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1、毕业设计论文题目： 交变流型真空高压气淬炉 淬火过程数值模拟 单位： 专业： 姓名： 2008年 月 日摘 要真空高压气淬技术是二十一世纪最有发展前途的一种真空热处理技术。工件的冷却速度与均温性是真空高压气淬技术的关键指标，也是设计开发高压气淬炉的依据。本论文针对这一问题，采用数值模拟的方法，着重讨论了气体种类、压力对喷嘴型式真空高压气淬炉淬火性能的影响。利用Gambit软件建立几何模型，再用大型计算流体动力学软件Fluent分别对同一压力，不同气体以及同种气体，不同压力等情况进行计算模拟，从而得到各种工况下淬火工件的温度分布，流场分布，通过对模拟计算结果的分析，找出合理淬火气体和淬火条件，从
2、理论上指导试验工作，减少试验的盲目性，为提高淬火性能提供科学的理论依据。 关键词：真空高压气淬；流场；温度场；数值模拟AbstractThe vacuum high pressure quenching technique is the most developing vacuum heat treating technique in twenty-first center. Cooling speed and average temperature nature of workpieres is the key level of the vacuum high pressure quench
3、ing technique, and dependent of design and exploitation of high pressure quenching stove.The articles that aim for this problem, adopting method of numerical simulation, discuss the affect of nature of the vacuum high pressure quenching technique by a kind and pressure of gas. With the development o
4、f the computer technique, it can carry out the calculator emulation that annoys the quenching to the vacuum high pressure. This paper uses the Gambit software to establish several models of workpieces and vacuum high pressure gas quenching furnace, then use the large calculation hydrodynamics softwa
5、re Fluent difference to the same pressure, different air and the same race gas, the circumstance of different pressure carries on the calculation simulation, thus can get the temperature field of the quenching workpieces under various work condition, the contour of flow field, the end, finds out the
6、 reasonable quenching gases and the quenching conditions, guiding to experiment the work in the theories, reducing the blindness of experiment.keyword：Vacuum high-pressure gas quenching; Flow field; Temperature field; Numerical simulation目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 真空高压气淬设备和技术国内外的研究概况11.2.1 国外研究情
