7.1 局部加熱淬火工件的變形問題

一般工件只要求有限幾個特定部位的變形程度不超差，而對其它部分的變形則不加計較。因此可以說，決定工件淬火變形大小的不是整個工件的所有部分的冷卻情況，而是工件上的參與了淬火變形部位的冷卻情況。為此，在本文的第二部分提出了“工件上參與淬火變形部位”這個概念。但是，面對一個實際的工件，要回答“哪些部位參與了淬火變形？哪些部位沒有參與淬火變形？”卻很不容易。由于這樣的原因，在前面對整體淬火變形問題的討論中，我們實際上認為整個工件都參與了淬火變形。但是，感應局部加熱淬火、火焰局部加熱淬火以及激光局部加熱淬火等熱處理中，從加熱到淬火冷卻都不涉及整個工件。它們的參與淬火變形部位就不是整個工件，而是被加熱和冷卻的局部及其周圍部分。為此，有必要討論局部加熱淬火工件的淬火變形問題。

按照討論工件的形狀大小與冷卻速度帶寬窄的思路，任何一個工件的冷卻速度帶，都可以看成是構成它的多個組成部分的冷卻速度帶（集合代數的）相加的結果。因此，局部加熱淬火的工件，它的參與淬火變形部位的冷卻速度帶就一定比該工件整體淬火時的冷卻速度帶更窄。工件上同時加熱和冷卻的部分越小，跨越的界面越少，它的冷卻速度帶就越窄。

按照討論工件的形狀大小與其第II區的寬度的思路，任何一個工件的第II區，都可以看成是構成它的多個組成部分的第II區(集合代數的)交。因此，局部加熱淬火的工件，它參與淬火變形部位的第II區的寬度就一定比該工件整體淬火時的第II區的要寬。它被同時加熱冷卻的部分越小，跨越的界面越少，它的第2區也就越寬。

感應加熱淬火，特別是循序加熱淬火中，同時被加熱淬火的區域往往很窄小。相應地，它的淬火變形問題涉及的冷卻速度帶就非常的窄，同時，它的第II區卻又非常之寬。無疑，它產生的淬火變形就非常之小。事實也是如此，與整體淬火相比，各類局部加熱淬火方式的淬火變形都相當小。但是，隨著被同時加熱并冷卻的區域的增大，加熱淬硬層深度增加，特別是跨越的面增多，淬火變形程度就會迅速增大。

在淬火變形問題不難解決的情況下，一般說，感應加熱工件的淬火質量問題，除了加熱的問題外，主要是其冷卻速度帶的位置問題。這方面最容易出的問題是，因淬火介質選擇不當而引起的淬火開裂問題和淬火硬度不夠問題。通常，可以選擇的淬火介質有清水、PAG淬火液，以及淬火油。如果用清水容易淬裂，可以改用PAG淬火液。如果用PAG淬火液時有淬裂，可以通過提高PAG濃度和降低介質的流動速度來防止淬裂。對于要求更低淬火冷卻速度的工件，可以再改用埋油淬火。

縮小參與淬火變形部位可以減小工件的淬火變形，這應當成為一項控制工件淬火變形的措施來加以利用。

7.2 參與淬火變形部位及其三維分布

工件都是實體。實際工件上的參與淬火變形部位都是三維的。因此，工件的冷卻速度帶和第2區也是三維分布的。本文之所以在一條直線上討論冷卻速度帶和第II區的關系，是因為本文提供的僅僅是分析和解決淬火變形問題的共性的思路。它的作用是，遇到實際工件的淬火變形問題，采用本文提供的思路，有可能使問題變得更簡單和更容易解決。

7.3 關于評價淬火介質的變形試塊

 

