按照本文圖2擬定的思路，不難得看出：可以有兩種辦法使工件的冷卻速度帶完全落在它的第II區(qū)內(nèi)。辦法之一是，通過移動(dòng)或者縮短冷卻速度帶，使其完全落入第II區(qū)之內(nèi)。辦法之二是，通過移動(dòng)第II區(qū)的邊界，來把冷卻速度帶框進(jìn)第II區(qū)內(nèi)。圖12是這兩種方法的示意圖。從第一種方法的作用途徑可以推知，能縮短工件冷卻速度帶，以及能定向移動(dòng)冷卻速度帶的方法都可能成為減小工件淬火變形趨勢(shì)的措施。從第2種方法的作用途徑又可以推知，能擴(kuò)大工件第II區(qū)的方法，都可能成為減小工件淬火變形趨勢(shì)的措施。，前面已經(jīng)介紹了第一種方法及其相關(guān)的事項(xiàng)。下面接著對(duì)第2種方法進(jìn)行討論。
六 影響第II區(qū)寬度和位置的主要因素分析
1 工件形狀大小對(duì)第II區(qū)的影響
我們將在鋼材和冷卻條件相同的前提下，討論工件形狀大小對(duì)第II區(qū)的影響。一般說，同樣的冷卻速度差，在形狀復(fù)雜的工件上引起的內(nèi)應(yīng)力總是比在形狀簡(jiǎn)單工件上的要大。因此，工件的形狀越簡(jiǎn)單，厚薄相差越小，它承受冷卻速度快慢的能力就越強(qiáng)。它的第II區(qū)也就越寬。相反，形狀復(fù)雜工件的第II區(qū)也就更窄，如圖13（a）所示。在形狀相似而尺寸較小的工件上，相同大小的冷卻速度差引起的內(nèi)應(yīng)力，總是比尺寸更大的工件的要小。因此，大尺寸的工件的第II區(qū)要比小尺寸的工件的第II區(qū)更窄。如圖13（b）所示。
a) 工件形狀越復(fù)雜，它的第II區(qū)就越窄 b) 工件越厚大，它的第II區(qū)就越窄
圖13 工件的形狀大小與其第II區(qū)寬窄的關(guān)系
圖14 形狀復(fù)雜工件的第II區(qū)與其構(gòu)成件的第II區(qū)的關(guān)系
形狀復(fù)雜且壁厚相差較大的工件，通常都可以分劃成幾個(gè)形狀簡(jiǎn)單的部分。今有一個(gè)形狀復(fù)雜的工件，可以分割成3個(gè)形狀簡(jiǎn)單的工件。把后者稱為復(fù)雜件的構(gòu)成件。每個(gè)構(gòu)成件都有自己的第II區(qū)。那么，復(fù)雜件的第II區(qū)與其構(gòu)成件的第II區(qū)有什么樣的關(guān)系呢？。容易推知，要能同時(shí)滿足3個(gè)構(gòu)成部分的要求，復(fù)雜件的第II區(qū)必然是這3個(gè)構(gòu)成件的第II區(qū)的共同部分，如圖14所示。
如果用T1，T2和T3分別表示3個(gè)構(gòu)成件的第II區(qū)，它們組成的復(fù)雜件的第II區(qū)記為T，則它們的關(guān)系就可以用集合代數(shù)表示成式（2）的形式。
T = T1 • T2 • T3 …… （2）
需要說明的是，式（2）中的相乘符號(hào)不是算術(shù)上的相乘關(guān)系，而是集合代數(shù)上的相交關(guān)系。圖14中，構(gòu)成件3的第II區(qū)的左邊界成為復(fù)雜件的第II區(qū)的左邊界，而構(gòu)成件2的第II區(qū)的右邊界則成為復(fù)雜件的第II區(qū)的右邊界。因此復(fù)雜件的第II區(qū)總是小于（等于）任何構(gòu)成件的第II區(qū)。由此可以得出這樣的推論：工件的形狀越復(fù)雜，厚薄相差越大，它的第II區(qū)就越窄。為了簡(jiǎn)化討論內(nèi)容，在此沒有把各組成部分在復(fù)雜件中的結(jié)合部的影響考慮進(jìn)去。
工件上的應(yīng)力集中特性也值得關(guān)注。特定部位的應(yīng)力集中系數(shù)大小會(huì)影響工件的第II區(qū)的左右邊界的位置。應(yīng)力集中系數(shù)越大，第II區(qū)的左邊界就靠右，相應(yīng)地，工件的第II區(qū)就越窄。相反，應(yīng)力集中系數(shù)越小，第II區(qū)的右邊界就越靠左。相應(yīng)地，工件的第II區(qū)也就越寬。
