生產(chǎn)中的淬火變形一直給工廠帶來大量的麻煩和巨大的損失。淬火變形的產(chǎn)生，從理論上說，當(dāng)然與熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的作用有關(guān)，但是，在分析和解決實(shí)際工件的淬火變形時(shí)，這種理論卻很難做具體應(yīng)用。至今，尚沒有用來分析和解決工件淬火變形問題的實(shí)用的系統(tǒng)方法。熱處理行業(yè)期待的是能用來分析和解決實(shí)際工件淬火變形的系統(tǒng)而實(shí)用的方法。以此為目標(biāo)，本文發(fā)展了一種以鋼的端淬曲線為依托，從檢測出發(fā)生變形的工件上的硬度差異入手，去分析和解決工件淬火變形問題的方法，我們把它叫做“硬度差異法”，供行業(yè)相關(guān)人士采用并指正。

 

說工件發(fā)生了淬火變形，指的是工件上某些部位發(fā)生了超過圖樣公差的變形。本文把工件上發(fā)生變形的部分和與之相關(guān)連的部位合稱為該工件的參與淬火變形部位。參與淬火變形部位指的是工件上多個(gè)部位的總體，須根據(jù)實(shí)際工件的(變形)情況來確定。在已發(fā)生淬火變形的工件上，參與了淬火變形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明顯差異。硬度差異反應(yīng)出這些部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(即組織)之不同。由于不同的組織有不同的比容，比容差本身及其在淬火過程中的作用必然對(duì)淬火后的變形有直接的影響。由于這樣的原因，本文把最終發(fā)生了淬火變形的工件分為兩類。第一類:因裝爐時(shí)的沖撞，因淬火加熱中工件的裝掛或堆放不當(dāng)，以及出爐轉(zhuǎn)移到淬火介質(zhì)過程中所受的外力或自重引起的變形。這類變形容易從操作方法和裝掛方式入手去解決。第二類：工件參與淬火變形部位有明顯或不明顯的硬度差異，也可能伴有淬火開裂。在第二類情況下，引起變形的原因既有淬火冷卻過程中的應(yīng)力作用，也有轉(zhuǎn)變產(chǎn)物比容差之最終的影響。

本文提出的概念和方法，僅限于用來分析和解決第二類淬火變形問題。

二、淬火變形工件的冷卻速度帶及減小變形的努力方向

作為本方法的基礎(chǔ)，先引進(jìn)淬火變形工件的硬度-冷速曲線、冷卻速度帶及其跨區(qū)等概念。

1．硬度-冷速曲線的分區(qū)及其與淬火變形的關(guān)系

圖1是有代表性的頂端淬火曲線示意圖。為適應(yīng)本文的需要，我們將下方的橫座標(biāo)定為冷卻速度，并按冷卻速度大小和淬火態(tài)硬度分布，將端淬曲線分成四個(gè)區(qū)(如圖1所示)。這樣的曲線，我們把它叫作硬度-冷速曲線。

分區(qū)	名稱	區(qū)內(nèi)淬火效果
I區(qū)	過快冷速區(qū)	硬度高、淬裂、變形
II區(qū)	適度冷速區(qū)	硬度高而均勻、無淬裂、變形小
III區(qū)	不足冷速區(qū)	硬度不足且高低不均，變形大
IV區(qū)	過慢冷速區(qū)	完全未淬硬，變形小

 

圖1 按淬火冷卻速度大小將端淬曲線分成四個(gè)區(qū)

在圖1劃出的第Ⅰ冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速過快，可能產(chǎn)生淬火變形，也可能伴有淬裂。

在第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)淬火，冷卻速度適當(dāng)，工件可以充分淬硬。硬度均勻說明可能參與淬火變形部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物基本相同，因此，工件淬火冷卻中可能引起淬火變形的過程中的應(yīng)力也不會(huì)很大。結(jié)果，最終的淬火變形也就相當(dāng)小，通常能在允許的公差之內(nèi)。故本文把第Ⅱ冷速區(qū)叫做小變形區(qū)。

在第Ⅲ冷速區(qū)內(nèi)淬火，由于硬度-冷速曲線走勢很陡，如圖1所示，工件上參與變形部位之間的較小冷速差都會(huì)引起相當(dāng)大的硬度變化，也即轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相當(dāng)大的組織差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速區(qū)淬火時(shí)，可能引起淬火變形的因素既有過程中的，也有最終的。這就是在此區(qū)淬火變形大的原因。總起來說，在此區(qū)淬火后變形大，硬度高低不均，且硬度不足。

在第Ⅳ冷速區(qū)，即過慢冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件上可能參與淬火變形部位獲得的冷速很低，各部位間溫差小，加上各部位都遠(yuǎn)未淬硬，最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也基本相同，故變形小。

2．工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶

變形工件上參與變形的各部位之間得到的冷卻情況不同，是造成最終淬火變形的原因。實(shí)際工件是個(gè)實(shí)體，它上面參與變形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲線上一定范圍內(nèi)。本文把這些不同冷速所達(dá)到的范圍叫做該工件在所經(jīng)受的淬火條件下參與變形部位的冷卻速度帶，以下簡稱為該工件的冷卻速度帶。工件上參與變形部位間的冷卻速度相差小，它的冷卻速度帶就窄；相反，它的冷卻速度帶就寬。

