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发表于《热处理技术与装备》2007年第2期
摘 要：在标准测试仪检测淬火介质冷却特性的同时，用摄像机摄录了探棒周围的状况。对比发现，按测得的冷却特性曲线的形状划分的冷却阶段，与探棒表面实际发生的冷却情况大不相同。说明了产生这种差异的原因。通过分析和推理，得出了结论：不能从淬火介质的冷却特性曲线去划分探棒所处的冷却阶段；凭测出的冷却特性曲线不可能准确推算实际工件可能获得的冷却情况；淬火介质的冷却特性曲线只宜用在介质冷却特性的相互对比中。
关键词：淬火介质；冷却特性曲线；冷却特性检测；冷却过程计算；热处理工艺
中图分类号：TG154.4 文献分类号：B 文章编号：1673-4971（2007）02-0025-04
What Cooling Rate Curve of Quenching Media Implies?
Zhang Ke-jian
Beijing Huali Fine Chemical Company Ltd. Beijing 102200
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.
Keywords：quenchant; cooling curve; cooling curve test; simulation of quenching process; heat treatment technology
一、淬火介质冷却特性曲线的应用情况与存在的疑问
图1 液态介质中淬火冷却的阶段划分和各阶段的散热机理
近二十年来，淬火介质冷却特性曲线的应用给热处理行业带来了不小的技术进步。现在，淬火介质的开发研究，介质的比较和选择，热处理生产中的产品质量控制，甚至分析和解决生产中遇到的热处理质量和技术问题，都已离不开淬火介质的冷却特性曲线了。但是，这些冷却特性曲线究竟能告诉我们些什么？对这个问题，行业内已经有了基本一致的答案。极具权威性的美国金属手册[1]上,以及行业内知名专家G.E.Totten的专著[2]上提供的解释很具代表性，如图1所示。图中阶段A通称冷却的蒸汽膜阶段（也称膜沸腾阶段），阶段B通称沸腾阶段（也称泡沸腾阶段），阶段C称为对流阶段。在蒸汽膜阶段，整个试块被蒸汽膜包围着。在沸腾冷却阶段，整个试块表面都在发生沸腾。而到了对流冷却阶段，则通过对流传热使试块冷却。图中任一曲线上的点，都可以通过时间或者温度坐标找到另一曲线上的对应点。其它的书刊资料上，液态淬火介质的冷却特性曲线，不管采用什么样的检测标准，都按图1所示的方式划分冷却的阶段和解释各阶段的冷却机理。
在淬火介质的研究和评价中，通常用图1所示的两种曲线来表示和比较介质的冷却特性。从冷却速度曲线上，指出淬火介质的特性温度、出现最高冷却速度的温度和最高冷却速度值，以及对流开始温度。从冷却过程曲线上，通常指出从800℃冷却到400℃（或者300℃）所需的时间。有人还把冷却速度曲线上各温度对应的冷却速度值，直接或间接作为实际生产中工件在相同温度下获得的冷却速度值来加以利用。
众所周知，在同样冷却条件下小工件冷得快，而大工件冷得慢。根据这一常理，人们会理所当然地把它与淬火介质的冷却速度曲线联系起来。由此产生这样的认识：在相同冷却条件下，工件上具有相同有效厚度的部分，都应当获得相同的冷却进程和冷却效果；并且，都可以在淬火介质的冷却特性曲线上找到它们的温度、冷却速度和冷却时间的对应关系。
考虑到测温的热电偶热端在探棒的几何中心，以及探棒形状因素的影响，对上述认识和做法的准确性，我们一直持有一些怀疑。为了澄清这方面的诸多疑团，在完成“液态淬火介质中冷却的四阶段理论”的研究后，通过试验和观测，研究了本课题。研究的目的有三个：