7、况11.2.2 国内研究情况21.3 淬火过程计算机模拟31.4 本论文研究的主要内容32 真空高压淬火理论及方案的建立52.1 引言52.2 传热机理52.3 真空高压气淬概述62.4 理论方程中的基本简化和假设72.5 流体流动与传热控制方程72.6 计算区域和控制方程的离散92.6.1 空间区域离散化92.6.2 控制方程的离散102.6.3 压力与速度的修正112.6.4 近壁面附近区域的处理壁面函数法122.6.5 边界条件132.7 高压气淬淬火效果主要影响因素142.8 模型方程求解方法和步骤172.9 小结173 几何模型的建立193.1 Gambit软件的简介193.2 工件
8、材料的热物性参数193.3 建立几何模型203.4 网格划分214 淬火过程数值模拟234.1 Fluent软件简介234.2 Fluent求解步骤234.3 氮气在不同压力下数值模拟244.4 三种气体在同一压力下的计算模拟315 结论39参考文献411 绪论1.1 引言真空高压气淬作为一种真空热处理技术，是在真空状态下将被处理工件加热，而后在高压力高速度的冷却气体中进行快速冷却使之硬化。由于它有着一些其它油淬和水淬不可比拟的优点, 近年来在各个领域得到了广泛的应用。随着计算机技术的发展，采用计算机模拟能快速有效低成本地解决实际问题，尤其是淬火过程复杂的气体对流换热过程，通过模拟计算可以对影
9、响高压气淬效果的工艺参数提出合理的设计建议，能更好地控制淬火过程，达到满意的淬火效果。这也是目前国内外研究的一个大方向。本文即是在此背景下，围绕快速换热这个前沿核心问题，通过对各种气体参数进行模拟分析，总结规律，提出改进真空高压气淬设备性能和技术的措施。1.2 真空高压气淬设备和技术国内外的研究概况由于我国的真空高压气淬技术起步较晚，所以与西方先进国家相比还是有一定差距的。1.2.1 国外研究情况锅外真空高压气淬设备研究起步较早，发展较快，技术和设备比较先进普及，像美国、德国、日本、英国、瑞典等国家都有多个生产厂家。1975年，德国Ipsen公司研制出第一台压力为0.2MPa的加压气淬炉，19
10、77年又研制出第一台压力0.5MPa的VTC型高压气淬炉，该炉为单室卧式，气体流动方式为单向流型，后改造成VTTC型立式结构，气流交替从顶部和底部流入、流出；该公司的VUTK-524型带对流辐射加热系统的真空高压气淬炉，气流可以从上下和左右流入、流出炉膛。美国Hayes公司生产的VCH炉型是外循环喷嘴型炉， 压力为0.5MPa ，气体流速为45m/s，属大流率型气淬炉，换热器和风机都在炉外，冷却效果好，但占地面积大。1982年美国Abar Ipsen 公司研制出圆周喷嘴喷射气体的0.5MPa高压气淬炉；1989年研制出0.6MPaVTTC-K型高压气淬炉，具有对流加热辐射系统及等温分级淬火控制
11、系统，气体经可摆动气体分配盘流入。1989年德国Degussa公司的VKSQ型气淬炉将淬火压力提高到1.0MPa和2.0MPa，对流辐射加热到700，对2.0MPa的气淬炉，采用氦气或氦气、氮气混合气体冷却，并带有氦气回收装置。1992年德国Leybold公司，研制出带有对流辐射加热系统和马氏体等温分级淬火控制系统的双室真空高压气淬炉，用氦气将压力提高到2.0MPa，用氢气将压力提高到4.0MPa，研制开发的氦气回收系统正在使用之中。1992年美国Seco/Warwick公司设计的VPT型0.6，1.0，2.0MPa真空高压气淬炉，也具有对流加热系统和马氏体等温分级淬火系统，气体从圆周喷嘴喷射
12、流入。1993年和1995年美国的Abar Ipsen公司和瑞典的IVF公司也先后研制出2.0MPa氦气冷却的高压气淬炉。1.2.2 国内研究情况我国自二十世纪八十年代开始，有关科研院所及真空炉主要制造厂家开始投入大量的人力、物力着手开发研制真空高压气淬设备，在引进和借鉴了许多国外先进技术设备之后，近二十多年来发展也很迅速。首都航天机械公司1985年研制出可充气0.15MPa的加压气淬炉，1988年经改进将气冷压力提高到0.2MPa，1991年研制出高流率气淬炉。沈阳真空技术研究所于1986年研制出可充气0.2MPa的加压气淬炉，并于1989年研制出我国第一台充气压力可达0.6MPa的HPV-