冷卻速度帶的確定方法：

拿到一個(gè)發(fā)生了淬火變形的工件，首先找到它上面發(fā)生了淬火變形的部位，再連同其相鄰或相關(guān)的部位，合而成為該工件上參與淬火變形部位。接著檢查參與變形部位內(nèi)外表面的硬度，并憑測出的最高和最低硬度值(HRC)在所用鋼種的硬度-冷速曲線圖上找到兩個(gè)相應(yīng)的冷卻速度值，把這兩個(gè)冷卻速度值水平連接起來，即構(gòu)成該工件的冷卻速度帶。舉例來說，有一筒狀工件，50Cr材質(zhì)，經(jīng)770℃加熱后水淬1.5秒再轉(zhuǎn)油冷。淬火后未發(fā)現(xiàn)淬裂，但有明顯的變形:兩端孔徑增大，呈雙頭喇叭形，如圖2所示。因工件形狀簡單，且變形牽涉面大，可以把整個(gè)工件都看成參與變形部位。檢查該變形工件內(nèi)外表面的硬度后發(fā)現(xiàn)，筒兩端硬度約55HRC，而內(nèi)孔中部只有35HRC。從手冊上查出50Cr鋼的端淬曲線，取其中線作出本工件的硬度-冷速曲線。由淬火硬度最高的端頭部位(B)之55HRC找到冷速點(diǎn)b。再由淬火硬度最低的筒內(nèi)中間部位(A)之35HRC找到冷速點(diǎn)a。連接a、b兩點(diǎn)的帶ab即為該工件的冷卻速度帶。按照相似的方法步驟，可以畫出其它淬火變形零件的冷卻速度帶。需要說明的是，如果工件上有內(nèi)孔(或凹陷部位)而且在該部位或鄰近部位發(fā)生了淬火變形，則該部位就屬于參與變形部位，在確定該工件的冷卻速度帶時(shí)，就需要將該工件的內(nèi)孔或凹陷部位剖切開，測量該部位的表面硬度。

 

圖2 由參與變形部位的最高和最低淬火態(tài)硬度值確定工件的冷卻速度帶

3．冷卻速度帶的跨區(qū)情況

實(shí)際生產(chǎn)中，不同工件的鋼種、形狀大小、熱處理?xiàng)l件以及工藝方法有很大差異，它們的冷卻速度帶必然有寬有窄。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較窄時(shí)，可能只落入某一個(gè)冷速區(qū)，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速區(qū)，相應(yīng)的變形情況如圖1所示。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較寬時(shí)，往往要跨越兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的冷速區(qū)。比如，圖2所舉的例子，工件的冷速帶就跨越Ⅱ、Ⅲ兩個(gè)冷速區(qū)。又如，有一種65Mn制的大圓鋸片，直徑1600mm，厚8mm，在專用的槽式電阻爐中垂直懸掛加熱后，直接放入有循環(huán)攪動(dòng)的淬火槽中淬火，淬火液為一種聚合物水溶液，水溫約25℃。淬火后工件有相當(dāng)嚴(yán)重的翹曲變形。出槽后檢查發(fā)現(xiàn),圓鋸片邊沿齒口部位有幾處淬裂。硬度檢查結(jié)果,邊沿部分(B)最高硬度62HRC，而近中間部位(A)的硬度最低為30HRC。對(duì)于這樣薄而大,變形嚴(yán)重的工件,也宜把工件之整體都看成參與變形部位。

按前述方法，如圖3,確定該圓鋸片的冷卻速度帶ab。由于該圓鋸片邊沿齒口處已淬裂，說明該部位已進(jìn)入第Ⅰ冷速區(qū)。而在近中間部位淬火態(tài)硬度只有30HRC，未淬硬，說明該部位已進(jìn)入第Ⅲ冷速區(qū)。這樣,整個(gè)圓鋸片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個(gè)冷速區(qū)。對(duì)于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷卻中跨越三個(gè)冷速區(qū)，就很容易發(fā)生嚴(yán)重變形。

 

圖3 65Mn大圓鋸片的冷卻速度帶跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)

4．減小工件淬火變形的努力目標(biāo)

通常，對(duì)工件淬火效果的要求是：獲得高而且均勻的淬火硬度、足夠的淬硬深度、不淬裂且無淬火變形。顯然，按本文的分析原理和方法，只有當(dāng)工件上參與變形部位的冷卻速度帶落入第Ⅱ冷速區(qū)，才能獲得這種淬火效果。據(jù)此本文減小工件淬火變形的措施和方法，均以使工件上參與變形部位的冷卻速度，即該工件的冷卻速度帶完全落入其第Ⅱ冷速區(qū)為努力目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就可以控制變形。后面歸納的做法都是以此為目標(biāo)的措施。

5．對(duì)硬度差異法的解釋

眾所周知，淬火變形是鋼件淬火冷卻中的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力共同作用的結(jié)果。這里所說的工件的冷卻速度帶的寬窄，反應(yīng)的正是這種共同作用的大小。共同作用力大的，其冷卻速度帶寬，該共同作用力就大，而冷卻速度帶窄的，該作用力就小。而工件的硬度-冷速圖線上第II區(qū)的寬窄，反應(yīng)的是該工件的變形要求。變形難以控制的，第II區(qū)窄；變形容易控制的，第II區(qū)寬。使工件的冷卻速度帶完全落入其第II區(qū)中，也就是把該工件淬火冷卻中的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的共同作用力的大小控制在不引起超差變形的范圍。硬度差異法從工件淬火態(tài)硬度差異入手去分析解決變形問題，其本質(zhì)上就是通過控制這種硬度差異的大小和范圍來控制工件淬火中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的復(fù)合作用大小，從而控制淬火變形。