1、审查现行认识和用途的合理性。2、如果有问题，就找出产生问题的原因。3、并确定淬火介质冷却特性曲线的合理应用场合和合理应用限度。
二、试验方法和试验结果
图2 50℃基础油的试验和观测结果对照图
1、试验方法和仪器
在检测淬火介质的冷却特性的过程中，用摄像机同步观测记录探棒表面发生的现象。为了获得更清晰的图像，采用的是无色或者颜色很浅，而且透明性很好的淬火介质品种。比如清水、盐水、精炼程度很高的基础油、快速淬火油和PAG淬火液等介质。
检测淬火介质冷却特性用的是ivf仪。摄像用的是松下NV－GS11型摄像机。采用1/100秒的快门速度，每秒拍摄25张图片。
试验中通常采用850℃的加热温度。水性介质的液温在10℃～70℃内选取；油性介质的液温在30℃～100℃内选取。
2、试验结果
试验获得了通常所见的淬火介质的冷却特性曲线，又获得了探棒冷却过程中表面附近冷却情况的摄像资料。下面以清水、基础油和快速淬火油作为代表，介绍本文的试验结果。其中，把冷却速度曲线上一些选定点对应的摄像观测结果以示意图形式画在同一张图上。
基础油的冷却特性曲线与多个选定点的冷却状况如示如图2。快速淬火油的冷却特性曲线与多个选定点的冷却状况如图3所示。60℃清水的冷却特性曲线与多个选定点的冷却状况如图4所示。
图3 50℃快速淬火油的试验和观测结果对照图
图4 60℃清水的试验和观测结果对照图
三、试验结果分析
1、冷却特性曲线与冷却介质散热阶段的关系
研究分析的重点放在三方面：一是介质的冷却特性曲线与摄像观测到的冷却情况之间的关系。二是不同淬火介质的冷却特性和摄像结果之间的共性规律。三是冷却特性曲线与工件实际的冷却情况之间的关系
稍加注意就会发现：冷却特性曲线上选定点所处的冷却阶段，和同一时刻探棒上实际发生的冷却阶段大不相同。主要表现在：
a）除了蒸汽膜阶段之初，如图2中第1点以外，在所有其它的选定点上，实际发生的冷却状况都与介质冷却特性曲线上所指的阶段构成不同。
b）在介质的冷却特性曲线上，除冷却阶段的分界点外，一定的探棒温度，都对应着一种单一的冷却阶段。但是，摄像结果表明，在大部分冷却过程中，探棒上不同部位都存在二、三个冷却阶段。比如，即便在特别令人关注的特性温度点上，在基础油中试验时，探棒的上下两端都早已进入了沸腾冷却阶段。这说明当时探棒表明同时存在两个冷却阶段。在快速淬火油和60℃清水的特性温度点，探棒上同时存在着三种冷却阶段。在出现最高冷却速度的时刻，三种介质中探棒上都同时存在三个冷却阶段；但是不同介质中各阶段所占的比例却不相同。对流开始温度上，在基础油和快速淬火油中也还存在三个冷却阶段。清水中试验时，在对流开始点，探棒的中上段还处在沸腾冷却阶段；说明同时存在两个冷却阶段。
c）对不同介质品种，比较了冷却特性曲线上的特性温度、出现最高冷却速度的温度，以及对流开始温度时，摄像图片上的冷却阶段数和各阶段所占的比例。结果证明，不同介质之间没有找到共同之处。
d)所有这些结果都说明：现行的淬火介质冷却特性曲线与摄像观测到的冷却阶段之间，没有简单的对应关系。因此，不能从淬火介质的冷却特性曲线去划分探棒所处的冷却阶段。
2、 淬火介质的冷却特性曲线是如何形成的
凭淬火介质中冷却的三阶段理论（如图1所示的划分法），以及有效厚度就能决定冷却进程的认识，无法解释图1所示冷却特性曲线的形成原因。比如，按图1所示的阶段划分，一冷到所谓的特性温度点，整个探棒就会进入沸腾冷却阶段。由于当时探棒的温度很高，相应的冷却速度曲线上应当出现整个冷却过程的最高冷却速度值。但图线中最高冷却速度值都出现在更低的温度上。事实上，这里涉及到两个问题：一是测量温度的热电偶热端位于探棒的几何中心。它所测出的是内部点的温度变化。二是决定探棒某点冷却特性的因素，除了探棒本身的传热学特性外，冷却介质在不同温度的散热机理（阶段）又起着非常重要的作用。最新提出的“液态淬火介质中冷却的四阶段理论”则容易解释这一问题。四阶段理论认为，在液态淬火介质中冷却的机理，可按工件温度高低划分成：蒸汽膜阶段、中间阶段、沸腾阶段和对流阶段。中间阶段有其特定的成因和独有的特性[3]。详细内容请查看原文。这里只分析内部点的温度变化，用以说明图2～4对应的观测结果上常常存在2，3个冷却阶段的原因。
