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    超前擴展點的誘導

    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4期


    摘要:用人為的方法,在表面溫度高于T1時產生超前擴展點的做法叫做超前擴展點的誘導。用液態介質中冷卻的四階段理論分析指出:通過誘導產生超前擴展點可以克服自然超前擴展點的隨機性,可以提高工件獲得的冷卻速度,還可以減小工件上的冷卻速度差異。提出了兩種誘導超前擴展點的方法:誘導錐法和沖液法。用實際的誘導試驗演示了這兩種方法的誘導效果。超前擴展點的誘導將成為精細淬火冷卻技術中的一項基本方法。

    關鍵詞:熱處理,淬火冷卻,液態淬火介質,精細淬火冷卻技術

    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 treatment,quenching, liquid quenchants, fine quenching technique

    前言

    在本刊發表液態介質中冷卻的四階段理論文章之后,計劃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4篇。本文將在前面三篇文章的基礎上,接著研究超前擴展點的誘導問題

    一、什么是超前擴展點的誘導技術

    超前擴展點的誘導,是在表面溫度高于T1,因此不可能產生自然超前擴展點的條件下,用人為的方法在工件表面產生超前擴展點的操作。用來誘導超前擴展點的方法,就是超前擴展點的誘導技術。

    二、為什么需要誘導超前擴展點

    根據四階段理論,出于以下三方面的理由,在熱處理生產中應當采用超前擴展點的誘導技術。

    1、克服自然超前擴展點的隨機性

    前面的研究已經指出,在均勻冷卻條件下,均勻球體表面上靠系統的擾動和液溫起伏產生的超前擴展點,我們把它叫做自然超前擴展點。自然超前擴展點的出現有很大的隨機性。這里所指的隨機性既包括超前擴展點在出現部位上的隨機性,也包括產生超前擴展點的時間和出現點的表面溫度的不確定性。出現超前擴展點的隨機性會使工件淬火冷卻效果產生較大的分散性,并因此引起較大的硬度差、組織差和淬火變形。所謂液態淬火介質的特性溫度問題[2],很可能產生于這種隨機性。如果能采用一定的辦法,人為地在適當的時間和部位誘導出超前擴展點。那就有可能克服自然超前擴展點的隨機性,使我們容易獲得更加均勻的淬火冷卻效果。

    2、需要提高工件獲得的冷卻速度

    出現第一個超前擴展點的表面溫度T1是決定中間階段區位置的重要數據之一。在一定冷卻條件下,工件的形狀大小和某等效厚度表面的特點決定了T1溫度的大致范圍。 從四階段理論的冷卻特性曲線上容易看出,對一定的等效厚度表面,出現第一個超前擴展點的開始溫度是T1。它也是該等效厚度部分發生沸騰冷卻的最高溫度。隨后靠交界線擴展而進入沸騰冷卻其他部分,它們開始發生沸騰冷卻的溫度則低于T1。因為所用介質的Tb溫度是一定的,所以,出現第一個超前擴展點的地方發生沸騰冷卻的溫度范圍就最大,即從T1沸騰到Tb。隨后進入沸騰冷卻狀態的其他部分發生沸騰冷卻的溫度范圍就比(T1~Tb)小。而最后進入沸騰冷卻狀態的部位發生沸騰冷卻的溫度范圍(T2~Tb)則最小。 圖1是這種大小關系的示意圖。

    圖1 四階段理論的表面冷卻速度圖
    圖1 四階段理論的表面冷卻速度圖

    從圖1可以看出,出現第一個超前擴展點的部位獲得的冷卻速度最大。而T2點對應的冷卻速度則最小。在T1到T2之間開始沸騰冷卻的部分,它們獲得的冷卻速度則居于二這之間。

    前面的文章已經指出,表面溫度低于T0,就可能產生超前擴展點。由于圖2中的T1溫度低于T0,因此如果能在高于T1的溫度T1’出現超前擴展點,則發生沸騰的溫度范圍就擴大到T1’~Tb。無疑,這一改變把該部位獲得的冷卻速度提高了。在交界線移動速度不變的條件下,T1溫度提高,T2溫度也必然隨之提高。整個球體表面獲得的冷卻速度也就提高了。如果能在表面溫度剛好降低到T0的時候誘導出超前擴展點,那么,該部位發生沸騰冷卻的范圍就可以擴大到T0~Tb。該部位獲得的冷卻速度也就被提得更高了。由于T0是能產生超前擴展點的最高溫度,因此,發生沸騰冷卻的最大溫度范圍也就是T0~Tb。相應的最大冷卻速度,也就是超前擴展點的誘導技術所能獲得的冷卻速度的最大值。圖2用示意圖的形式,說明誘導技術能提高冷卻速度的原理。圖中a)是沒有交界線借用時的,b)是發生了交界線借用時的冷卻速度曲線。圖中的橫坐標都是冷卻速度。