三、減小淬火變形的改進(jìn)方向

1．整體移動(dòng)冷卻速度帶

通過整個(gè)提高或降低淬火冷卻速度等措施，使工件的冷卻速度帶整體移入該工件的第Ⅱ冷速區(qū)。這種方法適用于工件的冷卻度帶比較窄，發(fā)生淬火變形的原因是其冷卻速度帶整個(gè)或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速區(qū)。

例子，某汽車板簧廠采用13%的今禹8-20水溶液，在液溫25℃時(shí)淬11×75mm的60Si2Mn鋼板，出槽后發(fā)現(xiàn)有高達(dá)4mm的側(cè)彎變形和相當(dāng)大的弧高變化。起初，有關(guān)人員分析認(rèn)為，是淬火應(yīng)力(熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力)過大引起。因此,采取了降低淬火應(yīng)力的方法：適當(dāng)降低淬火加熱溫度，提高淬火液液溫，并停止淬火機(jī)的擺動(dòng)以減小相對(duì)流速，甚至曾一度將今禹8-20的濃度提高到15%。所有這些措施，都在降低板簧片的淬火冷卻速度，都想減小淬火應(yīng)力來消除淬火變形。但結(jié)果與希望相反，板簧片的變形更大且仍然無規(guī)律可循，同時(shí)，鋼板的淬火硬度更低，根本不能滿足熱處理要求。

后來，用本文所述的方法分析該批板簧的淬火變形，發(fā)現(xiàn)淬火硬度不足且高低不均，大約在28～52HRC之間，其冷卻速度帶正好落在第Ⅲ冷速區(qū)，如圖4所示。按前面提到的原則和方法，解決這一變形問題的措施就不是設(shè)法降低淬火冷卻速度,而是提高淬火冷卻速度，以便使該板簧片的冷卻速度帶整體向左移入其第Ⅱ冷速區(qū)。具體的做法是，向淬火槽中補(bǔ)加自來水，將今禹8-20的濃度降到10%，并在淬火過程中使淬火機(jī)不停地?cái)[動(dòng)，以便進(jìn)一步提高淬火冷卻速度。結(jié)果，在其它工藝方法保持不變的情況下，同批板簧片淬火后的變形(側(cè)彎和弧高變化)極小，同時(shí)淬火硬度都在59～61HRC內(nèi)，沒有淬裂，完全滿足了工藝要求。

 

圖4 移動(dòng)冷卻速度帶消除板簧片的淬火變形

2．使冷卻速度帶收縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)

當(dāng)變形工件的冷卻速度帶跨越兩個(gè)以上冷速區(qū)時(shí)，解決淬火變形問題的辦法就是使工件上參與變形部位中原來冷速過快(因而發(fā)生淬裂、變形)的部分淬火冷速降低，相當(dāng)于使工件的冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)的左端部分向右收縮，達(dá)到左端頭也進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)；使工件上參與變形部位中硬度不足或硬度過低部位的淬火冷速提高，以使其冷卻速度帶向右伸出第Ⅱ區(qū)的部分向左收縮，也進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。

例子，圖3所示的大圓鋸片，它的冷卻速度帶跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個(gè)冷速區(qū)，因此，采取的消除變形措施應(yīng)能使其冷卻速度帶的兩端同時(shí)向中間收縮，直至全部落入其第Ⅱ冷速區(qū)。經(jīng)分析，該圓鋸片外沿齒間底部發(fā)生淬裂，是在淬火冷卻中該部位受到過激的水流沖刷的緣故。解決這一部分(即冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)那一段)的淬裂變形的措施是設(shè)法使該部位不受水流沖擊，可以在淬火槽中安裝護(hù)板或改變淬火液循環(huán)流動(dòng)的分配方式，其目標(biāo)都是使原來冷卻太快的外沿部分的冷卻速度降低至不會(huì)發(fā)生淬裂的程度。而對(duì)于圓鋸片上近中間部位，淬火硬度偏低說明其受到的冷卻不足。分析這些部位冷速不足的原因發(fā)現(xiàn)，在淬火冷卻過程中這些部位長期被流動(dòng)緩慢的熱水包圍。由于鋸片很大，從下至上做上升流動(dòng)的熱水達(dá)到鋸片中間部位時(shí)液溫已相當(dāng)高，使圓鋸片近中心部位有較長時(shí)間在蒸氣膜及熱水籠罩之下，加上該部位實(shí)際的有效厚度又遠(yuǎn)比邊沿部位大，使這些部位得不到足夠的淬火冷速，淬火硬度自然偏低。又由于上升過程中形成的熱水區(qū)的液溫分布相對(duì)于圓鋸片是不穩(wěn)定和不規(guī)律的，故淬火后圓鋸片的變形大而沒有規(guī)律性。解決這些部位淬火冷卻速度不足的辦法，是根據(jù)圓鋸片在槽中的位置，安設(shè)足以使其近中間部位獲得適當(dāng)水流沖擊來加快散熱，提高冷速，使這些部位對(duì)應(yīng)的冷卻速度帶右端向左收縮，直至進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。由于這類大圓鋸片多是專業(yè)廠生產(chǎn)，生產(chǎn)裝置是專用的，通過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)使圓鋸片的冷速帶從左右兩個(gè)方向同時(shí)收縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)，從而消除淬火開裂、變形和中間部剛度不足等問題，可以收到一勞永逸的效果。關(guān)于解決這類圓鋸片淬火變形、開裂問題，本文在后面還將提出另一種解決辦法。