13、200型高压气淬炉，填补了国产真空高压气淬炉的空白。目前其主要真空气淬设备有：0.6MPaVQG系列，0.2MPaVPG系列，0.6MPa带对流加热系统的VQGD系列等,许多设备销往国外。目前还致力于将气淬压力提高到1.5MPa的超高压气淬设备的研制。北京华翔机电技术公司于1989年研制出我国第一台加压高流率气淬炉，又于1991年研制出高压高流率气淬炉，还开发出具有低温对流加热装置的HDQ-70型真空高压高流率淬火炉。目前其主要产品有：压力为0.6MPa的HZQ系列高压高流率气冷真空炉，压力为0.20.6MPa的HZQL系列立式底装料气冷真空炉。另外，还有北京华海中谊真空炉制造公司研制的压力为
14、0.6MPa的VGQ系列、VOGQ3系列高压高流率气冷真空炉；北京机电研究所研制的压力为0.2MPa的WZJQ系列双室、WZDJQ系列单室真空加压气淬炉，WZQ-15型双室负压高流率真空气冷炉。1.3 淬火过程计算机模拟随着计算机技术的发展和数值计算的广泛应用，计算机模拟（或称数值模拟） 得到了迅猛发展。数值模拟是以物理模型为基础，建立数学模型，并使用计算机求解各场量。淬火过程的计算机模拟就是利用计算机求解各场量的数值解。这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布，应力分布与工艺参数的函数关系，但是它能对工件的温度场组织场和应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场组织场和应力场的分布，并且直接地观察
15、到各场量在淬火过程中的变化情况。淬火过程是多个场的耦合过程，主要涉及到淬火介质流场和温度场、工件温度场、工件显微组织场和工件的内应力场，各场量之间相互影响、相互作用，主要表现为：（1）淬火介质流场、温度场对淬火工件温度场的作用和影响（淬火介质流场和温度场直接影响工件与淬火介质对换热系数，从而影响工件的温度场）；（2）淬火工件的温度场反过来影响淬火介质的流场和温度场；（3）淬火工件温度场对工件组织转变的作用和影响（不同的转变温度对应不同的组织）；（4）淬火工件显微组织场对工件温度场的作用和影响（工件组织转变时会产生相变潜热，从而影响淬火工件温度场）；（5）淬火工件组织转变对内应力场、应变场的作用
16、和影响（工件组织转变引起体积的改变，由于工件内部各部分温度分布和变化不均匀，所以工件内部各部分的组织转变量不同，各部分的膨胀量也不同，因而在工件内部就会产生组织应力和应变）；（6）淬火工件内应力场、应变场反过来对组织转变又有一定影响（如在应力作用下工件会改变等温转变时间和终了转变时间以及会产生相变塑性等）；（7）淬火工件内部温度场对内应力场、应变场的作用和影响（由于工件内部各部分温度分布不均匀，温度引起各部分变形不同，因而会产生热应力和热应变）；（8）工件内应力场和应变场反过来又影响工件温 度场（在热应力作用下工件发生变形，产生变形功，其中大部分要转化为热能，从而影响工件的温度分布）。1.4
17、本论文研究的主要内容本论文主要是对交变流型真空高压气淬炉进行流场温度场进行耦合模拟计算。主要工作内容包括：(1)应用 Gambit 软件建立交变流型真空高压气淬炉的模型(2)将模型导入Fluent进行计算处理，完成 6bar压力 下氮气、氩气、氦气 作为淬火气体时淬火过程的数值模拟，氮气作为淬火气体时在 6bar，10bar,15bar 压力下的计算。(3)对上述情况，相同压力下，不同气体作为淬火介质，以及不同压力下，同气体的计算结果进行处理分析，得出气体的冷却特性，以及冷却能力受压力变化的影响。2 真空高压淬火理论及方案的建立2.1 引言高压气淬过程工件冷却主要靠工件与周围气体之间的对流换热
18、，气体的流动情况直接决定了工件的冷却速度。淬火气体在炉腔内的流动雷诺数Re大于临界雷诺数,属于湍流流动。湍流是流体一种高度复杂的非稳态三维流动，其中流体的各项物理参数都随时间和空间发生随机变化，但其统计平均值是有规律的。解决湍流问题的模型有零方程模型、一方程模型和双方程模型。本章针对真空高压气淬湍流流动换热的特点, 采用基于Reynolds时均法建立的模型列出适合的控制方程，模型在各类长度标尺方程中形式最简单，对靠近壁面的区域计算最方便，因而得到广泛应用，是一个经过实践检验较为成功的模型。对计算区域和控制方程进行离散，并针对高压气淬过程的特点确定计算模型的边界条件，为以后的计算机模拟工作打下了
19、基础。2.2 传热机理真空炉中气淬过程的传热机理如下：工件的热量通过直接辐射到冷壁上的热传递和循环气体的对流传热带走。循环气体的对流传热为关键因素。工件的冷却速率 Q 与介质气体的对流传热系数 H，工件的表面积 s 以及工件与介质气体间的温度差 T 的关系为：Q HS D T(2.1)式中，表面积 s 取决于工件的形状，薄壁空心件表面积大，冷却快，实心件表面积小，冷却慢。温差 T取决于换热器的换热能力，在介质气体选定、工件形状一定的情况下，提高 T可有效地提高冷却速率。气体的对流传热系数 H 与气体种类及参与传热的气体量有关。气体量的多少是用压力和体积二者来共同表征的。气淬时气体在工件和换热器