歸納起來，從零件設(shè)計(jì)角度談，零件形狀越復(fù)雜、厚薄相差越大、對(duì)稱性越差以及它上面的應(yīng)力集中系數(shù)越大，工件的第II區(qū)就越窄。它的淬火變形就越難控制。相反，零件形狀簡(jiǎn)單、厚薄相差小、對(duì)稱性好，上面的應(yīng)力集中系數(shù)越小，工件的第II區(qū)就越寬。它的淬火變形越容易控制。
2 鋼材的淬透性高低
鋼材的淬透性高低是影響工件第II區(qū)寬度和位置的重要因素。在形狀大小一定的前提下，淬透性好的鋼，可以用不太快的淬火冷卻速度獲得要求的淬硬效果；而淬透性差的鋼，必須用更高的淬火冷卻速度，才有可能把它淬硬。因此，可以說，淬透性好的鋼制的工件，其第II區(qū)的右邊界偏右；而淬透性差的鋼制的工件，其第II區(qū)的右邊界這偏左。如以獲得一定馬氏體比例的冷卻速度為第II區(qū)的右邊界，從鋼材的端淬曲線上比較，可以作成圖15。圖中，a）是淬透性好的鋼的冷卻速度分區(qū)圖，b）是淬透性差的鋼的這種分區(qū)圖。容易看出，淬透性好的鋼，其第II區(qū)較寬，而淬透性差的鋼，其第II區(qū)則較窄。同時(shí)，由于淬透性好的鋼容易淬裂，其第II區(qū)的左邊界偏右，而淬透性差的鋼的左邊界則偏左。
圖15 淬透性好的鋼第II區(qū)寬且偏右，淬透性差的鋼第II區(qū)窄而偏左
由于淬透性差的鋼的第II區(qū)較窄，通常就不適于制造形狀較復(fù)雜的工件。原因很簡(jiǎn)單，復(fù)雜工件的冷卻速度帶寬，窄的第II區(qū)把“它裝不下”。事實(shí)上，相當(dāng)一部分形狀復(fù)雜工件的淬火變形問題，最終是靠改換鋼種，即從淬透性較差的鋼，改換成淬透性更高的鋼，才得到解決的。因?yàn)椋Ｓ玫臒崽幚硎址ǎ瑢?shí)在不可能把工件冷卻速度帶的寬度壓縮到所用鋼種窄小的第II區(qū)內(nèi)！
到此，不難用冷卻速度帶法去解釋零件設(shè)計(jì)上選擇鋼種的一些原則。比如，淬透性差的鋼，只適合于制造形狀簡(jiǎn)單的小工件。又如，在都能保證工件淬硬的鋼種中，形狀復(fù)雜的工件，應(yīng)當(dāng)選用淬透性偏高的鋼種，只有形狀簡(jiǎn)單的工件才適合選用其中淬透性偏低的鋼種。
3 零件設(shè)計(jì)確定了工件的設(shè)計(jì)第II區(qū)
零件設(shè)計(jì)確定了工件的形狀尺寸。選定了鋼種，又確定了工件材質(zhì)和熱處理要求。二者結(jié)合在一起，該工件在淬火冷卻種中基本的第II區(qū)也就確定了下來。我們把這種由零件設(shè)計(jì)確定的基本第II區(qū)叫做工件的“設(shè)計(jì)第II區(qū)”。
根據(jù)本文所述方法的基本思路，工件設(shè)計(jì)第II區(qū)的右邊界值，應(yīng)當(dāng)位于所用鋼材端淬曲線上半馬氏體組織對(duì)應(yīng)的冷卻速度值的左邊。參照本文圖2b，也就是設(shè)計(jì)第II區(qū)的右邊界應(yīng)當(dāng)在端淬曲線上硬度降低最快部分的左邊。本文提出的方法，只適用于符合這種條件的工件的淬火變形問題。一般的中小型淬火工件，大多符合這一要求。不符合這一要求的工件，不可能用通常的淬火冷卻方法得到通常淬火工件的熱處理要求。遇到不符合這種要求的淬火變形工件，可以試著改善零件設(shè)計(jì)或者改換鋼種，來解決它們的淬火變形問題。
在所用鋼材的生產(chǎn)過程和工件的冷熱加工過程中，有多種因素可能使實(shí)際工件的第II區(qū)偏離它的設(shè)計(jì)第II區(qū)，并因此影響工件最終的淬火變形特點(diǎn)和變形大小。下文將對(duì)其中的幾個(gè)主要影響因素的作用加以討論。
4 鋼材的成分波動(dòng)
圖16 同種鋼材的淬透性波動(dòng)與不同批次鋼材共同的第II區(qū)
