淬火介质冷却机制的再探讨及其应用
好富顿公司 陈春怀
摘要： 本文首先从传热学角度对淬火冷却的过程进行了描述，对普遍流行的淬火介质三个阶段进行了分析和界定，指出膜沸腾，泡沸腾，对流传热是与界面热交换联系在一起的，是针对表面局部区域的。基于此对ivf的测试结果和实际应用过程进行了对比，指出实际物体表面各部分并不同时进行传热阶段转换，ivf仪只是近似地代表表面的综合换热过程，根据它的测试结果来划分换热阶段是不严谨的。由于不同换热阶段的换热效率不同，取得良好淬火效果的关键在于减少不同表面部位热交换阶段转换的不同时性。
关键词：淬火，淬火介质，冷却机制，ivf仪
1， 三阶段冷却机制回顾
淬火冷却是涉及膜沸腾、核态(泡)沸腾和传导的复合传热过程。图1是不锈钢丝的池内沸腾曲线[1]，横坐标是不锈钢丝与周围介质的温差(过热度)，纵坐标是热流密度。在AB阶段，过热度较小，主要是对流传热，传热效率低;B点以后，随着过热度增加，工件表面开始出现核(泡)沸腾，气泡通过形核、长大和跃离加热元件表面对周围介质造成强烈扰动，使冷的介质直接不断地和热表面接触，传热迅速加快，在C点达到最大值。随着过热度进一步增加，传热途径可能有两种，一是恒热流加热，传热沿CF进行，过热度大大增加。另一是通常的传热途径即沿CD进行，随着过热度增加，介质不断汽化，以致钢丝表面的蒸汽相互连成一片，形成蒸汽膜。蒸汽膜的形成阻碍了热表面和冷介质之间的直接接触，导致传热效率下降，此阶段的蒸汽膜是动态的、局部的和不稳定的，随着过热度进一步增加，汽化不断增加，蒸汽膜越来越稳定，面积也越来越大，传热效率不断降低，最后达到D点，或Leidenfrost 点，形成了覆盖整个热工件表面稳定的蒸汽膜，传热效率降到最低点，越过D点，过热度增加，辐射传热增加，传热效率随之增加。
一般认为，工件淬火冷却和上述过程相反[2]。开始冷却时，工件和介质温差很大，在ED段，形成稳定的膜态沸腾，在DC段，蒸汽膜不稳定，C点过热度以下蒸汽膜已不复存在，C点的传热效率最高;DCB段是核态沸腾阶段，汽泡在工件表面形成、长大和跃离时，将淬火介质从表面排开，汽泡跃离表面后液体又流回来，冷的淬火介质不断和工件表面接触，并产生强烈扰动，所以换热效率较高，冷却能力较强。低于B点，过热度进一步降低，不能继续维持沸腾，进入对流阶段。需要注意具体应用条件，不锈钢丝在池中加热的传热曲线，心部表面是同一的，长度上基本上是均匀的。也就是说，如果我们用之对实际物体淬火冷却机制进行描述时，它的限制条件应该是，1)限定在表面换热;2)固定在其中一点(局部区域)，简言之，应是表面一点(局部)换热过程，它是膜沸腾，泡沸腾和对流。 笔者认为用膜沸腾术语代替蒸汽膜，更能提示其本质，因为对于和热的工件表面接触的介质而言，其变化过程只是气态(沸腾)和液态(对流)，膜沸腾和泡沸腾表达只是其沸腾后形成的状态不同，本质上都是由于沸腾引起的。其实，这里的限制条件也是很好容易理解的，因为只有表面才参加换热，心部并不与介质接触，谈不上冷却阶段转换，心部到表面的热的传递只是一个物体中的传导传热，是表面换热的综合反映;对于实际物体，外表面不同点的温度不同，过热度不同，所以，一般不会整个物体外表面同时进行传热阶段的转换。下面对此进一步进行论述。
2， 实际物体的心部换热效果是表面各点表面换热的综合反映
图2 是用ivf仪测试的淬火介质的冷却曲线[3]，并被广泛用来例举淬火介质冷却的三阶段传热理论。即：在D点以前是蒸汽膜(膜沸腾)阶段，D点到B点是沸腾(泡沸腾)阶段，在B点以后，从B到A，是对流阶段。
如果对照前面提到的“表面一点”的限定条件，严格讲，用此来表征传热阶段的转换是不准确的。 因为ivf的实质是将热电偶焊接在12.5x60mm的Inconel600合金圆柱体的几何中心，所测量的是几何中心的温度变化情况。 如上所述，物体的心部实际上是不参与换热的，故谈不上三个冷却阶段，它反应的只是整个圆柱体表面换热的综合效果，而实际表面换热时，各点的换热阶段是不同的，因此，用ivf仪测得的曲线来描述换热的三个不同阶段是不准确的，它只是表面换热的近似和综合反映。
如果要使上图有一定意义，就要假设ivf仪测量的心部近似代替表面的换热情况，这显然有一定误差，而且随着材料不同，探头的尺寸大小不同，换热情况相差较大。图3是用银探头和Incol 600 的探头的测试比较[4]，探头材料不同，其代表表面换热转换不同，银探头显示的转换温度比Incol600 合金的更滞后(转换温度更低)。
对于实际物体，其换热过程因为表面各处温度显著差异，进入膜沸腾，泡沸腾和对流的先后有明显差别。 图4是在圆柱物体表面不同位置所测的冷却速度[5]，图5是实际转换过程。
从冷却图和淬入冷却过程可以看出，刚淬入时，表面是均匀的蒸汽膜层。下端部点3，由于温度最低，所以很快从膜沸腾到泡沸腾，随后上端部的点4的温度下降，也进入从膜沸腾到泡沸腾的过渡，随着圆柱部的其它点的温度不断降低，逐次不断从膜沸腾向泡沸腾转换，在d阶段，在下部实际上已经进入对流，而在中部偏上区域仍然是膜沸腾阶段，同时存在着膜沸腾，泡沸腾和对流传热，嗣后，整个圆柱面逐步进入对流阶段。以上分析表明，实际淬火过程中，由于表面各点的温度不同，其进入膜沸腾，泡沸腾和对流传热的时间不同，很可能的情形是同时存在膜沸腾，泡沸腾和对流传热。心部的测量结果只能是一个综合的传热效果，不宜用其来标识冷却的不同阶段。