20、间循环流动，气体的流量取决于压力和流速。2.3 真空高压气淬概述图2.1 真空高压气淬热处理过程图真空高压气淬技术具有油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点：（1）工件表面质量好，无氧化、无增碳；（2）淬火均匀性好，工件变形小；（3）淬火强度可控性好，冷却速度能通过改变气体压力和流速进行控制；（4）生产率高，省掉了淬火后的清洗工作；（5）无环境污染等，使得真空高压气淬在近三十年时间内得到了迅速发展、推广和应用。真空高压气淬热处理过程如图2.1所示。将工件装入真空高压气淬炉中，用真空泵将加热室抽空，达到一定真空度时开始加热，通常要经过预热使工件温度和炉温相同，当工件达到奥氏体转化温度后保温，保温结束后
21、阀门把抽气系统与加热室隔开，然后向炉内和淬火回路充入一定压力的淬火气体，打开鼓风机，强制气体流入管道，通过淬火流道将冷气体喷到工件上，热气通过排气孔流经热交换器冷却，通过连续的淬火回路反复循环来实现工件迅速冷却的金相要求，使工件得到硬化。为了使工件在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须先将工件加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式（或速度）冷却，以获得所需要的组织和性能。加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小以及加热后未熔入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状况等都对工件的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。随着人们对真空加热过程
22、的深入认识和真空热处理技术的不断发展，对真空高压气淬工艺过程的改进主要集中在真空加热周期的加热温度和加热时间。例如在真空高压气淬设备中引入真空低温对流辐射加热系统大幅缩短了真空加热时间。传统的真空高压气淬设备，加热在真空中进行，主要靠辐射传热，而辐射加热只有在760以上才能表现出明显效果，为了在低温下实现均匀而迅速地加热，采用往炉内通入惰性或中性气体的方式来实现从150800时对流加热，即真空低温对流辐射加热。对流辐射加热比单纯的辐射加热能减少50%的加热时间，缩短了整个淬火周期，同时有效降低了加热工件内部的热应力，为减小工件变形提供了前提条件。长久以来，真空热处理人士对真空高压气淬技术更多关
23、注的是高压气体淬火阶段，高压气淬虽然具备许多油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点，但由于是气体淬火，淬火烈度和冷却速度没有油冷淬火和盐浴淬火来得快，高压气淬能处理何种材料工件、气冷后工件的硬度是否能达到需用要求、能淬透多大截面工件以及如何能够提高气体淬火的能力，自上世纪八十年代以来人们一直在摸索，试图通过大量的实验研究和从基础理论的角度出发得到一些规律和准则。2.4 理论方程中的基本简化和假设真空高压气淬理论计算区域选定为喷口进出口、隔热屏和炉腔围成的空间，计算对象为工件和淬火气体，根据其流动传热特点对数学模型做出如下的合理简化和假设。（1）淬火流场中气体的流动为低速流，可视为不可压理想流体；（2
24、）气体的流动为风机引起的强迫对流，可忽略密度变化所引起的浮升力对气体流动的影响；（3）气体流动为低速不可压缩流动,可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热。2.5 流体流动与传热控制方程流体在流动过程中遵循机械运动的普遍规律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，由此可导出流体力学最基本的连续方程、动量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程。另外对于不同特点的流体，可以根据热力学状态参数（压力、密度、温度等）之间的关系，推出能反映这种关系的状态方程，这种关系与相应的单值条件构成了求解未知量的封闭方程组。如果直接求解三维非稳态的控制方程需要采用对计算机的内存与速度要求很高的直接
