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    沸腾冷却区的宽度及其传达的信息

    张克俭

    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6期


    摘要用摄像记录了液态介质中冷却时试样表面的冷却情况试验发现在液态介质中淬火时试样表面的沸腾冷却是在呈带状的沸腾冷却区扫过的过程?#22411;?#25104;的这类沸腾冷却区通常多很窄因此工件表面上任何部分经历沸腾冷却的时间都很短靠沸腾冷却方式降低的温度都不多淬火冷却中从工件表面出现第一个超前扩展点开始到蒸汽膜区完全消失为止的很长一段时间内三种散热方式共同存在其中蒸汽膜冷却方式和与对流冷却方式对工件淬火冷却的贡献都比沸腾冷却的要大

    关键词热处理 淬火介质液态淬火介质淬火冷却精细淬火冷却技术

    The width of the boiling cooling zone of the liquid medium and the information it carried

    ZhANG ke-jian

    Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

    Abstract:The cooling status on the surface of the work piece in a liquid medium was recorded by a video camera. It was found that when quenching in a liquid medium, the boiling cooling on the surface of the work piece was accomplished by the sweeping of the boiling cooling zone over the surface. Generally this kind of boiling cooling zone are quite narrow, therefore the duration undergoing cooling at any part on the surface of the work piece is very short, by which the temperature drop could not be high. During the cooling process in quenching, in the rather long time period from the appearance of the first advancing point, until the complete disappearance of the vapor membranes, there is the co-existence of all of the three heat dissipation mechanisms, in which the vapor membrane cooling and the convection cooling contribute more to the quench cooling of the work piece than the boiling cooling.

    Key words:heat treatment, quenching liquid quenchents, fine quenching technique

    前言

    本文是研究四阶段理论文章的第6篇将对工件淬火冷却过程中沸腾冷却区的宽度及其传达的信息进行研究

    一 沸腾冷却区宽度及其影响因素

    1.1 研究沸腾冷却区宽度的意义

    图1 沸腾冷却区的构成
    图1 沸腾冷却区的构成
    Fig.1 It takes about 20-odd seconds for the spread of the demarcation line on a spherical test piece with a diameter of 60mm.

    在交界线移动过程中紧跟在交界线之后的是沸腾冷却区在沸腾冷却区可以看到大小气泡在形成长大上升和破灭在沸腾冷却区内挨近交界线部位的气泡活动最频繁离交界线越远气泡的形成和破灭活动越微弱在交界线的另一端气泡的形成与破裂活动趋于停止正是气泡的活动让我们看到了沸腾冷却区图1是?#23548;?#35266;测到的沸腾冷却区的一段图中实线为交界线箭头表示当时交界线的移动方向交界线后面以气泡表示沸腾冷却正在进行用虚线画出活动着的气泡区大致的边界发生沸腾冷却的?#27573;?#23601;构成本文所述的沸腾冷却区当交界线移动速度特别快时在沸腾冷却区扫过之后还可能有少数较大气泡残留在试样表面上当时试样表面温度已经降低到Tb以下?#38454;?#22312;表面的气泡只能被周围介质吸收小的气泡很快就消失了而大的气泡一时还可能看到这就是在虚线之外有时还可能看到零星而不动的气泡的原因图2是?#26412;?0mm球体试样在基础油中冷却时前后两条沸腾冷却区的示意图[1]其中第一条是在?#20204;?#20307;上出现第一个超前扩展点之后5秒钟也就是入液38.16秒时的沸腾冷却区可以看出38.16秒时的沸腾冷却区比42.20秒时的要宽些

    图2 ?#26412;?0mm球体试样上前后出现的两个沸腾冷却区
    图2 ?#26412;?0mm球体试样上前后出现的两个沸腾冷却区
    Fig.1 It takes about 20-odd seconds for the spread of the demarcation line on a spherical test piece with a diameter of 60mm.