由于不可避免的成分波動(dòng)，鋼廠為每一種鋼提供的淬透性特性都不是一條曲線，而是鋼材的淬透性帶，如圖16所示。所有端淬曲線能夠落入該淬透性帶內(nèi)的鋼，都算是淬透性合格的產(chǎn)品。因此，在大批量生產(chǎn)同一種工件的熱處理中，要想使所有被淬火的工件都獲得要求的淬火冷卻效果，就必須了解合格鋼材共同的第II區(qū)的特點(diǎn)。按照上文所述的道理，淬透性帶的上邊界代表了合格鋼材中淬透性最好的鋼的淬透性曲線；而淬透性帶的下邊界，則代表了合格鋼材中淬透性最差的鋼的淬透性曲線。其它淬透性居于二者之間的鋼，它們的淬透性曲線落在上述上下邊界曲線之間。所有同一鋼種制的工件共同的第II區(qū)，自然就是上下邊界所代表的鋼種共同的第II區(qū)。容易看出，這個(gè)共同的第II區(qū)比所有鋼材的第II區(qū)都要窄！由此可以得出這樣的推論：鋼材的淬透性帶越寬，該鋼種共同的第II區(qū)就越窄，所制工件的淬火變形就越難控制。相反，鋼材的淬透性帶控制得越窄，該鋼種共同的第II區(qū)就越寬，所制工件的淬火變形就越容易控制。
實(shí)際生產(chǎn)中，大量的事實(shí)都可以證明這一規(guī)律性。此外，如果把同一鋼件中不可避免的成分偏析也考慮進(jìn)去，共同的第II區(qū)應(yīng)該再窄一些。從這個(gè)道理不難設(shè)想，用粉末冶金方法生產(chǎn)的工件，不僅能把鋼材的成分波動(dòng)控制在更窄小的范圍，還可以基本消除成分偏析的影響，它們的淬火變形趨勢(shì)必然更小。
鋼材的淬透性波動(dòng)的影響只體現(xiàn)在不同爐次的鋼材之間，而不體現(xiàn)在同一個(gè)工件上。因此，如果能做好鋼材的分爐次管理，并根據(jù)不同爐次鋼材的淬透性和化學(xué)成分，調(diào)節(jié)有關(guān)的熱處理參數(shù)，控制好工件冷卻速度帶的位置和寬度，也能減少發(fā)生超差淬火變形工件的比例。
5 淬火前的預(yù)備組織
鑄造質(zhì)量，鍛造質(zhì)量，退火、正火，以及最終淬火之前的調(diào)質(zhì)等，都會(huì)對(duì)后來的淬火變形和開裂趨向產(chǎn)生影響。它們的影響一般都反應(yīng)在最終熱處理之前的微觀和宏觀組織上，也就是淬火之前的預(yù)備組織的好壞上。評(píng)價(jià)預(yù)備組織的好壞，主要看兩個(gè)方面的特點(diǎn)：一是預(yù)備組織的類型，二是預(yù)備組織的均勻程度。
鋼種和用途不同，希望的預(yù)備組織也不同。普通中碳結(jié)構(gòu)鋼希望的是細(xì)珠光體組織。工具鋼和軸承鋼大多以球化退火組織為預(yù)備組織。滲碳淬火的工件，一般以塊狀先共析鐵素體＋均勻分布的片狀珠光體組織為好。
最近幾年，在國(guó)內(nèi)汽車齒輪行業(yè)，為減小滲碳齒輪的淬火變形，齒輪毛坯鍛件的等溫正火得到越來越廣泛的應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，齒輪毛坯經(jīng)過等溫正火后，滲碳淬火后工件的變形量會(huì)明顯減小。而且，等溫正火后不同工件硬度差異越小，滲碳淬火后工件群體的變形程度也越低。其原因是，傳統(tǒng)的散亂空冷正火法獲得的正火組織中，既有形態(tài)不一的珠光體和鐵素體，也有粗大奧氏體空冷形成的魏氏組織，還有快冷部分形成的貝式體甚至馬氏體。和珠光體相比，魏氏體、貝式體和馬氏體屬于非平衡組織。具有這類預(yù)備組織的工件，在隨后的滲碳加熱中，由于非平衡組織的遺傳性，所獲得的奧氏體常常是奧氏體晶粒大小很不均勻的混晶組織。因不同的組織組有不同的承受冷卻速度快慢的能力。也就有不同的變形趨勢(shì)，其結(jié)果，具有混晶組織的工件，其第II區(qū)就會(huì)比均勻的單一組織的窄，變形趨勢(shì)也就更大。在等溫正火生產(chǎn)線上做等溫正火，可以切斷上述組織遺傳性，獲得均勻的鐵素體＋珠光體的平衡組織。這就擴(kuò)大了工件的第II區(qū)，減小了它的淬火變形趨勢(shì)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，預(yù)備組織的均勻性越好，工件的淬火變形量的分散度就越小。或者說淬火變形有比較好的規(guī)律性。有規(guī)律性的淬火變形，往往容易通過預(yù)留適當(dāng)?shù)募庸び嗔縼砑右缘窒＝M織均勻性既表現(xiàn)在同一工件上，也表現(xiàn)在不同工件之間。也就是說，工件的組織均勻性既是工件個(gè)體的問題，也是不同工件組成的群體的問題。