图5 冷却过程中，内部点向其更外部分散热的方向
淬火冷却过程中，内部某点P的温度降低是通过向更外部分散热来实现的，如图5所示。产生这种散热的最终原因是液体介质对工件表面的冷却作用。远近不同的表面部分被冷却，再通过热传导使P点冷却下来。不管参与冷却的表面处于蒸汽膜阶段、沸腾阶段、还是对流阶段，离P点越近，其降温情况对P点产生影响就越早；离 P点越远，其降温情况对P点产生影响就越迟。因此，任何时刻P点实际的冷却情况是在该时刻之前一定时间范围内，远近不同的表面所受冷却情况的综合影响的结果。内部点的冷却特性曲线，表述的就是这种影响随时间的变化和随P点温度的变化情况。通常用来描述淬火介质冷却特性的图线，也正是这类曲线。它们既不是工件（探棒）表面的冷却过程曲线，也不是工件（探棒）表面获得的冷却速度随表面温度变化的曲线。用这样的曲线来划分液态淬火介质中冷却的三阶段，无疑是不恰当的。
四、冷却特性曲线和实际工件的冷却情况的关系
淬火介质的冷却特性大多采用热电偶法来测量。因所用探棒的材质、形状大小和热电偶位置不同，又形成了不同的测量标准。标准不同，测得的冷却特性曲线也不同。出于对英寸和厘米，华氏和摄氏等换算关系的习惯，人们曾试图建立不同标准测出的冷却特性之间的换算关系。但是，这方面的努力都以失败告终。至今，热处理行业不得不面对这样一个事实：同一种淬火介质，用不同标准检测所得的冷却特性曲线之间，没有固定关系的可比性。在此，“没有可比性”指的是不同标准检测的冷却特性之间没有能通用的，即有规律的换算关系。为什么没有可比性？关于这一问题，将在后续的文章中用四阶段理论来加以解释。在此，只想借用这一事实来帮助我们分析本节提出的问题。
以上述“不同标准检测出的冷却特性曲线之间没有可比性”这一事实为依据，如果把实际工件看成是具有不同材质、形状大小和热电偶位置的另一种探棒；那么，在一种淬火介质中淬火的工件所获得的冷却特性，与采用某种标准的冷却特性仪检测出来的同一介质的冷却特性之间也同样没有可比性。换句话说说，淬火介质的冷却特性曲线不能用来（准确）推算实际工件的冷却过程。
再进一步，依据同样的推理，又可以得出下一个结论：所有标准方法检测出的冷却特性曲线与实际工件的冷却特性之间都没有可比性。
最后，依据同样的道理，还可以得出这样的结论：在同一淬火介质中冷却时，不同形状大小和材质的工件的冷却特性之间，也没有可比性。
五、淬火介质冷却特性曲线的合理用途
前面的讨论已经说明，虽然淬火介质的冷却特性曲线对热处理工作者很有帮助，但它们的作用也不宜扩大化。简单说，淬火介质的冷却特性曲线的合理应用范围可以归纳成以下几方面：
1、检测淬火介质产品的冷却特性。对比不同产品在冷却特性上的差异。既可定性，也可定量。主要适于淬火介质的研究开发、产品的检验、选择等场合。
2、了解使用中淬火介质冷却特性的稳定性和变化程度。既可定性，也可定量。主要适于热处理生产单位的质量管理，以及分析解决工件热处理技术和质量问题等场合。
3、定性预测不同工件的淬火硬度高低和淬硬层深度的大小。主要用于为不同工件选择淬火介质，以及介绍不同淬火介质的适于范围等场合。
参考文献
[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]张克俭，王水，郝学志，液态淬火介质中冷却的四阶段理论[J]，热处理技术与装备，2006,6:14-25.
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