    从图2可以看出在60SN的基础油中冷却时观测到的沸腾冷却区都不宽由于它的宽度有限我们看到的交界线扩展过程就成为以交界线为前沿的带状沸腾冷却区的移动过程?#27492;?#38454;段理论作为沸腾冷却区前方边界的交界线它所在部位的工件表面温度一般是在T0到Tb之间而在沸腾冷却区的后部边界处工件表面温度则只稍高于Tb通常可以?#33268;?#22320;认为是Tb于是可以把沸腾冷却区的后边界线看成是一条工件表面的Tb等温线作为沸腾冷却区带的前沿边界的交界线通常都不是一条等温线交界线以下的表面温度高低可以凭紧跟其后的沸腾冷却区的宽度来判断宽的交界线处的表面温度高窄的表面温度低?#23548;?#19978;液体介质的沸腾换热方式就是在这种移动中的带状沸腾冷却区中进行的沸腾冷却方式是工件在液态介质中淬火冷却时的基本换热方式之一沸腾冷却区的宽度必然包含着一些有用的信息因此有必要研究沸腾冷却区的宽度

    1.2 沸腾冷却区宽度的实验观测结果

    本文只采用60SN的基础油作为冷却介质试样都用耐热不锈?#31181;?#25104;

    图3是用标准探棒测出的60SN基础油的冷却特性曲线图4是检测该冷却特性时先后出现在探棒上的3条沸腾冷却区带的位置的示意图[2]图4中的数字是出现该沸腾冷却区带的时刻从探棒入液算起

    图3 试验用60SN基础油的冷却特性曲线 图4 在60SN由中冷却时探棒上的3条沸腾冷却区带

    图3 试验用60SN基础油的冷却特性曲线

    图4 在60SN由中冷却时探棒上的3条沸腾冷却区带

    从图中的沸腾冷却区带可以测量出该探棒上的几个沸腾冷却区的宽度再按图中两条沸腾冷却区带之间的距离和时间间隔可以估算出交界线移动的平均速度用这个平均速度去除沸腾冷却区带的宽度又可以算出交界线通过时所在表面经历沸腾冷却的时间长度

    从9.24秒的沸腾冷却区到13.80秒的沸腾冷却区的距离为19mm而二者之间的时间间隔为4.56秒由此可以算出这一时间?#27573;?#20869;交界线移动的平均速度为每秒4mm再测出9.24秒的沸腾冷却区宽度为3.57mm用这一宽度除以交界线移动速度求出该部位经历沸腾冷却的时间为0.89秒

    现在用同样的方法去研究图2所示?#26412;?0mm球体上沸腾冷却区的宽度38.16秒的沸腾冷却区比42.20秒的宽产生这种差异的原因是在到达42.20秒的球体表面前该部位经历蒸汽膜笼罩条件下的冷却时间更长因此表面温度比38.16秒时的要低表面温度低表明该部位及其内部需要用沸腾冷却方式散失的热量更少而散失更少的热量需要的沸腾时间也就更短

    再来研究图2中的沸腾冷却区的宽度和经历沸腾冷却的时间长度估算出38.16秒时的沸腾冷却区宽度约为4mm交界线移动速度约为每秒7mm因此算出该部位经历沸腾冷却的时间为0.6秒同样42.20秒的沸腾冷却区宽度约为2.8mm其经历沸腾冷却的时间为0.4秒

    图5 出现在方形试样上的两个沸腾冷却区带
    图5 出现在方形试样上的两个沸腾冷却区带

    图5是方形试样在基础油中冷却时的几条沸腾冷却区带的示意图[3]从图中容易看出试样端头和边缘的沸腾冷却区较窄而试样中间部分的沸腾冷却区较宽产生这种差异的原因是端头和边缘部分表面以下的材料厚度较小需要散失的热量较少而中间部分的材料厚度较大需要散失的热量较多用前面的方法估算在观测面长度方向的中线上冷却到8秒和14秒时的交界线移动的平均速度为2.9mm/秒而两个沸腾冷却区宽度分别为2mm和4.9mm因此估算出二者经历沸腾冷却的时间分别为0.68秒和1.7秒