    圖2 交界線借用可以增大冷卻速度

    a) 無交界線借用

    b) 發生了交界線借用

    圖2 交界線借用可以增大冷卻速度

    3、中間階段的大小需要控制

    中間階段區的大小對等效厚度部分獲得的冷卻均勻性有重要影響。從四階段理論的冷卻過程曲線上,可以按T1到T2的溫度范圍確定中間階段的大小。也可以用出現第一個超前擴展點的時間和最后一部分蒸汽膜消失的時間之差,來確定中間階段的大小。中間階段區越大,等效厚度部分的冷卻差異也越大。相反,中間階段區越小,等效厚度部分的冷卻差異也越小。等效厚度部分的冷卻速度差異越小,工件淬火冷卻獲得的組織和性能的均勻性就可能越好。這是熱處理工作者為提高工件熱處理質量和減小淬火變形所追求的目標。減小中間階段的大小,靠縮短T1和T2之間的溫度差,或者縮短相關的兩個時間之間的差值。有兩種辦法可以減小中間階段的大小。一個是提高交界線的擴展速度,它可以縮短交界線完成擴展所需要的時間。另一個是人為誘導出多個超前擴展點,來縮短結束蒸汽膜所需要的交界線擴展的路程。參照圖3,很容易理解它的道理。以半徑R的均勻球體為例。如果整個中間階段只出現一個超前擴展點,則交界線要從球體的一端擴展到另一端需要移動的路程長度為πR。但是,如果在該球體的6個標注了P字部位上同時誘導出超前擴展點,則交界線的擴展路程都可以縮短到πR的四分之一。如果交界線的擴展速度保持不變,中間階段的時間范圍也縮短到原來的四分之一,如圖4所示。上圖是只靠一個超前擴展點時的球體表面冷卻過程曲線和冷卻速度曲線。而下圖是在合理安排的6個部位誘導出超前擴展點后,球體表面的冷卻過程曲線和冷卻速度曲線。交界線的擴展路程縮短到原來的四分之一,完成交界線擴展的時間也可能縮短到原來約四分之一。T1到T2的溫度差也相應大大縮小。這就是誘導超前擴展點能夠控制中間階段大小的道理。中間階段區由大變小,表明該等效厚度部分獲得了更加均勻的冷卻效果。

    圖3 六個超前擴展點時的擴展路程是一個時的四分之一

    a) 只一個超前擴展點

    b) 6個超前擴展點

    圖3 六個超前擴展點時的擴展路程是一個時的四分之一
    圖4 六個超前擴展點縮小中間階段縮的道理

    圖4 六個超前擴展點縮小中間階段縮的道理

    三、誘導超前擴展點的方法

    有多種方法可能在工件表面誘導出超前擴展點。本文想介紹的是當前提出的兩種方法。一個是附加誘導錐的方法。另一個是沖液誘導法。

    1、附加錐形誘導體的方法

    圖5 誘導錐焊接在工件基體上
    圖5 誘導錐焊接在工件基體上

    此法是形狀因素和交界線借用特性[3]相結合的產物。其具體方法是,在工件表面附加上比所在部分小得多的、帶尖角的錐形誘導體,如圖5所示。這樣,在工件的淬火冷卻過程中,由于形狀大小的原因,錐尖部的蒸汽膜提早破裂而進入沸騰冷卻期。這就在附加的錐體與尺寸大得多的基體的交匯處形成一圈交界線。一待交界線附近的蒸汽膜籠罩區的表面溫度降低到T0以下,交界線就會向工件基體擴展。這樣,該錐體的作用就相當于在該處形成了一個超前擴展點。

    之所以叫誘導錐而不是誘導針,是因為它必須有一定的大小,才能產生誘導作用。關于誘導錐的形狀大小,后續的文章中將做進一步的討論。

    附加的錐形誘導體應當與基體緊密結合在一起。它們之間不應當有孔隙。可以用壓焊或者其他焊接的辦法進行這種結合。

    2、沖液誘導法

    用較高液壓的細小液流,在工件的某些局部點制造出較強烈的擾動,迫使所用液態介質與蒸汽膜籠罩區的工件表面發生接觸。當該部分工件表面溫度降低到T0點以下時,便可能在該點誘導出超前擴展點。

    此法要點是,液流束可以較細小,但必須超過一定的截面大小。液流束要以一定的角度,連續不斷地或者間斷地,向工件選定部位噴射所用介質。工件表面溫度越高蒸汽膜就越厚,為形成液?固接觸所需要的擾動也就越強烈。因此,要在高于T1的溫度用沖液的辦法誘導出超前擴展點,液壓應當較高,否則不能沖破蒸汽膜而到達工件表面。

