出現(xiàn)在淬火冷卻中的淬火變形問題，首先應(yīng)當(dāng)從熱處理環(huán)節(jié)，尤其是從淬火冷卻中去找原因。即便引起變形的主要原因在熱處理之前，首先找找熱處理方面的原因，也能幫助我們確定熱處理之前的原因所在的范圍。何況，不少熱處理之前留下的可能引起淬火變形的因素，也可以通過熱處理手段加以解決。因此，我們首先從淬火冷卻中尋找影響和控制工件淬火變形的因素，也就是影響工件的冷卻速度帶的位置和寬度的因素，并研究這些因素的特性和相互關(guān)系。

 

現(xiàn)場熱處理人日常的工作，是對(duì)已經(jīng)送到熱處理車間來的工件做淬火處理。這時(shí)候，按冷卻速度帶法，工件的第II區(qū)的寬度和位置，也就是工件承受淬火冷卻速度快慢的能力已經(jīng)基本確定了。我們要做的就是使工件在淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢程度，既不超過它所能承受的上限，即第II區(qū)的左邊界的冷卻速度；也不慢過它容許的最慢冷卻速度，即第II區(qū)的右邊界的冷卻速度。做好了這一點(diǎn)，就能得到變形不超差等熱處理要求。

1、確定冷卻速度帶的方法

通過檢查工件的淬火變形、是否淬裂，以及淬火態(tài)的表面硬度值，有時(shí)候再加上工件某些部位的淬硬層深度，再依據(jù)本文表1所列的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，就可以確定實(shí)際工件的冷卻速度帶及其跨區(qū)情況。如果再參照該工件的端淬曲線，還可以確定該工件的冷卻速度帶的寬度和左右邊界的位置。用這樣的方法確定的冷卻速度，是從最終的淬火組織來推測的“效果冷卻速度”，其中并不包括獲得該效果的實(shí)際冷卻過程的情況。或者說，不同的實(shí)際冷卻過程，也可能獲得相同的效果冷卻速度值。這是熱處理工藝方法的多樣性和不唯一性決定的。

有些情況下，用上述檢查淬火態(tài)表面硬度的辦法，不大容易找準(zhǔn)快端的位置。比如，淬透性比較好的鋼、滲碳工件的淬火、或者工件的形狀比較復(fù)雜，加上沒有發(fā)生淬火開裂等情況。這是因?yàn)椋�淬透性好的鋼端淬曲線左端比較平緩，滲碳鋼件的表面硬度比較均勻，單憑表面硬度還不大容易找到曾經(jīng)經(jīng)受冷卻速度最快的部位。這時(shí)，更適宜用淬硬層深度來確定快端的位置。淬硬層最深的部位，就是曾經(jīng)經(jīng)受最快淬火冷卻的部位，也就是快端所在的部位。當(dāng)然，如果采用檢查淬硬層深度來確定快端的位置，隨后也就應(yīng)當(dāng)改用控制淬硬層深度的辦法，來移動(dòng)快端的冷卻速度值。

此外，由于不同工件的實(shí)際情況千差萬別，作為分析和解決淬火變形問題的通用方法，就只能是定性的方法。為此，本文所用圖線上大多只有說明大小的位置關(guān)系，而不標(biāo)注具體數(shù)值。

2、工件的裝掛方式引起的淬火變形問題

工件淬火冷卻中，裝掛方式對(duì)它們的冷卻速度帶的位置和寬窄有較大的影響；尤其是在多個(gè)工件同爐淬火的場合。裝掛方式通過影響工件周圍的散熱條件，介質(zhì)流動(dòng)情況和介質(zhì)的液溫分布，來影響不同部位的冷卻情況。和單件淬火相比，多件同時(shí)淬火時(shí)，工件的冷卻速度帶往往要向右（冷卻速度減慢）方偏移。而冷卻速度帶的慢端向右偏移通常更遠(yuǎn)些。其結(jié)果，冷卻速度帶的寬度也隨之增大。如果采用的裝掛工具不當(dāng)，或者工件的間距過小，冷卻速度帶向右偏移過多，就可能引起部分工件超差的淬火變形。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，某廠大行星齒輪的滲碳淬火變形問題，就是裝掛方式引起淬火變形的典型例子。該廠生產(chǎn)直徑600mm的20Cr2Ni4A鋼大行星齒輪，要求齒面做滲碳淬火。開始采用的裝掛方式如圖5a所示。由于兩齒輪端面挨得很近，狹縫中淬火油流動(dòng)不暢，不僅造成部分齒面淬火硬度偏低達(dá)52HRC，還引起了最大1.4mm的端平面度變化。后來，通過改變裝掛方式，加寬了兩個(gè)齒輪端面的間距，如圖5b所示，來保證端面更容易散熱和淬火油能順暢流動(dòng)。結(jié)果，端面平面度變化降低到0.4mm以下，最小的平面度變化只有0.1mm。變形問題解決了，齒面硬度也整體提高到60～62HRC范圍。