    图6 台?#36164;?#26679;观测面上的两条沸腾冷却区带
    图6 台?#36164;?#26679;观测面上的两条沸腾冷却区带

    图6是出现在台阶形空心试样观测面上的两个沸腾冷却区带[4]用同样的方法估算出沸腾冷却区的宽度约为1.2mm,经历沸腾冷却的时间约为0.4秒此处的沸腾冷却区相当窄经历沸腾冷却的时间也相当短其原因是观测面是交界线在该试样上最后扫过的部分当时的表面温度都已经很低了









    图7 外径132mm圆筒上的交界线扩展图
    图7 外径132mm圆筒上的交界线扩展图

    图7是?#26412;?32mm壁厚3.5mm高度100mm的管状试样在基础油中冷却时的交界线扩展图需要说明的是试验前该试样上部表面打磨得不?#36824;?#27905;和不够均匀至使试样上部残留的氧化膜多少不匀这是试验上部交界线很不规则的主要原因从该试验的结果中选出几条沸腾冷却区带来加以研究如图8所示







    图8 圆筒试样上不同时刻的沸腾冷却区宽度
    图8 圆筒试样上不同时刻的沸腾冷却区宽度

    图8中a画出了入液7.84秒和10.20秒时的沸腾冷却区的位置和宽度超前扩展点最先出现在圆筒的下端圆筒下端先冷下?#30784;?#22312;一定?#27573;?#20869;离底部越远试样表面温度越高在这一期间越往上部交界线移动速度越快因此7.84秒的沸腾冷却区最窄而10.20秒的沸腾冷却区稍宽一些在11.28秒的b图中下面的沸腾冷却区带明显变宽其上面的沸腾冷却区带上因两个局部区段交界线快速移动而形成两个凸出部跟在凸出部分的交界线之后的沸腾冷却区远比其他部分的沸腾冷却区宽其他部分中交界线移动速度越慢沸腾冷却区越窄此后交界线移动速度更快到了12.00秒只剩一个?#29486;有?#30340;蒸汽膜区了在该蒸汽膜区的周围是一片沸腾冷却区到蒸汽膜区完全消失的时刻即12.44秒时试样表面就只能看到一小块沸腾冷却区到13.12秒试样表面上就再已看不到沸腾冷却区了可以看出试样表面上最后出现的沸腾冷却区较宽较大但是该宽大的沸腾冷却区也只存在了一秒多时间

    1.3 影响沸腾冷却区宽度的因素

    影响沸腾冷却区宽度的因素很多为便于介绍这些因素对沸腾冷却区宽度的影响我们先建立一个能把这些因素联系在一起的关系式建立这个关系式的思路是?#33322;?#30028;线到达试样表面某部位时该部位的表面温度记为T如上所述沸腾冷却区离开时该部位的表面温度为Tb设所指部位通过沸腾散热方式把表面温度从T降低到Tb需要的散热时间为t再设该部位的沸腾冷却区宽度为D这三个量的关系可以用式1表示

    D = Vt 1

    散热时间t的大小决定于当时条件下单位表面用沸腾散热方式散失的热量Q和沸腾冷却?#22791;?#37096;位的表面热流密度C它们之间的关系可以用式2来表示

    t= Q/C 2

    将式2代入式1得到式3

    D= VQ/C 3

    以上三个关系式可以用来定性地讨论各影响因素对沸腾冷却区宽度的影响规律?#23548;适?#26679;冷却过程中VQ和C三个量都是变量都有各自的影响因素因此以下讨论?#29615;?#24212;各因素对沸腾冷却区宽度定的性影响规律