淬火加熱前，工件上的內(nèi)應(yīng)力過大，有可能引起工件超差的淬火變形。因此，不少人把淬火加熱之前工件上的內(nèi)應(yīng)力大小，看成是預(yù)備組織好壞的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們認(rèn)為，在淬火工序的加熱過程中，工件上原來的內(nèi)應(yīng)力，總能通過工件上的塑性變形而得到釋放。因此，原來的內(nèi)應(yīng)力不會(huì)影響工件淬火冷卻中的變形情況。它之所以引起工件超差的淬火變形，是后來的淬火變形疊加到工件加熱中釋放內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形上，使某些部位的變形程度超差的結(jié)果。在機(jī)加工之前，做一次消除應(yīng)力處理，問題就能得到解決。所以，本文沒有把淬火加熱之前的內(nèi)應(yīng)力看成引起冷卻中的淬火變形的因素。
6 液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問題
在本文的第五部分，我們把液態(tài)介質(zhì)的特性溫度問題引起的冷卻速度突變，更直觀地看成是引起了短時(shí)厚度差異。無疑，這種短時(shí)厚度差會(huì)使工件第II區(qū)的右邊界向左移，從而使第II區(qū)變窄。并因此使工件的淬火變形趨勢(shì)增大。值得一提的是，在我們最新的試驗(yàn)研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，任何形狀大小的工件，在油性和水性介質(zhì)中做淬火冷卻時(shí)，上述短時(shí)厚度差的存在時(shí)間都比原來估計(jì)的要長(zhǎng)得多。因此，液態(tài)淬火介質(zhì)特性溫度問題的危害性應(yīng)當(dāng)比原來估計(jì)的更大些。短時(shí)厚度差不僅會(huì)增大工件的冷卻速度帶，同時(shí)也會(huì)縮短工件的第II區(qū)。兩方面都不利于我們控制工件的淬火變形。此外，一般的液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問題多出現(xiàn)在工件溫度比較高、塑性比較好的時(shí)候。大的厚度差會(huì)引起大的內(nèi)應(yīng)力，加上鋼材塑性好，而且作用時(shí)間也不太短，引起塑性變形的可能性就不會(huì)小。
7 工件裝掛方式與介質(zhì)攪拌情況的影響
多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，工件的裝掛方式和工件的間距，會(huì)影響工件周圍的介質(zhì)流動(dòng)和散熱情況，并因此造成不同工件的第II區(qū)在位置和寬度上的差異。裝掛工件時(shí)容易出現(xiàn)的問題是，不考慮工件的厚薄差異，只求多裝，或者只圖好裝、好放。這就可能使某些工件的薄小部分冷得更快，而增大工件的有效厚度差異，從而使部分工件的第II區(qū)變窄。合理的裝掛方式，應(yīng)當(dāng)使工件上較厚大的部分和散熱困難的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。這樣做了，工件的實(shí)際第II區(qū)將會(huì)比它的設(shè)計(jì)第II區(qū)更寬。
淬火冷卻中，介質(zhì)的攪拌會(huì)影響工件的冷卻情況。攪拌方式不同，裝放在不同部位的工件獲得的第II區(qū)會(huì)不一樣。能使厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，和不同部位的工件能獲得盡可能相同的冷卻效果的攪拌方式，可以增大工件的第II區(qū)，并因此減小工件的淬火變形趨勢(shì)。相反，則會(huì)減小工件的第II區(qū)，從而增大工件的淬火變形趨勢(shì)。
工件的裝掛方式會(huì)影響介質(zhì)的流動(dòng)情況。而介質(zhì)的攪拌也會(huì)影響工件冷卻的均勻性。把二者結(jié)合起來考慮，才能使不同部位的工件得到盡可能一致的冷卻效果。
|