四、調(diào)節(jié)冷卻速度帶的基本措施

從前面的討論中可以看出，解決變形問題的途徑，實(shí)質(zhì)上是針對(duì)具體情況，應(yīng)用一些能調(diào)節(jié)冷卻速度帶的措施，以實(shí)現(xiàn)工件冷卻速度帶的移動(dòng)和收縮，使其完全進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。在熱處理生產(chǎn)中，可以采取的基本措施大致有:改變淬火加熱溫度，改變工件局部冷卻狀況，改變淬火介質(zhì)的溫度、濃度和流動(dòng)情況，改換淬火介質(zhì)，以及適應(yīng)鋼材化學(xué)成分和質(zhì)量波動(dòng)情況，直至改換鋼種和改變工件外形設(shè)計(jì)等幾類。在生產(chǎn)中根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用其中的一類或幾類方法，通常可解決本文所指的淬火變形問題。以下對(duì)各類基本措施分別加以說明。

1．改變淬火加熱溫度

當(dāng)工件的冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)時(shí)，適當(dāng)降低工件的淬火加熱溫度，可以使工件的冷卻速度帶的左端向右方發(fā)生一定量的收縮。這類措施中也包括局部降溫后淬火。當(dāng)工件的冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)時(shí)，適當(dāng)提高整個(gè)工件或工件上局部區(qū)域的淬火加熱溫度，可以使其冷卻速度帶的右端向左做一定量收縮。如果原來的淬火加熱保溫不足，則延長保溫時(shí)間，也有同樣效果。

2．淬火冷卻介質(zhì)上的變換

從淬火介質(zhì)上想辦法，以求減小工件的淬火變形，早已為熱處理現(xiàn)場采用。本文采取的辦法與習(xí)慣辦法之不同，主要在兩點(diǎn)上。第一，本文改變淬火介質(zhì)使用狀況或改換淬火介質(zhì)品種等辦法，是以前面建立的原則和方法為指導(dǎo)來進(jìn)行的。第二，過去習(xí)慣的做法，調(diào)整淬火介質(zhì)及使用狀況的目標(biāo)，往往限于降低淬火冷卻速度，以求降低淬火冷卻過程的內(nèi)應(yīng)力。而本文的方法，是按工件冷卻速度帶的跨區(qū)情況而定的，既有以降低淬火中的應(yīng)力為目標(biāo)的降低淬火冷卻速度的措施，更有提高淬火冷卻速度的措施。事實(shí)上，工件的淬火變形，大多是工件上參與變形部位的冷卻速度不足即進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)引起的，因而需要以提高冷卻速度的辦法來解決這類工件的淬火變形問題。采用這種措施提高的是工件相對(duì)于淬火介質(zhì)的冷卻速度，即對(duì)外的冷卻速度，而在工件內(nèi)部參與變形部位之間卻因全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)而使相對(duì)差異減小，所以最終能減小工件的內(nèi)應(yīng)力，從而減小淬火變形。

在可以采用的淬火介質(zhì)中，自來水冷卻太快，會(huì)使許多鋼種淬裂并發(fā)生淬火變形。遇到這種情況，改換成機(jī)油，淬火冷速大大降低，通常可以防止這類淬裂及變形。這是眾所周知的辦法。由于自來水與機(jī)油的冷卻速度相差很大，不少鋼件在水中淬裂、變形，而在機(jī)油中卻淬不硬且發(fā)生變形。

在自來水中加入適量水性淬火劑，可以在一定程度上降低自來水的冷卻速度。而以礦物油(機(jī)油)為基礎(chǔ)做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。這些都為控制淬火變形提供了條件。

普通機(jī)油的冷卻速度慢，因此，在其中淬火后有超差變形的工件，其淬火冷卻速度帶大多伸入甚至整個(gè)落入第Ⅲ冷速區(qū)。遇到這種情況，將原用的機(jī)油改換成有適當(dāng)?shù)目焖俅慊鹩停�以便使冷卻速度帶發(fā)生左移或向左收縮，最終全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，便可以解決這類淬火變形問題。在決定是選用水性介質(zhì)還是淬火油時(shí)，還必須考慮液溫變化對(duì)淬火冷卻特性的影響。對(duì)淬火油而言，在一定范圍內(nèi)提高油溫，油的冷卻特性基本不變。在允許的使用溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高油溫，還會(huì)使油的蒸氣膜階段有所縮短，冷卻能力相應(yīng)有所增大。油溫過低，油的粘度增大，流動(dòng)性變差，冷卻能力會(huì)降低。有些工廠有這樣的經(jīng)歷，冬季新開爐時(shí)，油溫很低，工件的淬火變形大且淬火硬度不足。這是工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)的緣故。遇到這種情況，設(shè)法提高油溫，比如使油溫升到50～80℃再淬同類工件，由于冷卻速度提高，工件的冷卻速度帶左移至全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，淬火變形就消失了，淬火硬度也達(dá)到了工藝要求。

與油相反，在水性介質(zhì)中淬火時(shí)，提高水溫會(huì)降低淬火冷卻速度。降低的程度與介質(zhì)的品種、使用的濃度和當(dāng)時(shí)的水溫有關(guān)。當(dāng)變形工件的冷速帶伸入其第Ⅰ冷速區(qū)時(shí)，適當(dāng)提高水溶液的液溫，可以使其冷卻速度帶稍向右移。又當(dāng)水溶液溫度過高，淬火冷卻速度不足，工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)而引起變形時(shí)，適當(dāng)降低水溫則有使其冷卻速度帶左移的作用。