    a表面以下工件厚度的影响

    表面以下的工件越厚沸腾冷却区越宽相反表面以下的工件越薄沸腾冷却区越窄以球体为例同样材质的球体其?#26412;对?#22823;沸腾区就越宽产生这种影响的原因是球体的?#26412;对?#22823;需要通过单位球体表面散失的热量Q就越多而在表面温度一定时担任这一散热任务的表面的热流密度是一定的散热面积相同的条件下需要通过它散失的热量越多散热所需要的时间t就越长在这一期间交界线以速度V向前移动了Vt的距离这个距离就是沸腾冷却区的宽度D

    b. 表面温度高低的影响

    其影响规律是交界线经过时工件表面温度越高沸腾冷却区越宽这是因为表面温度越高或者?#24403;?#38754;温度比Tb高得越多需要从该表面以沸腾冷却的方式散失的热量Q就越多需要的散热时间也就越长按式1所示关系需要的散热时间越长沸腾冷却区的宽度也就越大

    在Tb温度一定的条件下交界线到达某处?#22791;?#22788;的表面温度T越高需要用沸腾冷却方式散失的热量就越多因此沸腾冷却区的宽度就越大交界线到达某处?#22791;?#22788;的表面温度T的最高值为T0因此T0温度越高可能的D值也就越大相反T0温度?#38477;停?#21487;能的D值也就越小同样的道理Tb温度越高沸腾冷却区越窄Tb温度?#38477;停?#27832;腾冷却区越宽

    交界线所在部位可能的最高表面温度是T0因此等效厚度相同的表面部分的最大沸腾冷却区宽度也能由此?#33539;?#19979;?#30784;?/p>

    c. 交界线移动速度对沸腾冷却区宽度的影响

    其影响规律是?#33322;?#30028;线的移动速度越快沸腾冷却区就越宽相反就越窄

    d. 热学特性的影响

    工件材料的?#28909;热?#36234;大沸腾冷却区宽度也越大其?#28909;热?#36234;小沸腾冷却区的宽度也越小

    工件的导热特性越好沸腾冷却?#21271;?#38754;热流密度就越大相应地沸腾冷却区的宽度就越小

    液态介质的汽化潜热越大发生汽化需要的热量就越多沸腾冷却期的表面热流密度也就越大沸腾冷却区的宽度就越小

    e. 工件形状因素的影响

    在其他条件相同时表面形状对散热情况也有影响尖凸的形状散热容易这些部位的表面热流密度会大些因此与平直的表面相比尖凸部分的沸腾冷却区较窄凹陷表面散热较难相应地其表面热流密度较小因此凹陷表面上的沸腾冷却区较宽

    应当还有其他因素影响沸腾冷却区的宽度它们的影响规律通常?#37096;?#20197;用上述三个关系?#25509;?#20197;说明这里就不再讨论了?#23548;?#20919;却中看到的沸腾冷却区宽度应当是所有影响因素共同作为的结果

    二 重新认识不同散热方式的贡献大小

    ?#38142;ˣ?#21487;以对水性和油性介质中淬火时工件和探棒表面的冷却过程做新的整体的描述并重新认识不同散热方式在淬火冷却中的重要程度了

    第一 工件表面上在移动着的交界线的前方是蒸汽膜笼罩区紧跟在交界线之后的通常是宽度很小的形如带状的沸腾冷却区沸腾冷却区的后边界以下的工件表面温度约等于所用介质的沸点温度Tb后边界之后是短暂存在的沸腾冷却区然后是对流冷却区淬火冷却过程中从工件上出现第一个超前扩展点起到最后一部分蒸汽膜区消失止3种散热方式同时存在并且共同对工件的冷却作贡献

    第二 ?#23548;?#24037;件冷却过中工件上任何部分经历沸腾冷却的时间

    都很短可以推测沸腾冷却对工件上任何部分的冷却作用都不可能很大工件上任何表面因沸腾冷却而获得的温度降低程度必然也不大据此估计在交界线扩展过程中只有当经过的表面温度接近T0沸腾冷却引起的表面温度降低才比较大而?#21271;?#38754;温度比T0低得稍多时沸腾冷却引起的表面温度降低值估计超不过几十摄氏度