如果用冷卻速度帶法來分析這一變形問題的解決過程，容易看出：開始時(shí)因?yàn)楣ぜ�裝掛方式不當(dāng)，降低了齒輪端平面部分的淬火冷卻速度。使該部位成為冷卻速度帶的慢端，并且向右伸入它們的第III冷速區(qū)內(nèi)，以致工件超差變形和硬度高低不均。改變裝掛方式，提高了齒輪端面的淬火冷卻速度后，工件的冷卻速度帶的慢端向左收縮，達(dá)到完全進(jìn)入其第II冷速區(qū)的程度。淬火變形就得到了解決 。

 

a）改進(jìn)前      b）改進(jìn)后

圖5 大行星齒輪滲碳淬火的裝掛方式改進(jìn)前后

多個(gè)同樣的工件同批淬火時(shí)，由于各工件所處的位置和環(huán)境不同，不同工件的冷卻速度帶的位置和寬度，以及不同工件的快端和慢端的部位，都會(huì)有所不同。這兩方面的不同又將影響到不同工件的變形方式和變形程度。無疑，改變工件的裝掛方式和裝掛密度，可以改變不同工件的冷卻速度帶的位置和寬度，以及不同工件的變形方式和變形程度。因此，大生產(chǎn)中，工件淬火冷卻時(shí)的裝掛工具和裝掛密度是影響工件淬火變形情況的重要因素。

3、冷卻速度帶橫跨3個(gè)區(qū)的淬火變形問題

某廠生產(chǎn)一種65Mn制的切割石材用的大圓鋸片基片，直徑1600mm，厚度8mm，如圖6所示。該工件要求的淬火硬度60HRC以上，片內(nèi)不同部位的硬度差異小于3HRC。開始，該廠采用普通機(jī)油淬火，不僅淬火硬度達(dá)不到要求，還有嚴(yán)重的淬火變形翹曲。好在還沒有發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。為了提高板片的淬火硬度，決定改用有機(jī)聚合物水溶液來淬火。試生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，水溶液中淬火后，淬火變形更加嚴(yán)重。檢查發(fā)現(xiàn)，板片邊緣部分淬火硬度高達(dá)63HRC。但是，齒口部多處淬裂。片內(nèi)面硬度高低不均，最低處只有39HRC。這一淬火難題困擾了該企業(yè)好幾個(gè)月。后來，采用一種快速淬火油，問題才得到完滿的解決。

 

