液态淬火介质中冷却的四阶段理论

在水性介质中淬火，有时会听到爆炸声响。为了寻找产生这种声响的原因，本文从理论分析和试验观测两方面研究了：1.完整蒸汽膜保持稳定的条件，2.蒸汽膜阶段的结束过程。
　　初期的分析认为：
　　1.在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜把液态介质和工件表面分隔开。在多种影响因素中，汽-液界面能的高低对蒸汽膜的厚度和蒸汽膜阶段的长短有重要的影响。工件表面温度降低，蒸汽膜的厚度是逐渐减薄的。
　　2.即便是均匀的球体，完整蒸汽膜的破裂，也不应当是在蒸汽膜厚度均匀减薄近零时才同时发生。由于不可避免的扰动，在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当气膜厚度降低到一定的程度时，在某个起伏较大的部位，液态介质可能与工件表面接触。如果接触部位不被马上汽化，且液态介质对该表面又有较好的润湿性，则该接触区就会向固体表面扩展。本文把能够成功扩展的上述接触点称为超前接触点。扩展速度决定于相关的三个表面能(汽-液，汽-固，液-固)的大小关系。对球形工件，我们推测：当扩展速度非常快时，表面蒸汽膜中的气相介质可能被推成偏向一侧的大气泡。该大气泡因深入温度较低的液层而被迅速冷凝。这就在原来气泡所在位置形成了一个有一定真空度的真空球。周围的液体在填补该真空球时发生冲撞而产生爆炸声响。
　　开始时，试验观测的目的只有两个：1.找出一个能使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动事实，用以证明产生超前接触点的可能性。2.摄像观测上述推测中说的真空球的形成和爆炸过程。
　　主要以不同大小的均匀球体为试样。采用清水、基础油、快速油、PAG淬火液以及匀速冷却液为试验介质。
　　试验发现和认识：
　　1.观测到一种扰动现象，并对其进行了分析研究。
　　2.除部分听到爆炸声响的试样外，其它的试验中都观测到上述超前接触点现象。超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性。在均匀的球体上，出现一个超前接触点后，很难再出现第二个。蒸汽膜阶段的结束从超前接触点开始，逐渐扩展到整个球体表面。超前接触点出现的位置不同，随后的扩展途径也不同。
　　3.当接触区的扩展速度比较慢时，蒸汽膜笼罩区与已经进入沸腾冷却阶段的区域共同存在的时间比较长。而后，球体表面只存在单一的沸腾冷却方式的冷却时间相对较短。
　　4.在发生爆炸的试样上，可以观测到相似于爆炸的现象和听到爆炸声响。在发生爆炸之后的一段时间内，球体表面上既存在通常意义上的沸腾冷却区，也同时存在比较稳定的柱状蒸汽泡的冷却区。本文认为，这是沸腾冷却和蒸汽膜冷却方式共存的冷却时期。
　　5.在所做的试样中，没有观测记录到前述真空球的产生过程。因为只在极快速扩展的试样上听到爆炸声响，本文这样解释其产生原因：由于扩展在极的时间内完成，在水-固交界线上，水接触高温固态表面时发出的一连串的气泡爆裂声被人耳听成了一次爆炸声响。
　　当前，在液态淬火介质中做淬火冷却，通用的是“蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段”的三阶段理论。在本试验中出现的很多现象是三阶段理论不能解释的。
　　分析上述现象，并结合多年来研究和应用液态淬火介质的经验，本文提出了工件在液态淬火介质中冷却的四阶段理论。四阶段为：蒸汽膜阶段、中间阶段、沸腾阶段和对流阶段。中间阶段是蒸汽膜冷却区和沸腾冷却区共存的冷却阶段。中间阶段从出现超前接触点开始，到工件上同一有效厚度部位全部进入沸腾冷却阶段为止。本文预测，由于超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性，会使工件在中间阶段的冷却结果具有相当大随机波动范围。液体淬火介质的特性温度问题，就产生于这个中间阶段的特性。
　　研究和应用上述四阶段理论可以：1.更好地解释冷却特性曲线上出现的多种差异和变化。2.指导热处理工作者更好地选择和应用液态淬火介质。3.为计算机模拟工件冷却过程提供提高计算准确度的改进方向。