前面圖3所舉大圓鋸片,采用快速淬火油代替現(xiàn)用的水性介質(zhì)，也能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。快速淬火油可以解決該圓鋸片淬裂和變形問題的原因是，這種油的淬火冷卻速度比普通機(jī)油快得多,可以使8mm厚的65Mn圓鋸片中間部位淬硬。又由于快速淬火油的冷卻速度遠(yuǎn)比自來水低，可以保證該工件不發(fā)生淬裂。關(guān)于中間部位的淬硬問題，由于油的冷卻速度隨油溫升高能有所提高，與接近中間部位的實(shí)際厚度比邊沿大正好相匹配，也能保證淬硬。從該圓鋸片的冷卻速度帶的跨區(qū)情況看，改用快速淬火油后，和用水溶液相比，鋸片的冷卻速度帶變窄了：邊沿部位對(duì)應(yīng)的冷卻速度帶從第Ⅰ冷速區(qū)縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)；而近中間部位對(duì)應(yīng)的冷速帶也向左收縮進(jìn)入其第Ⅱ冷速區(qū)。結(jié)果，就獲得淬硬、不裂、且變形小的淬火效果。

3．改善工件的局部冷卻狀況

在工件上冷速過快的部分加冷的或熱的附板以減少這些部位的淬火冷卻速度，可以使工件冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)的部分向右縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)。相反，當(dāng)工件上某些參與淬火變形部位冷速過慢時(shí)，又可以通過向這些部位多分配些液流，以增大冷速，使這些部位對(duì)應(yīng)的、伸入第Ⅲ冷速區(qū)的冷卻速度帶向左收縮，進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。另外，有一種20Cr汽車后橋齒輪，滲碳后直接在機(jī)油中淬火，發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重變形：內(nèi)孔漲大、失圓，內(nèi)外圓翹曲，公法線長度變化，使產(chǎn)品合格率很低。剖切取樣測量其內(nèi)外表面的硬度發(fā)現(xiàn)，滲碳的齒面硬度58～61HRC,未滲碳的內(nèi)孔側(cè)面淬火硬度不均,壁厚處約20HRC,壁薄處約30HRC，如圖5所示。

 

圖5 汽車后橋齒輪的淬火變形及未滲碳部分的冷卻速度帶

考慮到該齒面淬火硬度已足夠高，無淬裂，說明該工件滲層部位已落入第Ⅱ冷速區(qū)，因而把研究的目標(biāo)集中到齒輪的內(nèi)側(cè)面。內(nèi)側(cè)面未滲碳，取20Cr鋼的端淬曲線中間值，畫出其硬度-冷速分區(qū)圖，由于硬度曲線隨冷速降低變化很大，按本文后面將提到的原因，20Cr鋼屬易變形鋼種，其第II冷速區(qū)很窄。工件內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的冷卻速度帶大部分落入其第Ⅲ冷速區(qū)。在生產(chǎn)中造成內(nèi)側(cè)冷速慢的原因是，滲碳中工件串堆太高，且掛具底板上無通孔，淬火時(shí)串堆的齒輪已相當(dāng)于一個(gè)平底杯子，底朝下淬入油中。由于"杯"內(nèi)油的流動(dòng)性不好，"杯"的內(nèi)側(cè)散熱慢，內(nèi)側(cè)表面較長時(shí)間受蒸氣膜籠罩，結(jié)果造成齒輪內(nèi)外過大的冷速差，從相應(yīng)的冷速帶看，外面齒部在第Ⅱ冷速區(qū)，而內(nèi)面在第Ⅲ冷速區(qū)。 又由于串堆在一起的齒輪有的在"杯口"，有的在"杯中間"，有的在"杯底"，冷卻情況差別較大。結(jié)果，各個(gè)齒輪的變形情況又有不同，使得該工件的變形很不規(guī)律。串堆的齒輪越多，這種差別也越大。解決這種淬火變形的措施共三項(xiàng):⑴改用蒸氣膜階段較短的專用快速淬火油，以加快"杯"內(nèi)的冷卻速度；⑵適當(dāng)減少串堆齒輪件數(shù)(即"杯"的高度)，以減少串堆中不同部位的冷速差異；⑶在掛具底板上多開通孔，以加快"杯"內(nèi)淬火油的循環(huán)流動(dòng)。采取這些措施后，該類齒輪的淬火變形問題得到了解決。

4．馬氏體分級(jí)淬火控制淬火變形

 

圖6 普通淬火的工藝示意圖

馬氏體分級(jí)淬火能控制淬火變形的原因，通常用圖6到圖8加以說明。圖6是普通淬火工藝的示意圖，由于是一冷到底，工件表面和心部的冷卻進(jìn)程相差很大，因此工件的內(nèi)應(yīng)力大，淬火變形也就大。

圖7是高于Ms點(diǎn)的馬氏體分級(jí)淬火工藝的示意圖，由于經(jīng)過高于Ms點(diǎn)溫度的分級(jí)處理，工件表面和心部的溫度基本一致，再緩慢冷卻，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，工件內(nèi)外溫差大大減小，結(jié)果，淬火變形也小。圖8是低于Ms點(diǎn)的分級(jí)淬火工藝的示意圖，其減小淬火變形的原因與圖7的解釋基本相同。

按照本文提出的方法，馬氏體分級(jí)淬火控制淬火變形的原因，應(yīng)改用工件冷卻速度帶的位置和寬度來加以說明。圖9是對(duì)普通淬火的工藝的分析。

         

圖7 高于Ms點(diǎn)的工藝示意圖      圖8 低于Ms點(diǎn)的工藝示意圖

 

