Tb小而最后进入沸腾冷却状态的部位发生沸腾冷却的温度?#27573;T2Tb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?#27573;?#23601;扩大到T1Tb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?#27573;?#23601;可以扩大到T0Tb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?#27573;?#20063;就是T0Tb相应的最大冷却速度也就是超前扩展点的诱?#25216;?#26415;所能获得的冷却速度的最大值图2用示意图的?#38382;得?#35825;?#25216;?#26415;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?#27573;?#30830;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?#21483;?#31561;效厚度部分的冷却差异也?#21483;?#31561;效厚度部分的冷却速度差异?#21483;?#24037;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?#20811;?#30701;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?#27492;?#30701;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?#22363;?#24230;为R但是如果在?#20204;?#20307;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R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?#27573;?#20063;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?#25165;?#30340;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?#20154;?#22312;部?#20013;?#24471;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?#35759;?#36827;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?#23500;?#32773;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?#25216;?#26415;的实验演示

    前面对诱?#25216;?#26415;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4?#20174;?#23548;共两个圆头试样在一个圆头不锈?#36136;?#26679;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?#36136;?#26679;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?#20013;?#21514;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?#26412;?0mm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棬表面到温后保温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?#31181;?#21069;诱导出了超前扩展点图6中试样左端也在入液13秒左?#39029;?#29616;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?#26029;?#38548;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?#24471;?#36890;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?#24471;?#20132;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?#27573;?/p>

    对于超前扩展点的出?#36136;?#38388;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?#27573;?/p>

    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?#29615;?#23545;它们的作用和特点作一个简单的对比?#33322;?#25292;介质产生的局部液流速度?#31995;ͣ?#19968;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?#25216;?#26415;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?#25216;?#26415;将属于精细淬火冷却技术的?#27573;?#20316;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?#25509;行?#21402;度观念[J],热处理技术与装备,2007,28(3):23-28.




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