淬火介质冷却曲线测定数据处理
淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么
第28卷第2期2007年4月热处理技术与装备RECHUL I J I SHU Y U ZHUANG BE I Vol .28,No .2Ap r,2007收稿日期:2006-11-28作者简介:张克俭(1945-),男,工学博士,主要从事淬火介质产品开发及其应用技术的研究工作・试验研究・淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么张克俭(北京华立精细化工公司 北京 102200)摘 要:在用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 文献标识码: B 文章编号: 1673-4971(2007)02-0025-04W ha t Cooli n g Ra te Curve of Quench i n g M ed i a I m pli esZhang Ke 2jian(Beijing Huali Fine Che m ical Company L td .Beijing 102200,China )Abstract:The visual phenomena occurred ar ound the quench p r obe were recorded with digital video ca 2mera during standard test of quenching media .It was found that partiti on of cooling p r ocess according t o the measured cooling rate curve is not t otally corres ponding t o what were visually observed .The reas ons of this discrepancy are discussed .It is concluded the cooling p r ocess of actual quenched parts can not be ac 2curately p redicted by merely using the measured cooling rate curves of quenching media,which are only app licable f or comparis on of characteristics of different quenching media .Key words:quenchant;cooling curve;cooling curve test;si m ulati on of quenching p r ocess;heat treat m ent technol ogy1 淬火介质冷却特性曲线的应用情况与存在的疑问近二十年来,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。
冷却特性曲线
淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么摘要：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四周的状况。
对比发现，按测得的冷却特性曲线的外形划分的冷却阶段，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往划分探棒所处的冷却阶段；凭测出的冷却特性曲线不可能正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；热处理工艺一、淬火介质冷却特性曲线的应用情况与存在的疑问近二十年来，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碰到的热处理质量和技术题目，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？对这个题目，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,以及行业内着名专家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，都可以通过期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。
淬火介质冷却过程中的数值计算
文 章 编 号 ：０７—１ １０ ￣Ｘ（０２ ０ —０ １２ ４ ２ ０ ）４ ０ ４ —０
淬 火 介 质 冷 却 过 程 中的 数 值 计 算
胡 志 东 ， 晓 莉 鲍
．
（ 武汉理工 大学 材料 科学与工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ 化情况来 分析淬火介 质的冷 却能力 。着重论 述 了测得探 头 中心温 度之 后 ， 反推
现在 已知 导 热微 分 方 程 ， 应 的初 始 条 件 和 对 中心点 温度 ， 要反 推 出边 界 条 件 即表 面 温度 值 。 需 人 们 提 出 了多 种方 案 构 建 此 时 的数 学 模 型 ， 此处 介 绍 反 问题解 析 法 ， 点 分析 有 限差 分 法 。 重
２ １ 反 问题解 析 法 ．
维普资讯
第 ２ 卷第 ４期 ４
胡 志东等 ： 淬火介 质冷却过程 中的数值计算
１３ ４
阶导 数 ， 易 产 生较 大 的误 差 。 容 对 于银 探 头 ， 述 级数 收 敛很 快 ， 般 求前 几 上 一 阶导 数 即可 。但 不 锈 钢 材 料 的探 头 导 热 性 差 、 导 温 系数 小 ， 级 数形 式 精 确 收敛 很慢 ， 使 在进 行 多 次
是 圆 柱 探 头 的 半 径 。此 边 界 条 件 是 建 立 数 学模 型 需要 求 解 的量 。
初 始 条件 ： ｔ ｒ ｒ ； （ ， ）Ｉ ０＝ ｔ ６
式中， ６ ｔ是探头放人加 热炉 中冷却前 的初 始 温 度 ， ｒ ＝０时 刻探 头 各 点 温度 相 同。 在 除上面条件外 ， 探头 的中心温度 ｔ ｒ 可 以 ） （ 通过实验装置 ， 比较精确地测得 ， 也是已知条件。 ｔ（ ）＝ ｔ ｒ ｒ ， ０ ｒ （ ， ）Ｉ；
淬火介质的冷却曲线、冷却性能及选用
淬火介质的冷却曲线、冷却性能及选用选择淬火介质，应当同时兼顾到对淬火介质冷却特性、稳定性、可操作性、经济性和环保等方面的要求。