    四、誘導技術的實驗演示

    前面對誘導技術的分析是在四階段理論的基礎上推導出來的。接下來再用幾個簡單實驗,演示一下上述兩種誘導方法的效果。

    1、試樣和試驗過程

    A組用誘導錐(Φ4)來誘導,共兩個圓頭試樣。在一個圓頭不銹鋼試樣的中間位置焊了一個不銹鋼釘子,也就是本文所說的誘導錐。在另一個圓頭不銹鋼試樣的圓柱部分,沿軸線長度的三分之一和三分之二的位置上,各焊一個同樣的誘導錐。試樣經過900℃加熱。表面到溫后保溫5分鐘。然后在保持懸吊成水平的狀態下轉移入基礎油中冷卻。冷卻過程中用攝像機記錄了全過程。

    B組采用沖液誘導法,只有一個直徑60mm的不銹鋼球體。球體表面焊了一個誘導錐。試樣先被加熱到900℃,表面到溫后保溫5分鐘。然后在同樣的基礎油中冷卻,并用攝像機記錄了冷卻的全過程。

    2、試驗結果與分析

    A組中,只焊了一個誘導錐的試樣,冷卻過程中不同時間的交界線位置如圖6所示。圖中黑色的小圓是誘導錐的位置。可以看出,超前擴展點出現在入液第12秒之前。在沒有誘導錐時,同樣的試樣上,入液20秒后自然超前擴展點才先后出現在試樣左右兩端,而試樣中間位置,蒸汽膜到第26秒才消失[2]。而現在,因為誘導錐的作用,在試樣中間位置提早出現了超前擴展點。到18秒時,交界線的擴展過程就完成了。用沖液的辦法,在希望出現超前擴展點的部位,在自然超前擴展點出現之前,誘導出了超前擴展點。(圖6中,試樣左端也在入液13秒左右出現了一個超前擴展點,這是試驗中另外一些因素引起的。)

    圖6 焊了單一誘導錐的試樣上交界線的擴展過程

    圖6 焊了單一誘導錐的試樣上交界線的擴展過程

    焊了兩個誘導錐的試樣,在入液13秒之前先后誘導出兩個超前擴展點。比無誘導錐時提早了8秒,如圖7所示,這與圖6中一個誘導錐時出現超前擴展點的時間(約12秒)基本相同。整個試樣約在入液19秒時完成了交界線的擴展過程。比靠自然超前擴展點時提早了7秒。由于兩個誘導錐相隔得很近,本應冷卻得最慢的試樣中部,在入液第18秒就進入了沸騰冷卻期。比靠自然超前擴展點時提早了8秒。比較圖6與圖7,還可以發現,對不同次試驗的兩個圓頭試樣上,中間部位的三個誘導錐都在12到13秒期間誘導出超前擴展點。這是由它們的等效厚度情況基本相等決定的。這說明,通過超前擴展點的誘導,能夠克服工件上等效厚度部分自然超前擴展點在出現位置和時間上的隨機性。

    圖7 焊了兩個誘導錐的試樣上交界線的擴展過程

    圖7 焊了兩個誘導錐的試樣上交界線的擴展過程
    圖8 沖液誘導出超前擴展點及其交界線擴展
    圖8 沖液誘導出超前擴展點及其交界線擴展

    B組試樣冷卻過程中,交界線擴展前期的交界線位置如圖8所示。在入液后不久,就用細小的介質液流,斷斷續續地沖擊球體上特定的部位。由于開始時球體表面溫度高于T0,沒能誘導出超前擴展點。直到入液30秒,才沖出了一個超前擴展點。同時可以看出,交界線的擴展速度是逐漸加快的。這說明交界線的擴展速度可能與表面溫度有關。

    五、討論

    1、超前擴展點的誘導,其作用是讓超前擴展點出現在更高的表面溫度范圍。

    對于超前擴展點的出現時間,還應當考慮相反的需求,那就是推遲到更低的溫度再出現超前擴展點。但這個問題不在本文的研究范圍。

    2、當前普遍采用的介質攪拌技術,其作用之一是縮短蒸汽膜階段,并因此提高工件獲得的冷卻速度。因為與誘導超前擴展點的目的有相同之處,這里不妨對它們的作用和特點作一個簡單的對比:攪拌介質產生的局部液流速度較低,一般只能起減小蒸汽膜厚度的作用。但是,其作用的目標比較籠統而盲目,因此作用效果很不均衡。而本文討論的超前擴展點的誘導技術,則能有計劃有目的地提高確定部分的冷卻速度。超前擴展點的誘導技術將屬于精細淬火冷卻技術的范圍。作個比喻,它和粗放式的攪拌的差異很像傳統農業生產中的漫灌與先進的滴灌之間的差別。

    3、無疑,交界線的移動速度對需要設置的誘導點的多少,以及中間階段的特點都有重要影響。關于這個問題,我們將在下一期發表的文章中介紹。

    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[J],熱處理技術與裝備,2006,27(6):14-25.

    [2] 張克儉. 對自來水作為冷卻介質的兩大缺點的研究[J],金屬熱處理,2005年第1期,66-71.

    [3] 張克儉,王水,郝學志. 交界線借用挑戰有效厚度觀念[J],熱處理技術與裝備,2007,28(3):23-28.




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