圖9 普通淬火的工藝過程和相應(yīng)的冷卻速度帶位置

和前面的分析方法不同的是，圖9中的兩條冷卻曲線代表的不再是工件的"表面"和"心部"的冷卻過程，而是工件上參與淬火變形部位的"快端"和"慢端"的冷卻過程。由于是一冷到底，在對(duì)應(yīng)的硬度-冷速曲線上，冷卻速度帶的快端伸進(jìn)了第I區(qū)，這就引起了超差的淬火變形。如果使快端向右退縮，至完全進(jìn)入第II冷速區(qū)，變形問題就可以解決了。

按照這種分析方法，解決這類工件淬火變形問題的方法就是使冷卻速度帶的兩端向右縮進(jìn)到第II區(qū)。馬氏體分級(jí)淬火用以減小冷卻速度帶的寬度，并使其完全進(jìn)入適度冷速區(qū)。圖10中(a) 和(b)分別是用本文的方法對(duì)高于與低于Ms點(diǎn)的馬氏體分級(jí)淬火控制變形作用的分析。可以看出，馬氏體分級(jí)淬火使冷卻速度帶的兩端向右退縮，至完全進(jìn)入第II冷速區(qū)，變形問題也就解決了。

 

圖10 馬氏體分級(jí)淬火控制淬火變形原因分析

這里用到的也是工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶的快端和慢端，而不是工件的表面和心部。實(shí)際上，淬火冷卻中，除標(biāo)準(zhǔn)的圓球并能完全均勻地冷卻球面各部分的情況外，工件表面各部分的冷卻速度相差是很大的，尤其是形狀復(fù)雜的工件。實(shí)際生產(chǎn)中很難找到相當(dāng)于圖6到圖8中"表面"的冷卻過程曲線。所謂工件的心部，一般也是不好確定的。前面談到，決定工件淬火變形大小的應(yīng)當(dāng)是冷卻速度帶相對(duì)于第II區(qū)的位置，而不是工件上無法確定的"表面"和"心部"。

可以看出，能夠用分級(jí)淬火方法解決的往往是形狀較復(fù)雜，變形要求較嚴(yán)，因而其第II區(qū)較窄的工件，用普通一冷到底的方法，其冷卻速度帶的快端伸入了過快冷速區(qū)(第I區(qū))，而慢端在過快冷速區(qū)或在適度冷速區(qū)(第II區(qū))的淬火變形問題。由于馬氏體分級(jí)淬火冷速較慢，那些會(huì)使冷卻速度帶的慢端伸入了不足冷速區(qū)(第III區(qū))的淬火變形問題，通常不能用馬氏體分級(jí)淬火方法得到解決。這就是馬氏體分級(jí)淬火只適用于尺寸較小的工件和淬透性較好的鋼種的原因。可以推知，選用淬火冷卻速度更快的分級(jí)淬火介質(zhì)，可以成功地控制尺寸較大和淬透性更低鋼種制件的淬火變形。

5．鋼材品種和材質(zhì)的因素

鋼種不同，頂端淬火曲線的形狀也不同。淬透性好的鋼，其硬度隨距離的變化較平緩，淬透性差的鋼，變化比較陡。在硬度-冷速分區(qū)圖上，淬透性好的鋼種，第Ⅱ冷速區(qū)比較寬，而淬透性差的鋼種，第Ⅱ冷速區(qū)則比較窄。淬透性好的鋼，其第Ⅲ冷速區(qū)較寬，即硬度-冷速曲線變化速率不大；相反，淬透性差的鋼的第Ⅲ冷速區(qū)變化陡，硬度隨冷速變化較大，如圖11所示。根據(jù)前面的道理，可以推知，鋼種的淬透性越好，越容易控制工件的淬火變形。當(dāng)然，隨著鋼的淬透性提高，其第Ⅰ冷速區(qū)也隨之變寬，因而需要采用更緩慢的淬火介質(zhì)來防止淬裂。

 

圖11 硬度-冷速曲線形狀與鋼材淬透性高低的關(guān)系

 

圖12 鋼的淬透性波動(dòng)對(duì)冷速分區(qū)情況的影響

再看同一鋼種的淬透性帶圖線，如圖12所示。當(dāng)成分波動(dòng)使鋼材的淬透性取圖中上限時(shí)，其硬度-冷速關(guān)系成圖中上面一條曲線。而當(dāng)成分波動(dòng)取下限時(shí)，分區(qū)情況如圖中下方曲線所示。上端曲線的第Ⅰ冷速區(qū)稍寬些，第Ⅱ、Ⅲ冷速區(qū)則進(jìn)一步加寬；下端曲線則相反。按前述道理推知，若同一鋼種發(fā)生成分波動(dòng)引起淬透性波動(dòng)時(shí)，淬透性偏高的鋼，比較容易控制工件的淬火變形，淬透偏低時(shí)，則較難控制工件的淬火變形。當(dāng)然，淬透性偏高，尤其是因碳含量偏高所致時(shí)，工件淬火的第Ⅰ冷速區(qū)較寬，比較容易淬裂。

