上方工件表面的加熱作用。其結(jié)果，在具有相同有效厚度的工件外表面中，上方表面就比 下方表面冷卻得慢；而且，軸類工件越長，層流層被加熱的路程就越長，由此造成的工件上 下方的冷卻速度之差也會越大。所有軸類工件以及具有軸形區(qū)段的工件（其它形狀工件上 的軸形區(qū)段），當以垂直方式淬火時，都必然存在這種問題。
[0036] 這里所說的循環(huán)對流只發(fā)生在蒸汽膜內(nèi)中間部分到液面之間的氣體內(nèi)，如圖3所 示。因為接觸溫度不超過介質(zhì)液相的沸點，最外層氣體的溫度最低，而且，它還會被液面進 一步冷卻，因此，最外層氣體會有向下流動的趨勢；而其另一邊的挨近中間部分的氣體，因 為離工件表面更近，來自工件方向的加熱作用更強，溫度會進一步升高，因而會有向上流動 的趨勢。在這兩種趨勢的作用下，最終會形成如圖3所示的分成多段的循環(huán)對流花紋。所 述的循環(huán)對流都只在每個區(qū)段內(nèi)進行。對工件的淬火冷卻過程，循環(huán)對流有兩大作用。第 一，把從液面蒸發(fā)出來的介質(zhì)蒸汽輸送到層流層中。第二是，以熱對流方式把工件散失出來 的熱量輸送到液面。這些熱量將消耗于液面介質(zhì)蒸發(fā)中，或者傳輸?shù)揭好嬉酝獾慕橘|(zhì)中。
[0037] 第二個因素中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)影響蒸汽膜方式向沸騰方式轉(zhuǎn)型的先后順序的規(guī)律 是：同一工件上具有相同有效厚度的外表面，上述轉(zhuǎn)型不是在所謂的特性溫度同時發(fā)生，而 是在工件外表面溫度降到低于一個特征溫度（T°-蒸汽膜區(qū)絕對不可能從蒸汽膜方式向沸 騰方式轉(zhuǎn)型的最低表面溫度）以后，才有可能首先從某個小到可以稱為"點"的蒸汽膜區(qū) 發(fā)生這種轉(zhuǎn)型；把上述首先發(fā)生轉(zhuǎn)型的那一小片蒸汽膜區(qū)稱為超前擴展點（之所以稱之為 "超前"，是因為在發(fā)生這種轉(zhuǎn)型時，該點的蒸汽膜還有相當?shù)暮穸?，遠沒有減薄到厚度接近 零的程度）。工件表面發(fā)生轉(zhuǎn)型之后，把沸騰冷卻區(qū)與蒸汽膜區(qū)的分界線稱為交界線。隨 后，通過交界線向蒸汽膜區(qū)的擴展，來使所過之處的蒸汽膜逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)型。這種轉(zhuǎn)型方式， 就使具有相同有效厚度的工件表面的轉(zhuǎn)型有了先后之分。把以這種方式發(fā)生的轉(zhuǎn)型稱為交 界線借用。
[0038] 發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，通常，T°只比所用冷卻介質(zhì)的沸點溫度高出不到100°C，而不是 行業(yè)內(nèi)普遍認為的好幾百攝氏度。實際表面發(fā)生轉(zhuǎn)型的溫度通常還遠低于T°。也就是說， 淬火冷卻中，工件表面在蒸汽膜籠罩下冷卻的表面溫度范圍，是從接近工件的淬火加熱溫 度（約在850°C)開始，一直延伸到只比淬火液的沸點高出不到KKTC的程度。而表面發(fā) 生沸騰的溫度范圍通常只有十幾攝氏度到幾十攝氏度。值得注意的是，行業(yè)內(nèi)至今還普遍 認為的是幾百攝氏度！再進一步說，如果按不同冷卻方式對工件淬火冷卻的貢獻大小來排 序的話，貢獻最大的應(yīng)當是轉(zhuǎn)型之前，也就是蒸汽膜籠罩下的冷卻方式；其次是對流冷卻方 式，最后才是沸騰冷卻方式。由于這樣的原因，可以用交界線到達的早遲，來粗略地確定工 件表面上不同部位的冷卻快慢：交界線到達早的部位冷卻得快，而交界線到達遲的部位冷 卻得慢。