在这些要求中，最重要的是淬火介质的冷却特性。
本文将以推理方式入手，通过分析讨论，提出一套从冷却特性选择淬火介质的可实用的原则方法。
钢件淬火冷却，希望的效果有三：1．获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度；2．不淬裂；3．淬火变形小。
选好用好淬火介质是同时获得这三项效果的基本保证。
当前，国内外多以国际标准方法（ISO9950）测定，并用冷却速度曲线来表征淬火介质的冷却特性。
但是，对特定工件（即在钢种、形状大小和热处理要求一定）的情况下，如何从冷却特性上去选择合适的淬火介质？在生产现场，一个淬火槽中往往要淬多种不同钢种、形状、大小和热处理要求的工件。
在这种情况下，如何选定它们共同适用的一种淬火液？一般的热处理车间，为满足所有工件的热处理要求，应当配备几种淬火液？──关于这类实际生产需要解决的问题，至今研究很少。
有人[1、2]做过一些工作，但都提不出系统实用的原则方法。
本文以过去工作为[4、6]基础，从讨论实际生产中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手，通过推理和实例分析，提出了对特定工件按冷却速度分布选择淬火介质的方法，并进而确定了能供多种工件淬火的一种淬火液的选择原则。
1 特定工件淬火的最低和最高冷却速度分布线从普通机油和自来水的冷却速度分布（如图1）可以看出，普通机油的冷却速度慢，因而不少工件在其中淬不硬；而自来水的冷却速度又太快，以致于多数钢种不能在其中淬火。
在图中，自来水和普通机油之间有一个宽广的"中间地带"，只有普通机油和自来水的工厂，时常会遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻烦，原因就在这里。
可以推知，对于一种这样的工件，如果将机油的冷却速度提高，该工件淬火硬度也会相应提高。
我们假定，当机油的冷却速度提高到图2中带齿线水平时，该工件刚好可以得到要求的淬火硬度。
淬火冷却介质的特性曲线及应用
冷却特性曲线的说明淬火介质的冷却过程分三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾冷却阶段、对流冷却阶段（见下图所示）。
用符合ISO9950标准的ivf冷却特性测试仪测出的冷却特性曲线（如下图）有几个特征值对淬火油的淬硬能力有重要影响。
第一个是油蒸汽膜冷却阶段向沸腾冷却阶段转变的温度，即图中A点对应的温度，叫做（上）特征温度;第二个是出现最高冷却速度的温度，即图中B点对应的温度;第三个是最高冷却速度值，即B点对应的冷却速度值;第四个是对流开始温度，即C点对应的温度。
如何从冷却特性选用淬火介质热处理淬火介质，用的首先是它的冷却性能。
因此，在确定介质的类别后，我们主张按介质的冷却特性来选择介质的品种。
比如，当我们确定应当选用快速淬火油后，具体的品种就应当根据工件特点和热处理要求从油的冷却速度分布上去选。
不管选用何种淬火介质，大致都可以按以下五条原则进行选择。
一看钢的含碳量多少── 含碳量低的钢有可能在冷却的高温阶段析出先共析铁素体，其过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度（即所谓"鼻尖"位置的温度）较高，马氏体起点（Ms）也较高。
因此，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸汽膜阶段，且其出现最高冷却速度的温度应当较高。
相反，对含碳量较高的钢，淬火介质的蒸汽膜阶段可以更长些，出现最高冷却速度的温度也应当低些。
二看钢的淬透性高低——淬透性差的钢要求用冷却速度快的淬火介质，淬透性好的钢则可以用冷却速度慢一些的介质。
通常，随着钢的淬透性提高，过冷奥氏体分解转变的“C”曲线会向右下方移动。
所以，对淬透性差的钢，选用的淬火介质出现最高冷却速度的温度应当高些；而淬透性好的钢则低些。
有些淬透性好的钢过冷奥氏体容易发生贝氏体转变，要避开其贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。
三看工件的有效厚度大小——如果工件的表面一冷到Ms点，就立即大大减慢介质的冷却速度，则工件内部的热量向淬火介质散失的速度也就立即放慢，这必然使工件表面一定深度以内的过冷奥氏体冷不到Ms点就发生非马氏体转变，其结果，淬火后工件只有很薄的马氏体层。
淬火介质冷却过程中的数值计算
淬火介质冷却过程中的数值计算淬火是金属材料加工工艺中一项基本的工艺，也是金属材料性能改善的有效手段之一。
它的功能是提高金属材料的硬度、强度和抗拉性。
当金属材料经过淬火时，需要控制温度等参数，这要求淬火介质冷却过程的数值计算必不可少。
淬火介质冷却过程的数值计算，首先要考虑的是淬火过程所需要的介质冷却系统。
介质冷却系统包括冷却管、冷却液和冷却风机等组成部分，这些部分之间必须协调有序，以确保淬火过程的成功。
其次，需要确定介质冷却系统的参数，包括管路尺寸、液位面高度、温度传感器位置等，以及确定冷却介质的流速和流量。
此外，还需要考虑淬火过程中的材料特性，如塑性变形、应力应变分布等，以及淬火进程中的各种温度应力变化和反应。
有了这些因素，就可以建立淬火过程中的数值模型。
数值模型的建立需要考虑很多因素，其中一个重要的概念是换热系数。
换热系数描述了在换热设备内部，介质冷却过程中温度变化情况。
换热系数可以通过介质冷却系统的试验来确定，也可以用理论方法计算得出，由于它是一个系统化的概念，也可以通过数据库的方式获得。
综上所述，淬火介质冷却过程的数值计算包括介质冷却系统的设计、换热系数的确定、淬火过程中材料特性的考虑以及温度应力变化及反应的分析等。
它不仅可以用于淬火过程的优化设计，而且可以为实验提供重要的参考。
本文通过介绍淬火介质冷却过程中的数值计算，从而为金属材料性能改善提供参考。
在此过程中，数值模型的建立关键在于确定介质冷却系统的参数，同时还需要考虑淬火过程中的材料特性、温度应力变化及反应等因素。
未来，数值计算技术的发展将在淬火介质冷却过程中发挥重要作用，将为金属材料性能改善提供更多有效的技术支持。
淬火介质的冷却特性曲线
淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么摘要：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四周的状况。