上述鋼材方面的因素對(duì)工件淬火變形和開裂的影響規(guī)律，可以用來指導(dǎo)預(yù)防或解決淬火變形。有時(shí)候，可以通過改用淬透性更好的鋼種，在相同條件下淬火，來控制工件的淬火變形。而當(dāng)鋼材成分波動(dòng)使淬透性降低并因此發(fā)生淬火變形時(shí)，可以改用冷卻速度更快的淬火介質(zhì)來控制變形。為了預(yù)防鋼材成分波動(dòng)引起淬火變形，當(dāng)用油淬火時(shí)，可以改用快速淬火油，以覆蓋可能的成分波動(dòng)的影響。能這樣做的另一個(gè)原因是，絕大多數(shù)鋼種在油中(包括在快速油中)不會(huì)淬裂。對(duì)于多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼工件在油中淬火的變形問題，使用合適的水溶性淬火劑，往往可以消除變形和開裂，其原因也在于淬火冷速更快，可以保證工件的冷卻速度帶不會(huì)伸入第Ⅲ冷速區(qū)。

五、基本措施的應(yīng)用次序

上面介紹的四類調(diào)節(jié)冷卻速度帶基本措施，也就是控制淬火變形的四類基本方法。在熱處理生產(chǎn)中，解決工件淬火變形問題時(shí)，如果有足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，則可以判定直接采取某一類或幾類措施；如果經(jīng)驗(yàn)尚不足，則又可以按下面介紹的基本措施應(yīng)用次序，逐一試用，直至解決問題為止。

第一條措施：改變熱處理工藝參數(shù)

首先，可以根據(jù)淬火變形工件的冷卻速度帶的跨區(qū)情況，采取以下熱處理工藝措施：

-提高或降低工件(或其局部)的淬火加熱溫度；

-升高或降低淬火液液溫；

-增大或減小淬火冷卻過程中工件(或其局部)對(duì)淬火液的相對(duì)流速。

采取一項(xiàng)或幾項(xiàng)這類措施，通常可以解決不少淬火變形問題。

第二條措施：改變淬火液使用濃度

濃度易測易控的水溶性淬火劑配成的淬火液，適于采用這類措施。由于濃度變化后較難還原，因此，是在采取第1條措施尚不能解決問題時(shí)，才可考慮用第2條。

第三條措施：改換淬火介質(zhì)品種或加入專配添加劑

改換介質(zhì)包括：

-由自來水換成某種水溶性淬火液；

-由一種水溶性淬火液改成另一種水溶性淬火液；

-由自來水或水溶性淬火液改成油性介質(zhì)；

-由普通機(jī)油改成某種淬火油；

-由一種淬火油改成另一種淬火油；

-由冷油改成熱油；

-在普通機(jī)油中加入專配添加劑。

這都要根據(jù)工廠的情況和變形問題的特點(diǎn)來選定。由于這類改造是不可回復(fù)的，費(fèi)用也較大，應(yīng)當(dāng)慎重些。為避免改換上的失誤，事先應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)用淬火液的冷卻特性以及需要改成什么樣的冷卻特性的淬火液才能完成所希望的冷卻速度帶的變動(dòng)有充分的了解。對(duì)于水性淬火液，主要考慮它的"300℃冷速"，可以根據(jù)淬火劑的級(jí)別(或可以調(diào)節(jié)到的級(jí)別)來選用。對(duì)于淬火油，由于淬裂傾向相當(dāng)小，需要考慮的是它在淬火過程中的蒸氣膜階段長短，低溫冷卻速度高低，以及其出現(xiàn)最高冷速的溫度和最高冷速值(淬火油的冷卻速度分布)。工件的鋼種、形狀、有效厚度和熱處理要求不同，需要相適應(yīng)的冷卻特性分布的油,才可以保證其冷卻速度帶全部落入第Ⅱ冷速區(qū)。但有一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)選用淬火油(或舊油作油改性)有幫助：對(duì)于多數(shù)鋼種，當(dāng)淬火油的蒸氣膜階段較短，低溫冷速較大,以及最高冷速較高時(shí)，對(duì)保證淬硬和防止變形都很有效。

第四條措施：改換鋼種

按傳統(tǒng)的防止淬火變形措施，換鋼種是工件在自來水中淬火發(fā)生變形后，改換成淬透性好的鋼種，隨后在機(jī)油中淬火來控制變形。對(duì)這種做法的習(xí)慣性解釋為：原鋼種在自來水中淬火，冷速太快，內(nèi)應(yīng)力過大引起了超差的淬火變形。改換成淬透性更好的鋼種，由于油中冷得更慢些，內(nèi)應(yīng)力減小，因此可以減小淬火變形。這種做法通常有效。 但是，按本文方法做解釋，換鋼種用油淬火，首先是淬透性更好的鋼種有更寬的第Ⅱ冷速區(qū)，可以使該工件在油中淬火時(shí)的冷卻速度帶全部落入第Ⅱ冷速區(qū)。

當(dāng)某工件在普通機(jī)油中淬火發(fā)生超差變形時(shí)，如果變形原因是工件的冷卻速度帶伸入了第Ⅰ冷速區(qū)，可以采用分級(jí)淬火或空冷淬火，以便使其冷卻速度帶進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。當(dāng)變形原因是工件的冷卻速度帶進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)時(shí)，解決變形問題的方法就應(yīng)當(dāng)是改用快速淬火油， 或采用合適的水性淬火液，使工件的冷卻速度帶向左移入第Ⅱ冷速區(qū)。

第五條措施：改變零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)采取上述四條措施仍無效后，可以考慮用這一種方法。改變零件設(shè)計(jì)的作用是可以改變零件第II區(qū)的左右分界線的位置，如減少凹、凸部的尖銳度，使第II區(qū)的左邊界向左移而防止淬火變形或開裂；也可以是減小工件不同部位的厚度差使其冷卻速度帶變窄而完全進(jìn)入第II冷速區(qū)；還有將一個(gè)復(fù)雜的零件分成幾個(gè)形狀簡單、厚度比較均勻的零件(即變成幾個(gè)冷卻速度帶容易完全進(jìn)入第II冷速區(qū)的零件)等等。