圖6 采用不同淬火介質(zhì)時(shí)，大型圓鋸片的冷卻速度帶的跨區(qū)情況

現(xiàn)在，用本文介紹的冷卻速度帶法，來分析一下該鋸片的變形和開裂問題。65Mn淬透性不太好，鋸片又特別大，在普通機(jī)油中淬火，不容易達(dá)到要求的淬火硬度。結(jié)果，工件的冷卻速度帶落到了第III區(qū)上，如圖6a所示。所用水溶性淬火液的冷卻速度比普通機(jī)油快得多，但它是以水為主的淬火液，不可避免地有水的兩大缺點(diǎn)：低溫冷卻速度太快，和冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感。垂直放在水中冷卻的大鋸片，就像一堵墻一樣限制了水的流動(dòng)。工件淬火冷卻中，接觸高溫而被加熱了的淬火介質(zhì)只能沿著鋸片往上升。在自動(dòng)上升過程中又進(jìn)一步被工件加熱。結(jié)果同一板片從下向上接觸的水溫是越來越高。水溫越高，水的冷卻能力越低，使得板片的下部邊緣附近獲得的冷卻速度很高；中間、特別是中偏上部分獲得的冷卻速度相當(dāng)?shù)汀＝Y(jié)果，板片的邊緣、特別是下部和側(cè)面邊緣淬火硬度很高，并淬裂。這說明這些部位進(jìn)入了第1冷速區(qū)。而其板片中上部分，因冷卻速度較低，造成淬火硬度不足且高低不均，變形翹曲非常嚴(yán)重，表明這些部位進(jìn)入了第III冷速區(qū)，如圖5b。這樣，工件的冷卻速度帶就橫跨了I、第II和第III共三個(gè)冷卻速度區(qū)。結(jié)果，在一個(gè)工件上同時(shí)出現(xiàn)淬火變形、淬火開裂和硬度高低不均等問題。后來，該廠改用了冷卻速度遠(yuǎn)高于普通機(jī)油的快速淬火油。該快速淬火油能使鋸片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷卻速度低于原來使用的水溶性淬火液，又解決了淬火開裂問題。

在鋸片的中上部，油溫升高使油的黏度降低而流動(dòng)性有所提高，可以抵消油溫升高使工件與介質(zhì)之間的溫差減小的不利影響。加上油的冷卻特性對(duì)使用范圍的油溫變化不敏感，其結(jié)果，板片中間部分獲得的冷卻速度與邊緣部分基本相同。這些情況都有利于獲得內(nèi)外基本一致的淬火硬度，因而也有利于減小板片的淬火變形。相對(duì)于普通機(jī)油和熱水，快速淬火油使工件冷卻速度帶的慢端從第III冷速區(qū)向左收縮。相對(duì)于水性淬火液，快速淬火油使工件冷卻速度帶的快端向右收縮。其結(jié)果，冷卻速度帶從左、右兩個(gè)方向同時(shí)向第II冷速區(qū)收縮，并完全落人第II冷速區(qū)內(nèi)。結(jié)果，用快速淬火油完滿地解決了該類大圓鋸片的淬火變形問題。

4、重新認(rèn)識(shí)等溫分級(jí)淬火方法減小淬火變形的原因

等溫分級(jí)淬火法是減小淬火變形的有效方法。關(guān)于這類方法能減小工件淬火變形的道理，當(dāng)前的國內(nèi)外書刊上都有相同的圖示解釋。當(dāng)前，等溫分級(jí)淬火的介質(zhì)有兩類。第一類是等溫分級(jí)淬火油。實(shí)際生產(chǎn)中，等溫分級(jí)淬火油用得最多。中小模數(shù)齒輪的滲碳淬火大多采用等溫分級(jí)淬火油。另一類是等溫鹽浴（主要是硝鹽浴）。在我國熱處理行業(yè)，鹽浴在合金工具鋼類工件的熱處理中應(yīng)用較廣；而在結(jié)構(gòu)鋼類的基礎(chǔ)件的熱處理中用得很少。是不是所有的淬火變形問題都可以改用通常的等溫分級(jí)淬火油而得到解決？生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，答案是否定的。下面，我們將用本文介紹的冷卻速度帶法，重新認(rèn)識(shí)等溫分級(jí)淬火方法能控制工件淬火變形量的道理，并進(jìn)而說明它的適用范圍。

圖7是當(dāng)前通用的解說示意圖。每個(gè)圖中快慢不同的兩條冷卻過程曲線，分別代表工件的表面和心部的冷卻過程曲線。有關(guān)的解釋是熱處理人共知的。

         

a）普通一冷到底的淬火法      b）等溫分級(jí)淬火法

圖7 常見的等溫分級(jí)淬火法能控制淬火變形的道理分析法

按照本文介紹的方法，我們對(duì)圖7做了一些改動(dòng)，使它變成了圖8。改動(dòng)之處是：圖8中用“冷卻速度帶的快端”代替圖7中的“工件表面”，用“冷卻速度帶的慢端”代替圖7中的“工件的心部”。作這種改動(dòng)的理由是：（1）除了組織和成分均勻的標(biāo)準(zhǔn)圓球外，實(shí)際工件上都找不出哪個(gè)部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。（2）工件上參與淬火變形部位的冷卻情況，也就是冷卻速度帶的“快端”和“慢端”的位置，決定了工件的淬火變形大小；而與根本找不到的“表面”和“心部”關(guān)系不大。（3）只有少數(shù)種類的零件要求將心部淬透。而多數(shù)零件只要求一定的淬硬層深度，過淺和過深的淬硬層都是有害的。