    第三 工件冷却过程中从入液开始到出现第一个超前扩展点之间全部工件表面都在蒸汽膜笼罩下冷却从出现超前扩展点到蒸汽膜区完全消失期间蒸汽膜笼罩区的面积比例逐渐减小直至为零而对流冷却的区域的面积比例则从零开始逐渐增大到蒸汽膜区消失之后不久对流冷却的表面积就到达100在试验表面从蒸汽膜笼罩到完全采用对流方式散热的转换过程中带状沸腾冷却区只从试样表面扫过一次

    蒸汽膜笼罩区和以对流方式散热的区域始终比沸腾冷却区域的面积大很多加上任何表面部分经历蒸汽膜散热和对流散热方式冷却的时间都比经历沸腾冷却方式的时间要长很多因此本文认为蒸汽膜方式散热和对流方式散热对工件淬火冷却的贡献都比沸腾冷却方式的贡献要大

    第四 从出现第一个超前扩展点后不久对流散热就开?#32423;?#24037;件的淬火冷却作贡献而后工件表面上采用对流散热的部分逐渐增加到100 在部分表面开始以对流方式冷却之初虽然这些表面的温度降低到了Tb甚至更低的温度在工件内部温度却还相当高离表面越远内部温度就越高内部的组织仍然是温度足够高的过冷奥氏体 而此时工件表面同时存在蒸汽膜区沸腾冷却区和对流冷却区这就说明对于试样内部点从相当高的温度起表面对流散热方式已经开?#32423;?#23427;的冷却过程起作用了 由于这样的原因普通工件淬火冷却过程中提高对流换热的热流密度的措施不仅能获得增大工件淬?#37319;?#24230;的效果也同样能增大工件发生高温转变阶段的冷却速度

    三 三阶段理论对沸腾冷却区宽度的错误划分及其影响

    在有关液态介质中淬火冷却的问题上行?#30340;?#23384;在不少由三阶段理论引起的错误认识和不当做法为此在介绍四阶段理论和建立精细淬火冷却技术的文章中我们将结?#31995;?#26102;涉及的内容逐步指出并纠正这样一些错误

    2.1 三阶段理论划分的沸腾冷却区宽度

    图9 三阶段理论的阶?#20301;?#20998;图
    图9 三阶段理论的阶?#20301;?#20998;图

    图9是代表性的三阶段理论曲线[56]该图形明确告诉读者探棒几何?#34892;?#30340;温度在所谓特性温度以上时整个探棒都始终被蒸汽膜包裹着探棒几何?#34892;?#30340;温度在特性温度至对流冷却温度?#27573;?#26102;整个探棒表面都始终处在沸腾冷却状态而在它以同样方法划分的对流冷却阶段整个探棒才进入和保持在对流冷却状态

    这种划分的错误是非常明显的除了划分上的错误外它还使人产生这样的认识冷却的任何时候或者某一温度?#27573;?#20869;整个工件都只靠一种冷却方式冷却蒸汽膜沸腾和对流冷却方式不会同时在一个工件上起作用

    稍有热处理常识或者看过用标准探棒检测介质冷却特性的?#30805;?#30693;道探棒或者工件上总是凸出的尖角和厚度小的部分先冷却下来而凹陷和厚大部分后冷却下?#30784;?#20808;冷却下来的部位蒸汽膜阶段先结束经过沸腾冷却后也先进入对流冷却阶段无疑图9所示的冷却阶?#20301;?#20998;是错误的