25、模拟方法，目前无法应用于工程计算。工程中广为采用的是对非稳态Navier-Stokes方程做时间平均的方程。为了模拟气体湍流的流动和换热，引入了Reynolds时均方程法，即将非稳态控制方程对时间作平均，在所得到的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，所得方程的个数小于未知数的个数，而且不可能靠进一步的时均处理而使控制方程封闭。而要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型。把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的参量的函数，这是目前工程湍流计算中所采用的基本方法。按Reynolds时均方程法，任意变量的时间平均值定义为： (2.2)在k方程中，,为紊流动能
26、产生在Reynolds时均方程法中，又有Reynolds应力方程法和湍流粘性系数法。本文采用的双方程模型属于湍流粘性系数法。在流动与传热问题中模型在三维直角坐标系中主要变量u、v、w、T、k、可用一通用控制方程表示85： (2.3)公式(2.3)中各项分别表示非稳态项、对流项、扩散项和源项。在连续方程、动量方程（N-S方程）、能量方程、湍流脉动动能方程（k方程）、湍流脉动动能耗散率方程（方程）中每项的具体表现型式如下。1、 质量守恒方程（连续方程）连续方程中因变量，扩散系数，源项，方程可写为： (2.4)2、动量守恒方程（N-S方程）动量方程中， ，为有效粘性系数，和分别为层流和湍流粘度系数，
27、源项S为：u： (2.5)v： (2.6)w:： (2.7)3、能量守恒方程在能量方程中，为层流Prandtl数，经验常数，忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热，源项为工件发生相变时所释放的相变潜热。4、湍流脉动动能方程（k方程）项： (2.8)5、湍流脉动动能耗散率方程（方程）在方程中， 双方程中,为经验常数，。6、理想气体状态方程淬火气体满足理想气体状态方程 (2.9)2.6 计算区域和控制方程的离散对流动与传热问题进行数值计算的第一步是区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成多个子区域并确定每个区域中的节点，即网格生成。生成网格后就要将控制方程离散化，即将描写流动与传热过程
28、的偏微分方程转化成为各个节点上的代数方程组。采用有限容积法对微分方程进行离散分析。2.6.1 空间区域离散化为了避免因矢量和标量都定义在同一主节点上而带来的不合理压力场的出现，采用不均匀交错网格，即将速度分量的求解存储在主网格的界面上进行，压力、温度、湍流动能及湍流动能耗散率求解在主网格节点上进行，流体物性参数也放在主网格节点上。各变量的控制容积以变量所在位置为中心，速度分量控制容积与主控制容积之间在各方向上有半个步长的错位。图2.2 交错网格示意图2.6.2 控制方程的离散本文采用有限容积法中的控制容积积分法对控制方程进行离散。控制容积法是把计算域分成许多互不重叠的控制容积，并使每一个网格节
29、点都有一个控制容积所包围，对每一个控制容积积分控制方程。控制容积法具有对任何数目的网格节点都能满足质量、动量和能量等的守恒性。应用控制容积积分法导出离散方程首先将守恒型的控制方程在任意控制容积及时间间隔内对空间与时间积分，从相邻节点的函数值确定控制容积界面上被求函数值的插值形式，写成关于节点上未知值的代数方程。对控制方程的通用形式导出离散方程为： (2.10)式中 (2.11a) (2.11b) (2.11c) (2.11d) (2.11e) (2.11f) (2.11g) (2.11h) (2.11i)界面上的流量与扩导的计算式为：， (2.12a)， (2.12b)， (2.12c)， (
30、2.121d)， (2.12e)， (2.12f)贝克列数为： (2.13)上述各式中为格式函数，其形式因对流项所取的差分格式而异。就目前而言，对流项的差分格式主要有中心差分、迎风差分、混合差分和乘方差分等格式，其中乘方格式虽然计算较为麻烦，但其精度高于其它形式，本文采用乘方格式。2.6.3 压力与速度的修正求解离散形式的动量方程方法有耦合求解法和分离求解法，本文采用分离式求解法。动量方程中包含了压力梯度项，但压力场本身没有控制方程，压力与速度的关系隐含在连续方程中，只有通过对连续方程的求解间接确定。本文采用压力修正法求解速度与压力的耦合问题。对于给定的压力场（初始假定的或者上一层次计算所得）