[0039] 可見，淬火冷卻中，在有分隔環(huán)的工件上，交界線首先出現(xiàn)在分隔環(huán)基腳（分隔環(huán) 和基體接觸的部位）上，等到附近基體表面的溫度降低到T°以下之后，交界線再向基體表 面大范圍擴展。這就是說，分隔環(huán)所在部位始終是工件基體上冷卻得最快的部位。因此，不 用擔心分隔環(huán)的存在會使它所在部位冷卻得慢，以致會淬不上火。
[0040] 試驗觀測還表明，淬火冷卻中，試樣表面經(jīng)歷沸騰方式的冷卻時間通常都很短， 而在蒸汽膜籠罩下冷卻的時間卻相對很長。
[0041] 用一個簡單的試驗，就可以說明軸類工件以垂直方式淬火冷卻時，冷卻不均勻的 程度。一個?20X135mm的圓柱形試樣，經(jīng)850°C加熱后，以垂直方式在基礎(chǔ)油中做淬火冷 卻。圖4是該試樣冷卻過程三個不同時刻的狀態(tài)圖，圖5是它的交界線擴展圖，圖中標注的 數(shù)字是從試樣入油起算的冷卻時間（s)。
[0042] 結(jié)合圖4和圖5進行分析。在圖4左圖可以看到，試樣頂部蒸汽膜正向外排放氣 泡；再看圖5,冷卻到12. 52s，在試樣底面邊緣出現(xiàn)了一個超前擴展點。這說明，在入油的前 12.52s內(nèi)，試樣始終被完整蒸汽膜包裹著。而后，交界線從試件下方向上方擴展，又過了約 4s(到16. 48s)，試樣頂端邊緣上才出現(xiàn)了超前擴展點。此后，如圖4右圖所示，下方的交界 線向上方擴展的速度快，而上方的交界線向下方擴展的速度卻較慢。此時，在圖4中間和右 邊的狀態(tài)圖上，也能看到蒸汽膜區(qū)的上部邊沿有氣泡排出。冷卻到30. 16s時，在試樣中上 部位置，最后一小片蒸汽膜即將消失。在這一試驗中觀察到：在具有相同有效厚度（直徑只 有20mm)的試樣上，從最早一片蒸汽膜發(fā)生轉(zhuǎn)型，到最后一片蒸汽膜消失，前后相差17. 8s。 無疑，這樣大的時間差必定在該試樣上造成巨大的組織轉(zhuǎn)變差異；如果試樣更長和/或直 徑更大，這一時間差必然會更大，造成的冷卻不均勻性更嚴重。而這正是以垂直方式作浸油 淬火冷卻的軸類工件普遍存在的淬火冷卻問題。
[0043] 鑒于此，本發(fā)明人提出了解決該問題的方法：把蒸汽膜內(nèi)本來要從軸類工件的下 端連續(xù)不斷地延伸到頂端的層流層分隔成多個區(qū)段，并使每個區(qū)段都能從自身的頂端向外 排放氣泡，如圖6所示。這就可以通過減小每個區(qū)段的高度差，來減小層流層在其上下端造 成的溫度差，最終使整個軸類工件獲得更快而且更均勻的淬火冷卻效果。
[0044] 以下結(jié)合實施例，更具體地說明本發(fā)明的內(nèi)容，并對本發(fā)明作進一步闡述，但這些 實施例絕非對本發(fā)明進行限制。