    由于感觉到上述划分不合理以三阶段理论为基础又产生了另一种划分方法把图线中划分的不同冷却阶段对应的温度?#25285;?#20316;为工件或者工件表面的温度?#25285;?#32780;把曲线上对应的冷却速度?#25285;?#20316;为所有具有该温度的表面或者部分应当获得的冷却速度值同时认为冷却过程中工件上某部分的温度高低完全决定于该部分的?#34892;?#21402;度值于是在相同冷却条件下冷却的同一时刻凡是具有相同等效厚度的部分都具有相同的温度并因此处于相同的冷却阶段和具有相同的冷却进程这种认识?#27492;?#21512;理本文作者在过去很长一个时期内也?#22411;?#26679;的认识从图线可以看出冷却过程中工件表面有很大一个温度?#27573;?#22788;于沸腾冷却阶段举例?#27492;担?#22270;10是两种油性介质的冷却速度曲线如果按这种认识在N32油的冷却速度曲线上表面温度从600一直到370棬上下相差230的温度?#27573;?#20869;工件表面都以沸腾冷却方式散热而在快速淬火油15-2中淬火时工件表面从约700一直到250棬上下相差约450的温度?#27573;?#20013;始终处于沸腾冷却状态再如图11所示清水的冷却速度曲线[5]中40水中冷却时沸腾冷却的温度?#27573;?#32422;达580棻80水的约达400档

    图10 两种油的冷却特性曲线 图11 清水的冷却特性曲线

    图10 两种油的冷却特性曲线

    图11 清水的冷却特性曲线

    2.2 三阶段理论产生错误划分的原因

    从以下三方面?#27492;?#26126;这种认识的错误所在

    第一 用标准探棒测出的只是探棒几何?#34892;?#37096;位的冷却过程曲线它与探棒表面?#23548;?#20986;现的不同冷却阶段的冷却情况之间没有有规律的关系[2]

    第二 ?#27492;?#38454;段理论由于出现超前扩展点的部位的偶然性[3]交界线借用现象的存在[3]T0温度的配对规律将在后续的文章中介绍以及试样放置位向的影响将在后续的文章中介绍工件或者探棒上具有等效厚度部分的冷却进程并不相同

    第三 按三阶段理论的?#34892;?#21402;度观念在某一时刻任何具有相同等效厚度的表面都只能以一种散热方式冷却然而正如本文前面部分所述?#23548;?#24037;件冷却中即便是工件上具有相同等效厚度的表面其大部?#36136;?#38388;内都有两三种散热方式同时在起作用

    第四在图9到图11中看到的所谓沸腾冷却阶段的快速冷却效果是三种散热方式共同作用的结果而不是单纯沸腾冷却方式散热所产生的其中沸腾冷却的贡献还可能最小

    2.3 需要为水性和油性介质的冷却特性曲线正名

    应当说在热处理行?#30340;ڣ?#36825;四个方面的错误认识是普遍存在的按三阶段理论的这些错误认?#24230;?#20998;析和解决热处理工艺问题必然得出错误和?#29616;?#20559;离?#23548;?#30340;结果纠正这些错误认识需要做多方面的工作错误的源头是水性和油性介质冷却特性曲线上的蒸汽膜阶段?#34180;?#27832;腾冷却阶段?#20445;?#20197;及对流阶段的命名没有反应探棒上?#23548;?#30340;冷却情况名不正则言不顺?#20445;?#36825;才出现了上述多项错误认识因此要在今后不同介质的冷却特性的比较中继续使用已经标准化了的冷却特性检测方法和检测得到的冷却特性曲线首先要做的事是为这些冷却特性曲线的区?#20301;?#20998;正名

    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] 张克俭淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么热处理技术与装备[J]200728(2),25C28.

    [3] 张克俭王水郝学志交界线借用挑?#25509;行?#21402;度观念热处理技术与装备[J]2007, 28(3),23C28.

    [4] 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]200728(5):6-13.

    [5] ASM HandbookTMVol.4 Heat Treating[M]1991: 6991.

    [6] G.E.Totten,C.E.Bates,et al. Handbook of Quenchants and quenching Technology[M],ASM, 1993:70.


    评论
    匿名用户 [来自188.143.234.155]
    2015-11-24 01:47
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    匿名用户 [来自188.143.234.155]
    2015-11-26 00:32
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