如果实际工件的形状更加复杂，则表面不同处的换热状态差别更大，图6是所示的常见的圆柱的不同部位的冷速状态[6],左图是冷却速度，右图是根据表面冷速计算的换热系数。从图可见不仅各点的冷速转换差别很大，而且其冷却速度也不同，反映在换热系数上，也是同样差别。
3， 减少表面不同部位的换热的不同时性是获得均匀淬火的关键
表面不同部位的温度不同，从而从膜沸腾转入泡沸腾的时间不同，温度低的进入得早，进入泡沸腾后，由于传热加剧，又进一步地加强了表面的不均匀性。这种不均匀性会最终产生热应力或组织应力，是组织性能差距以及变形开裂的根本原因。所以，减少表面冷却不均匀性是稳定和提高淬火质量和减少变形的有效手段。可用的方法有：
l 改善工件形状，减少界面突然变化。
l 改善装夹方式，使各面冷却均匀。
l 适当提高淬火介质温度，减少温差。
l 改善介质润湿性能，改进冷却均匀性。
l 改善搅拌，改善整个工件的冷却均匀性。
加强搅拌，能促进工件在热的工件表面的流动，一方面增强冷却，另一方面降低了蒸汽膜的不稳定性，促进了从膜沸腾到泡沸腾的转变，从而提高冷速的均匀性。图7是在不同搅拌情况下，PEO聚合物淬火介质的不同冷却阶段的转换过程，可见搅拌降低蒸汽膜稳定性，改进了冷却均匀性。 对于实际整个淬火槽，则还要考虑搅拌本身的均匀性。图8是对淬火槽中不同区位介质的流动速度进行实测[7]，验证流动均匀性和流动强度[7]。图9是进而用流体计算机辅助设计对工件表面的介质流动速度进行模拟[8]，以对装料方式和搅拌方式进行改进，取得了良好的效果。
4， 小结
l 淬火冷却阶段的蒸汽膜阶段称为膜沸腾更能体现有物态变化介质的沸腾换热的本质和特点。
l 有物态变化的淬火介质的换热过程可以分为膜沸腾，泡沸腾和对流传热。即所谓三段冷却机制。
l 三段冷却机制的限制条件是基于表面一点(局部)。
l 实际工件在冷却过程中不同表面各点的换热转变并不同时，不存在表面换热阶段的同时转换。在心部测试的换热只是不同表面的近似或综合反映。
l 减少工件表面换热转换的不同时性是保证淬火质量的关键，改进搅拌促进均匀换热的有效手段之一。
参考文献
1, 徐济均.沸腾传热及气液两相流.北京:原子能出版社,1993:63-69.
2，J.Bodin, Measurement and Evaluation of the Queching Power of Quenching Media
for Hardening, Proceedings of the First International Conference on
Quenching & Control of Distortion Sept.1992
3, S.O. Segerberg . Controlling the quench process for more consisitent hardening. Heat
Treating, 1988.5
4, S. Segerberg and J.Bodin. Investigation of Quenching Conditions and Heat Transfer in the
Laboratory and in the Industry. IFHF 3rd International Seminar “Quenching and
Carburising” in Melbourne, Australia, 2-5, Sept 1991
5, C.E.Bates, G,E,Totten, R.L.Brenna. Quenching of Steel:71
6, J.Bodin and S.Segerberg. Further invistigations of quenching codintions and heat transfer
in hardening steel components.
7, Houghton 内部资料, 2008
8, Houghton 内部资料,2010
Abstract
This paper reviews the cooling mechanism of quenchants, and restricts it at a fixed area on the parts surface. Due to the temperature difference, the transfer from film boiling to nuclei boiling varies along different locations on the surface. The key for quality quenching is to reduce such difference, while agitation is one of most useful tool to this end.
Key Words: Quenching, Quechants, Cooling mechanism, ivf meter.
陈春怀 男 ,1963年6月生，博士，主要从事淬火介质和金属加工润滑介质的研究开发，应用优化等工作。 联系电话：021-67742570