 

a） 普通一冷到底的淬火法

 

b）等溫分級(jí)淬火法

圖8 冷卻速度帶法的分析法

圖8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷卻速度過高，冷卻過程中，工件的冷卻速度帶部分或者全部進(jìn)入了該工件的第I冷速區(qū)。也由于淬火冷卻速度過快，工件的冷卻速度帶也比較寬。淬火的結(jié)果，工件淬火變形超差，但同時(shí)淬火硬度也一定很高。這種情況下，改用等溫分級(jí)淬火的辦法，比如采用一種等溫分級(jí)淬火油來做等溫分級(jí)淬火，既可能使工件的冷卻速度帶向右移，又可能減小工件的冷卻速度帶的寬度，從而使它完全落入其第II冷速區(qū)內(nèi)。如圖8b所示。完成這種右移的淬火油，其效果冷卻速度一定比原來采用的淬火油的更低。由于油性等溫分級(jí)淬火介質(zhì)的效果冷卻速度低，因此只適用于壁厚較小的結(jié)構(gòu)鋼類工件，以及淬透性較高的合金鋼件。

需要說明的是，圖8中所畫快端和慢端的冷卻過程曲線相對(duì)于TTT曲線的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷卻條件下的特例，不具有普遍的代表性。

但是，如果引起淬火變形的原因是所用淬火介質(zhì)的冷卻速度不夠快，以致使淬火工件的冷卻速度帶部分甚至全部落入其第III冷速區(qū)。對(duì)這樣的淬火變形問題，改用等溫分級(jí)淬火油，就得不到解決。只有改用淬火冷卻速度更快的冷卻介質(zhì)，來使工件的冷卻速度帶向左移入第II冷速區(qū)內(nèi)，變形問題才能得到解決。許多模數(shù)較大的齒輪，特別是那些從動(dòng)錐形齒輪（所謂大盤齒），用普通機(jī)油淬火引起的淬火變形問題，都不是用等溫分級(jí)淬火油，而是改用快速淬火油來解決的，原因就在這里。

 

圖9 快速淬火油與160℃硝鹽浴的冷卻特性對(duì)比

此外，還有一些壁厚更大，而且第II冷速區(qū)又較窄的結(jié)構(gòu)鋼制工件，比如一些形狀復(fù)雜、壁厚相差大，以及要求嚴(yán)格控制淬火變形程度的較厚大工件，因?yàn)殡y以達(dá)到要求的淬火硬度，或者窄小的第II冷速區(qū)裝不下過寬的冷卻速度帶，用水性介質(zhì)、普通機(jī)油和快速淬火油都不能解決它們的淬火變形問題。為了控制這類工件的淬火變形，需要選用冷卻速度比油快的等溫分級(jí)淬火介質(zhì)。當(dāng)前能解決這類問題的，只有低溫鹽浴。圖9中對(duì)比了160℃硝鹽浴與冷卻速度特別快的快速淬火油的冷卻特性。可以看出，該硝鹽浴的冷卻速度在從高到低的溫度范圍都比快速淬火油要快。一般工件在低溫鹽浴中做淬火冷卻，由于工件的淬火加熱溫度低于鹽浴的特性溫度，冷卻過程沒有蒸汽膜階段。這一特點(diǎn)既可以提高工件在鹽浴中的冷卻速度，又可以避免特性溫度所引起的冷卻速度帶加長。因此，用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火，既能把工件的冷卻速度帶向左移到第2冷速區(qū)上，又因等溫分級(jí)作用和沒有蒸汽膜階段而縮短工件的冷卻速度帶，使它容易落入第II冷速區(qū)之內(nèi)。這是更厚大的工件特別適合用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火的原因。