对比发现，按测得的冷却特性曲线的外形划分的冷却阶段，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往划分探棒所处的冷却阶段；凭测出的冷却特性曲线不可能正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；热处理工艺一、淬火介质冷却特性曲线的应用情况与存在的疑问近二十年来，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碰到的热处理质量和技术题目，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？对这个题目，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,以及行业内着名专家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，都可以通过期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。
冷却特性曲线
冷却特性曲线淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么摘要：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四周的状况。
对比发现，按测得的冷却特性曲线的外形划分的冷却阶段，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往划分探棒所处的冷却阶段；凭测出的冷却特性曲线不可能正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；热处理工艺一、淬火介质冷却特性曲线的应用情况与存在的疑问近二十年来，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碰到的热处理质量和技术题目，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？对这个题目，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,以及行业内着名专家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，都可以通过期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。
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淬火介质冷却曲线测定数据处理
一、三种介质在20℃模拟淬火冷却曲线
1、20度水淬火冷却
温度850 800 750 700 650 600 550 500 450 400
时间0.00 1.25 2.90 3.75 4.10 4.45 4.75 5.15 5.50 6.00
温度350 300 250 200 150 100 50
时间 6.55 7.25 8.25 9.70 11.60 14.90 19.95
2、20度油淬火冷却
温度850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 时间0.00 2.00 3.65 4.50 4.95 5.30 5.85 6.40 7.15 8.15 温度350 300 250 200 150 100 50
时间10.15 12.65 17.60 27.65 44.30 69.30 119.30
3、20度10%硫酸钠溶液淬火冷却
二、20℃时三种介质冷却速度特性曲线
4、20℃水，油，10%42SO Na 冷却速度特性曲线
温度 850 800 750 700 650 600 550
500
450 400 时间 0.00 0.30 0.50 0.70 0.88 1.08 1.30 1.54 1.82 2.14
温度 350 300 250 200 150 100
50
时间 2.52
3.02
3.70
4.70
6.36
11.36 21.36
20℃冷却速度特性曲线
淬火介质 温度/℃
850
800
750
700
650
600
550
500
450
水 速度/1
-⨯s m 10.00 10.00 12.58 24.82 55.70 88.46 91.67 87.12 81.17
油 25.00 27.65 44.56 84.97 126.98 116.88 90.91 78.79 58.33
10%42SO Na 166.67 208.33 250.00 263.89 263.89 238.64 217.80 193.45 167.41
淬火介质 温度/℃
400 350 300 250 200 150 100 50 水 速度/1
-⨯s m 66.96 55.06 41.67 31.02 20.62 12.47
7.51 5.00 油 37.50 22.50 15.05 7.54
3.99 2.50
1.50 1.00 10%42SO Na 143.91 115.79 86.76 61.76 40.06 20.06
7.50
5.00
20℃水，油，10%42SO Na 冷却速度特性曲线
三、水和10%硫酸钠在不同温度下淬火曲线对比
5、水和10%42SO Na 在20℃和70℃下模拟淬火冷却曲线对比
不同温度不同介质的模拟冷却曲线
淬火介质 温度/℃
850 800 750 700 650 600 550 500 450 20/℃水 时间/S
0 1.25 2.9 3.75 4.1 4.45 4.75 5.15 5.5 20/℃10%42SO Na
0.3
0.5
0.7
0.88
1.08
1.3
1.54
1.82
70/℃ 水 0 5 10 13.3 14.75 15.4 15.9 16.5 17.05 70/℃10%42SO Na 0
0.62 0.92 1.2 1.48 1.78 2.12 2.48 2.86 淬火介质 温度/℃
400 350 300
250
200 150 100 50 20/℃水 时间/S
6 6.55 7.25 8.25 9.
7 11.6 14.9 19.95 20/℃10%42SO Na
2.14
2.52
3.02
3.7
4.7
6.36
11.36
21.36
70/℃ 水 17.75 18.55 19.6 21
22.9 26.25 31.24 41.24 70/℃10%42SO Na 3.26
3.72
4.22 4.88
5.88
7.88
12.88
22.88
20℃水和10%42SO Na 淬火冷却曲线对比
70℃水和10%42SO Na 淬火冷却曲线对比。