[0045] 本發(fā)明分成多段排放氣泡的淬火冷卻方法是在軸類工件上加工出多個分隔環(huán)，而 后再進行加熱和冷卻；淬火冷卻、回火完成后，要用切削或者磨削的辦法將分隔環(huán)去掉；或 淬火冷卻完成后，用切削或者磨削的辦法將分隔環(huán)去掉，再回火。具體方法以軸類工件為例 進行說明。在淬火之前的切削加工中，在軸類工件的表面加工出若干個分隔環(huán)1(工件也可 稱為"基體"），分隔環(huán)分布在工件軸向的表面，為分布在與工件軸向垂直平面上的水平環(huán)， 從軸向把工件劃分成多個區(qū)段，如圖1和圖2所示。分隔環(huán)1的縱向截面可以是矩形、坡 形、臺階形或三角形，頂面可以是平的、圓的或者尖的；分隔環(huán)的基底厚度U基底厚度是指 分隔環(huán)與工件外表面接觸部分在軸向上的長度）在l_20mm之間選??；分隔環(huán)的高度h(高 度是指分隔環(huán)外沿距工件外表面的徑向長度）約在I-IOmm之間選取?；缀穸群透叨染?視工件的直徑d而定。一般工件的直徑越大，基底厚度越大，高度也越高。相鄰分隔環(huán)之間 的距離b，可在10mm-200mm之間選取。不同分隔環(huán)之間的間距可以相等，也可以不相等。加 工時，對分隔環(huán)部分的鋼材質(zhì)量和加工精度沒有特別的要求，多數(shù)工件可以在淬火之前為 要做的切削加工所留的加工余量內(nèi)加工出分隔環(huán)來。因此，也可稱為"留出分隔環(huán)"，而不是 "加工出分隔環(huán)"。在完成淬火、回火等工序之后，去除分隔環(huán)的切削加工中，需要加強被切 削部位的降溫（指切削加工中的冷卻而非淬火冷卻），以防止過熱。
[0046] 本發(fā)明淬火冷卻方法中，分隔環(huán)的作用原理為：分隔環(huán)的基底厚度遠比工件直徑 小，因此在浸液淬火之初的極短時間內(nèi)，分隔環(huán)的主體部分都能冷卻到對流階段（該對流 階段指的是分隔環(huán)上該部分表面的溫度降低到了冷卻介質(zhì)的沸點之下了，這些表面上不再 有蒸汽膜存在，因此，是冷卻介質(zhì)的對流），這就會在每個分隔環(huán)上部、下部各形成一圈交界 線3,如圖6所示，I為浸油淬火之初，II為被分隔環(huán)分隔開的蒸汽膜。這些交界線3把工 件表面上原來上下貫通的完整的蒸汽膜1分隔分成了多個蒸汽膜區(qū)段2。由于蒸汽膜區(qū)段 上端、下端之間高度差大大縮短，同一區(qū)段上工件表面溫度差也會隨之減小。又由于每一段 蒸汽膜區(qū)的上方都比下方冷卻得慢，而且超前擴展點總是先出現(xiàn)在各區(qū)段的下端。隨后的 冷卻中，在與交界線相鄰的工件表面溫度降低到TT°以下時，交界線就會向基體表面擴展。 由于分隔出的區(qū)段都很短，完成交界線擴展所需的時間也就很短；這就大大加快了所在區(qū) 段工件的冷卻速度。在由分隔環(huán)劃分出來的各個區(qū)段上，對應(yīng)部位的交界線擴展幾乎能夠 同步進行。這就是本發(fā)明可以在整個軸類工件上獲得基本相同的淬火冷卻效果的原因。
[0047] 為了檢驗本發(fā)明的淬火冷卻方法與現(xiàn)有方法之間在冷卻效果上的差距，進行了以 下實驗例。
[0048] 實驗例一、冷卻時間的比較
[0049] 取兩個試樣，一個是無分隔環(huán)的試樣la，另一個是有分隔環(huán)的試樣lb，尺寸都是 ? 30cmX135cm，分隔環(huán)軸向截面形狀為梯形，上部為水平面，下部為斜面，