31、求解N-S方程，但速度场未必能满足连续方程的要求，必须对压力场进行修正。将满足N-S方程的压力与速度代入连续方程的离散形式，得出压力修正方程。由压力修正方程得到压力改进值，进而再去改进速度，得出在该迭代步上满足连续方程的解。然后用此新的速度值去改进N-S方程离散形式的系数，以开始下一层次的计算。对于假定的压力场，与此相对应的速度为、。将压力改进值与之差记为，即压力修正值，相应的速度修正量为、，把改进后的速度与压力代入到动量离散方程中有： (2.14)因、是根据由该离散方程解出的，故满足： (2.15)两式相减得： (2.16)为了简化方程和加快计算速度，采用SIMPLE算法（Sime-Impl
32、icit Method for Pressure-Linked Equations），即略去由于周围节点引起的压力变化，即，则速度修正公式变换为： (2.17a)类似可得： (2.17b) (2.17c)改进后的速度为： (2.18a) (2.18b) (2.18c)这样就将动量方程的求解转化为求解压力修正值，从而求得改进的速度场，压力修正值的代数离散方程为： (2.19)2.6.4 近壁面附近区域的处理壁面函数法在流体边界层中沿着壁面法向流动一般可分为壁面区和核心区，而壁面区又可进一步分为粘性底层、过渡层和对数律层。粘性底层是紧贴固体表面的极薄的一层，粘性切应力起主要作用，流动可认为处于层流
33、状态，速度分布为线性分布。对数律层离壁面较远，流体主要受湍流切应力的影响，流体流动呈完全湍流状态，速度分布服从对数分布律，适合用高Re数模型。过渡层则是介于粘性底层和对数律层之间极薄的层，在该层中粘性切应力和湍流切应力相当，流动极为复杂。显然在计算时应在壁面附近要加密网格，并在位于层流底层中的网格节点上运用低Re数模型，而在对数律层中运用高Re数模型，但这样势必加大计算工作量，对计算机内存要求也很高，是非常不经济的。目前人们较多采用的是经过分析和归纳实验结果而得的壁面函数（Wall-Function），其基本假定为：（1） 邻近壁面的无量纲速度和温度服从对数分布： (2.20)式中，经验常数，
34、为第一个内节点P到壁面的距离，为P点的湍流动能。 (2.21)式中、分别是分子数和湍流Prandtl数。（2） 在划分网格时，把第一个内节点布置到以上对数分布成立的区域内，即粘性底层以外的区域；（3） 对于与壁面平行的流速，第一个内节P点与壁面之间的区域的当量粘性系数为： (2.22)有效导热系数为: (2.23)k方程满足： (2.24)P点的湍流动能脉动率为： (2.25)2.6.5 边界条件边界条件包括初始条件、进、出口条件、对称面条件等。1、 初始条件初始条件是求解过程开始时各求解量的空间分布。本论文初始条件是给定初始温度，即时，2、 进口条件进口条件是指进口处的速度、温度、压力、湍流
35、动能及湍流动能耗散率等。本文中进口流量和进口温度是已知给定的，而且在进口截面上是均匀分布的，其它如进口压力、进口速度、进口湍流动能及湍流动能耗散率等参数是在迭代过程中不断进行调整的。进口压力是确定进口密度、进口速度等其它参数的基础，由于没有求解进口压力的方程，所以在迭代过程中通过对内部节点压力值的线性外推获得进口压力。进口密度根据理想气体状态方程求得。假定进口处只有垂直于进口截面的速度而且假设进口截面上流量分布均匀，则进口速度为： (2.26)进口湍流动能k在无实测值可依据时，可取来流的平均动能的一个百分数92，本论文取： (2.27) (2.28)式中为混合长度： (2.29)式中R为进口管
36、直径，y为计算点到进口管壁面的距离。对于不可压缩流体的流场计算，我们所关心的是流场中各点之间的压力差而不是其绝对值。流体的绝对压力常比流经计算区域的压差要高出几个数量级，如果维持在压力绝对值的水平上进行数值计算，则压差的计算就会导致较大的相对误差。为了减少计算中的舍入误差，可以适当地选择流场中某点的绝对压力为零，而所有其它点的压力都是对该参考点而言。本论文选择压力出口面上相对压力为零，计算所得的压力值是相对于该点的压力。3、 对称面条件在对称面上所有变量垂直于对称面方向的导数为零，而且对称面上只有平行于对称面的速度。在本论文中取结构的Y轴和Z轴为对称轴，在Y轴对称面上有： (2.30) (2.
