铝用淬火介质的研究

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1、铝用淬火介质的研究74—4一、前言　　最一般的铝淬火介质也就是水它采用浸渍，各种喷射，喷雾等方法进行淬火。在浸渍的情况下，冷却速度可借助水温来达到调节。此外，还有最严重视的浸渍淬火介质油，硝石和最近的液态氮。硝石在等温淬火和回火处理时使用。　　直到最近出现了水溶性有机添加剂。这种有机物具有在冷水中溶解，而在温水中不溶解的特性。　　对这种淬火介质，工业界当然表示出很大的关心，其中波音公司特别积极，最近它发表了研究的结果。　　本文的目的在于介绍有关所谓绝热薄膜概念中热传导的原理和现象的考察。这个概念是重要的

2、，因为考虑它为理解随着温度上升溶解度反而减小的添加剂性能打下了基础。　　利用市场上出售的这种添加剂研究了冷却速度的效果，机械性能达到的程度，淬火件的抗腐蚀性，板材淬火的变形等。并且，讨论了在物件上残留的添加剂对以后的工序的影响。此外，对复杂形状铸件的淬火介质在常温下的水溶液和沸水进行了比较。二　热传导(一)沸腾　　淬火时，铝是从454℃开始被冷却到149℃或149℃以下，同时，铝浸渍淬火过程中，能够引起液体的沸腾。沸腾的热传导通常分为三个部分，或者三个阶段，即稳定薄膜阶段，过度阶段和为了固体表面温度下降

3、的中心沸腾阶段。最近，研究者论述了有关沸腾热传导的可相当引人注目的见解。　　Bradfield发表了他发现的关于在稳定薄膜阶段的低温领域内液体和固体的接触。如果按他研究的结果，则认为不论淬火时或稳定状态时固体与液体的接触最少也超过全部面积的50%，接触是短时间的或者是有点连续的倾向要根据表面的粗糙度，过冷、热传导率等条件来决定。　　Bradfield又作了下面的论述。在淬火试验时能够清楚地看到，由于表面积接触大的液体瞬间蒸发而引起过于激烈的流体力学的搅动。并且清楚地了解到部分的液体与固体的接触，在中心沸

4、腾的低温范围内也存在，当变为对流热传导的阶段时，逐渐地产生完全接触。　　Rohsenow论述了沸腾热传导时的中心沸腾现象，指出不同部位的表面热损失的比例有很大的差别。他得出结论，认为以表面空孔为中心进行沸腾的说法比均质中心沸腾的说法要恰当，而且与试验也是一致的。　　Bradfleld为了在稳定薄膜沸腾中，减少突然沸腾的倾向，附加了金属表面粗糙化(68-200.10-6-时均方根值)的过程。另外，Rohsenow指出并用Clarke.Streng.Wehster等的照片证明，直径为3×10-4～3.3×1

5、0-5吋的微小孔和宽约5×10-4吋的磨痕与中心沸腾的中心位置是一致的。　　从这些论述能够得出下面的结论：即在沸腾热传导阶段和半连续薄膜阶段的固体和液体的接触在“稳定薄膜阶段”也能存在，金属表面的粗糙度对沸腾液体的热传导有影响。这些影响是局部的，其效果表明在淬火中部件表面温度不同的部位有显著的差别。(二)沸腾热传导现象的分析　　如果Wilson按的试验，把用铬酸阳极氧化处理后的锻件，在沸水中淬火，此时的冷却曲线和不用阳极氧化处理，在70℃水中淬火的曲线则大体是一致的。　　在1953年，在TMS金属部门研

6、究所的讲演会上VanHorn介绍了类似的例子。如果按照他的论述，14S园柱体在淬火时与碱腐蚀液发生反应生成黑色氧化铜膜，然后放入沸水中淬火时的冷却曲线和把其膜剥掉后，在冷水中淬火时的冷却曲线相同，把这两种经过淬火的园柱体再作应力分析，就可以清楚地了解到残余应力是相同的。　　不论Wilson或者VanHorn对常温下形成的氧化膜，都注意到了它延伸的一点。阳极氧化膜在加热中确实引起微妙的破裂或者是微小裂纹。腐蚀析出物也与原来一样形成不均匀的分布，对此可进行进一步的热处理。结果认为，在两例的表面上进行局部热传

7、导是非常不同的。　　Cowley.Timso和Sawdye于1962年发表了完善地说明Wilson和VanHorn以前所报告的试验的论文。下面引用了他们这些论文中的概要内容。由于用绝热材料包覆固体，能够把沸腾阶段从稳定薄膜沸腾状态变化为热传导率比较高的，可能不稳定的过渡薄膜沸腾状态或者是中心沸腾状态。在他们研究过程中主要采用液体氮作冷却介质。此外对铝、黄铜、钢、不锈钢进行了试验。用沸水和沸腾有机介质作冷却介质也具有提高热传导率的效果。　　虽然CoweyTimson和Sdwdye研究的结果是明确的，但是如

8、果绝热薄膜具有均匀，连续的适当厚度，则通常像大部分金属表面上发生的那样热传导率没有进行所谓的减少——增加——减少的变化，而可能是单调的变化。所以，认为据根Cowley等的绝热薄膜的概念可能控制表面上对热流的阻力。(三)液体氮的淬火　　当在液体氮中淬火时，热传导在常温下也能达到稳定薄膜沸腾阶段。当液体和固体没有接触时，铝富有延伸性，热传导率保持稳定不变。也有的报告说液体氮的冷却能力只有水的1/25。这个稳定薄膜沸腾的存在，在Dullberg的