六．淬火變形問題“復(fù)雜”的原因

熱處理界通常有人說"淬火變形問題很復(fù)雜"，"解決變形問題的措施時(shí)靈時(shí)不靈。把所有措施一起用上去，也不見得就行"。在不少地方，問題確實(shí)如此。變形問題搞得這樣復(fù)雜，原因在哪里呢？我們認(rèn)為，是對(duì)解決淬火變形的措施的特性及其相互關(guān)系缺乏了解的緣故。下面，僅用熱處理生產(chǎn)中常用的工藝參數(shù)，就可以說明這個(gè)問題。

用可調(diào)節(jié)的熱處理工藝參數(shù)，制成控制淬火變形基本措施的作用方向簡表，如表1。表中列出了常見熱處理工藝參數(shù)變化對(duì)冷卻速度帶的作用方向。比如，淬火加熱溫度升高，通常使工件淬火硬度升高，相當(dāng)于使冷卻速度帶左移；而降低淬火加熱溫度的作用相反，是使冷卻速度帶右移。又如，增大工件與介質(zhì)的相對(duì)流速，就會(huì)使冷卻速度增加，其作用就是使冷卻速度帶左移，而減小相對(duì)流速的作用相反，是使冷卻速度帶右移……等等。

表1 控制淬火變形基本措施的作用方向簡表

基  本  措 施		作用方向
		左 移	右 移
淬火加熱溫度	提高	√
	降低		√
淬火油溫度	提高	√
	降低		√
水及水溶液液溫	提高		√
	降低	√
工件與介質(zhì)的相對(duì)流速	增大	√
	減小		√
改變今禹8-20濃度	增大		√
	降低	√
自來水改成今禹8-20			√
自來水改成機(jī)油			√
機(jī)油中加入專配添加劑		√
機(jī)油改成專用淬火油		√

表列參數(shù)的增減，引起冷卻速度帶的變化，分成左移和右移兩種。由于這些參數(shù)可以用來改變工件的淬火變形，也就都是解決變形問題的措施。顯然，當(dāng)采用一項(xiàng)參數(shù)還不足以解決變形問題時(shí)，就需要同時(shí)采取幾種措施來。這時(shí)，應(yīng)當(dāng)把作用方向一致的措施用上去，而不能同時(shí)采用作用方向相反的措施。把作用方向相反的幾種措施同時(shí)用于解決一個(gè)變形問題，其結(jié)果，或許能解決變形問題、或許無效果，也或許會(huì)使工件的變形進(jìn)一步增大。過去認(rèn)為，解決問題的措施時(shí)靈時(shí)不靈等，原因就在這里。按本文提出的分析方法，找到所解決的變形問題需要向哪個(gè)方向移動(dòng)冷卻速度帶，再根據(jù)具體情況，由簡單到復(fù)雜，由成本低到成本高地把同方向的措施加上去，直到使冷卻速度帶完全進(jìn)入其第II冷速區(qū)，問題就能解決了。

七．解決淬火變形問題的途徑和措施匯總表

在說明了解決淬火變形問題的思路、目標(biāo)、措施之后，為增強(qiáng)理解，便于靈活應(yīng)用，有必要再做一次匯總。

1．解決問提的途徑

本文解決淬火變形的途徑不外兩類。一類是移動(dòng)或收縮冷卻速度帶，使其完全落入該工件的第II冷速區(qū)，如圖13所示。另一類途徑是移動(dòng)第II區(qū)的邊界，直到把工件的冷卻速度帶框進(jìn)去，如圖14所示。

 

圖13 移動(dòng)或收縮冷卻速度帶使其完全落入第II區(qū)

 

圖14 移動(dòng)第II區(qū)的邊界把冷卻速度帶框進(jìn)去

2．解決問題的措施

討論過的措施可以如表2所示分成三類。

表2 解決變形的措施分類表

類 別	性 質(zhì)	作      用
一類	熱處理工藝	移動(dòng)和收縮冷卻速度帶使完全落入第II區(qū)中
二類	鋼材成分控制和鋼種改換	移動(dòng)第II區(qū)邊界把工件的冷卻速度帶框進(jìn)去
三類	修改零件設(shè)計(jì)	同時(shí)改變第II區(qū)分界線和移動(dòng)收縮冷卻速度帶使其框入或進(jìn)入第II區(qū)中

其中，第一類措施是整體或局部移動(dòng)冷卻速度帶的措施，主要是熱處理工藝方法有關(guān)的條件和參數(shù)變化，如表1所示。

第二類措施是能移動(dòng)第II區(qū)邊界的措施。通過有目的和方向的移動(dòng)邊界，直到把工件的冷卻速度帶完全框進(jìn)其第II冷速區(qū)中。屬于這類的具體措施包括:a．改善鋼的預(yù)備組織；b．控制鋼的化學(xué)成分；c．改換鋼種；d．消除內(nèi)應(yīng)力，以及e. 避開或者減小特性溫度問題的影響等。

第三類措施是可能同時(shí)起到移動(dòng)冷卻速度帶和第II區(qū)邊界的措施，主要包括改變零件設(shè)計(jì)方面的措施。這些措施有:a．減小零件上的應(yīng)力集中，使I、II區(qū)分界線向左移；b．減小不同部位的厚度差，使冷卻速度帶變窄；c．改善零件的對(duì)稱性，使II區(qū)變寬；d．做成分體式，把問題簡單化。