37、31)4、 固定壁面条件固定壁面处采用无滑移条件，即固定壁面上的垂直和平行于壁面的速度均为零： (2.32)2.7 高压气淬淬火效果主要影响因素淬火效果主要是指工件的冷却速度、淬火深度和淬火均匀性。冷却速度能保证工件具有足够的硬度；淬火深度影响处理工件的尺寸和装炉量；淬火均匀性能使工件具有均匀的硬度和最小的变形。影响工件冷却速度的因素很多，主要有：淬火气体压力、淬火气体流量、淬火气体类型、换热器的换热能力、炉膛结构和炉膛内工件布置方式等。其中对冷却速度影响最为显著的因素是淬火气体的压力和流率，也是二十世纪七八十年代国外研究较多的问题；而通过改变淬火气体类型来提高冷速的研究自二十世纪九十年代初才
38、开始，也是目前国际上研究的热点之一；炉膛结构和工件在炉膛内的布置方式复杂，对冷却速率的影响最难定量描述。大量的实验结果表明增大气体压力，工件的冷却速度会有明显提高。但随着压力的继续提高冷却时间减少程度变慢。在德国、美国、日本等国家二十世纪七八十年代普遍采用的气淬压力是0.50.6MPa，在该压力下基本能够满足工件疏散装炉时高速钢、热作模具钢、冷作模具钢、有限截面马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的淬火硬度要求。提高气体压力与增加气体流率对传热系数的影响是相同的。究竟是提高气体压力来得容易还是增加流量来得容易，这在国外也引起过争议。美国强调加大气体流量，通过采用较大的风扇、高容量风机、气体喷嘴或导气管引
39、导气流来实现。他们认为采用高流率气淬，降低了高压容器的设计难度，节省了6070%的气体耗量。欧洲则把重点放在提高气体压力上，采用高压气淬，他们认为提高气体压力较增大流量所需增加电机驱动力少，还可在冷却过程对淬火压力随时进行调整来控制工件变形。对于淬火气体流量对冷速的影响所进行的实验研究也较多，有关实验结果表明，流量加大，冷速提高，但并不是随流量的无限增加冷速在无限提高。四种常用的淬火气体是氢气、氦气、氮气和氩气，关于它们冷却能力的比较所进行的实验研究也较多，有关实验结果表明，其冷却能力依次是氢气氦气氮气氩气。提高换热器换热能力降低冷却气体的温度可以加快冷却速度，主要途径有: 加大内外温差降低冷
40、却水的温度和增大换热器换热面积等。在工件材料一定的情况下，工件装炉量、形状和尺寸及排布方式对冷速都有影响。Segerberg和Troell在2.0MPa的氦气炉中对装炉量对淬火速度的影响进行了测试27，实验表明，装炉量从30kg增到56kg时，淬火速度由45/s降为40/s，下降了10%20%。工件截面尺寸大时，淬火均匀性差，淬火速度慢。即使在不改变工件装炉量和尺寸时，工件分布也能影响冷速。在一个炉子内，热交换系数并不是一个常数，而是存在着变化的，如在最大紊流气流方向，可获得较大的传热，工件垂直气流方向排放比平行排放传热效果好。实验表明，炉区内工件的排布方式不同，如将工件分成两层或三层，每层内
41、工件的传热系数不同，层与层之间也存在差别。传热系数沿着气流的方向在减小，这是由于气体吹过工件时在不断被加热的原因，如气流从顶部吹向底部时，三层排列时的传热系数情况是：顶层中间层底层。气淬压力不但影响工件的冷却速度，还将影响到其淬火深度。0.6MPa的气淬炉在处理密集装炉的工件、低合金钢及大截面工具钢等时已显得无能为力，如气淬AISIH10工具钢时，在0.6MPa氮气下硬度达到50HRC的淬火深度为110mm,1.0MPa氮气下为130mm，而2.0MPa氮气下可达170mm ，于是二十世纪八十年代末期，在国外1.0MPa以上的超高压气淬炉逐渐得到了研制开发和应用。在1.02.0MPa的气压下，
42、可使所有高速钢、热作模具钢、冷作模具钢Cr13钢及一些油淬合金钢都能在密集装料条件下进行淬硬处理。影响工件淬火均匀性的主要因素是炉内气体的流动方式。常见的气体流动方式有：单向流动型、交变流动型和向心（喷嘴）流动型。 （a）单向流型 （b）静态交变流型 （c）动态交变流型 （d）喷嘴型图2.3 不同结构的气流方式最早出现的高压气淬设备只是在热室顶部有一个送气口，气流为从顶部流入，从底部流出的单向流动，如图2.3（a）所示。这种结构型式简单，冷速较快，但是产生的工件变形较大和硬度不均匀，尤其当工件处于气流之中时。这是因为当气流流过工件换热时，定向流动会产生气体脱体的现象，即同一工件上不同位置表面接触状况不同，将不可避免地导致物体表面的温度梯度，产生变形。为了改善这种情况出现了气体的交变流型，交变流型有多种型式。如图2.3（b），气流交替从上、下静态阀门充入、流出，这种结构流阻小，冷却较均匀，气流方向的控制一般采用时间控制，有时也可采用温差控制，但是这种结构可能会产生气流的“回旋效果”实验结果表明其冷却能力明显下降。另一种交变流型结构如图2.3（c）所示，顶部和底部各有一个可以左右摆动的动态气体分配器，气流呈扇形扫过工件区，从不同角度吹向各个工件，使工件能够均匀冷却，克服了固定喷吹时工件间的屏蔽的弊端，这种结构可大大减小工件变形
