吊重法测蒸汽膜厚度(一)

　　工件在水性或油性介质中淬火冷却,几乎都要经历蒸汽膜冷却阶段。但是,在有关淬火冷却的技术工作中,没有人关心过蒸汽膜的厚度大小;在常见的热处理书刊上,也没有见到过有关蒸汽膜厚度的报导。我们通常所说的蒸汽膜,实际上是包裹在高温试样表面的介质蒸汽层。因为该蒸汽层很薄,常把它简称为蒸汽膜。试样某表面部分的蒸汽膜厚度,指的是在该处表面的法线方向上,从试样表面到气/液界面的距离。近年的研究认为,要确定诱导锥的最小高度以及隔离堤与工件表面间的最大间隙,都需要知道蒸汽膜的实际厚度值[1, 2]。最新的研究又发现:工件表面在蒸汽膜笼罩下冷却的温度范围远比过去认为的要大,因此就贡献大小而论,蒸汽膜冷却方式对工件淬火冷却的贡献也远比想象的更多[3]。在四阶段理论基础上,用计算机模拟计算工件的冷却过程,将成为精细淬火冷却技术的重要内容。而蒸汽膜冷却区域的换热情况必然与蒸汽膜的厚度密切相关。为此,热处理行业应当对蒸汽膜冷却过程,包括蒸汽膜厚度及其影响因素开展更多的研究工作。无疑,这类研究工作要做的第一件事,应当是实际测量蒸汽膜的厚度。作为一种尝试,本文提出了测量蒸汽膜厚度的吊重法,并用这种方法实际测量了匀速冷却液和60SN基础油的蒸汽膜厚度。

　　1　蒸汽膜厚度测量方法的探寻

　　蒸汽膜的特点使常用于测量小尺度的游标卡尺和千分表派不上用场。于是,不得不考虑其他的测量方法。

　　1.1　借助摄像机的直观测量法的可行性探讨

　　让人首先想到的是借助摄像机或者照相机的直观测量法。具体做法是,用摄像或者照相方法记录试样的冷却过程,然后在获得的照片上测量并推算蒸汽膜的厚度。摄像机记录的,也就是我们用眼睛看到的东西。因此,用照片测算蒸汽膜厚度的方法也属于直观测量法。

　　然而,在试验观测中,我们早就注意到这样一些貌似奇怪的现象。用球体试样时,在保持完整蒸汽膜期间,通常多能看到很厚的蒸汽膜,如图1所示图中看到,直径30mm的圆球试样在10%的PAG淬火液中冷却之初,球体被厚厚的蒸汽膜包裹着。用圆柱试样时,从圆柱侧面也能看到较大厚度的蒸汽膜。但是,用方形试样时,却只能凭蒸汽膜所具有的反光特性,看到很薄的蒸汽膜。

　　奇怪的是,当球体试样上出现了超前扩展点,蒸汽膜不再完整时,球体上缺少蒸汽膜部分一下子就“变”大了。此刻,凭肉眼判断,失去蒸汽膜后,球体长得与蒸汽膜球壳几乎一样大。从图2中的两张照片,很容易看到这种变化。在圆柱试样上,也能看到这样的变化。