圖17 一種典型的變形試塊

一種叫做美國海軍C形試塊（ the U.S. Navy C test ）的試樣，被用來評價淬火介質防止淬火變形的能力。圖17是美國金屬手冊上介紹的這種試樣的外形尺寸。在它的基礎上對其形狀大小稍做改動，又演繹出了多種相似的試樣，習慣上統稱為“變形試塊”。國內外的一些書刊中，對這類試塊及其應用常有介紹。但是，用這類試塊評選的“較理想的淬火介質”，用于實際生產時，卻常常“時靈時不靈”。不僅對不同的工件如此，對不同的變形試塊也不例外。用本文所述的方法，很容易解釋發生這種問題的原因。工件的形狀大小、所用鋼材和熱處理要求，決定了它的設計第II區的位置和寬度。在一定生產條件下，不同的工件又有不同的冷卻速度帶（的位置和寬度）。變形試塊的形狀大小、所用鋼種以及確定部位容許的變形程度確定之后，它也有自己的設計第II區。工件的第II區與選用的變形試塊的第II區完全相同的可能性是很小的。即便第II區（的位置和寬度）完全相同，工件和變形試塊又各有自己的冷卻速度帶。它們的冷卻速度帶完全相同的可能性也是很小的。因此，用變形試塊去為另外的工件選擇合適的淬火介質，實在是“張冠李戴”。

 

在此之前，本文討論的主要是單個工件的淬火變形問題。討論內容是工件的第2區和冷卻速度帶。其中，我們把各因素的作用大小，都設想在其期望值上。然而，在大批量工件的生產中，熱處理工作者面對的往往是相同鋼種制造、性能指標相同、同一種工件的淬火變形問題。這就是工件群體的淬火變形問題，和單個工件相比，群體中不同工件的任何特性都不可能是完全一致。對每一個工件來說，眾多生產工序的實際作用效果相對于所希望的目標效果的偏差，是引起這種差異的原因。比如，確定的冶金過程生產的相同品種的鋼，其化學成分總有一定程度的波動；同樣淬火冷卻條件，不同工件的冷卻效果總有一定的差異等。總之，這種偏差是不可避免的。現代大生產對工件的性能有四個層次上的均勻性要求：一是單個工件上的性能均勻性，二是同爐處理的不同工件的性能的均勻一致性，三是不同爐次的工件的性能均勻性，四是長年生產中，不同時期處理的工件的性能的均勻一致性。工件群體的淬火變形問題，討論的就是有關因素的性能波動對工件群體的淬火變形的影響規律。本方法認為，任何因素對工件淬火變形的影響，都是通過它對工件的第II區和冷卻速度帶的影響來起作用的。因此，關于工件群體的淬火變形，我們也首先研究工件群體的第II區和冷卻速度帶的分布特點，然后再結合前面介紹的分析和解決單個工件淬火變形的基本思路和辦法，來分析和解決工件群體的淬火變形問題。

8.1 用統計分布來描述工件群體的特性

一般說，不同工件之間，淬火冷卻效果的差異大致可以分成兩類。一類差異呈隨機分布，看不出明顯的變化規律。另一類差異按明顯的規律性。比如，有的逐漸變大，或者逐漸變小；有的隨季節而有規律地變化等等。后一類有規律的變化，一經發現，都可以按前面對待單個工件的淬火變形問題的解決辦法加以糾正。在此，我們將重點討論前一類變化對工件群體淬火變形的影響規律。

不管是工件的冷卻速度帶，還是工件的第2區，都可以用它們兩端邊界對應的冷卻速度值來加以描述。在長期、大量生產中，工件群體的第2區和冷卻速度帶的任何邊界的位置也不會是一個確定不變的值，而會形成有一種分布。為便于討論，我們假定這些性能指標的測量值呈正態分布，如圖18所示。正態分布是一種左右對稱的分布。按正態分布的特點，圖中，x表示所討論的性能指標值，f表示測量值的出現頻數。期望值（統計平均值） ，代表分布的集中特性。標準差s代表分布的分散特性。標準差越大，測量出的性能數據越分散。圖18-a 中，曲線兩端距平均值1.96s以遠的尾部（無斜線部分）面積，都正好等于曲線以下總面積的2.5％。兩端尾部面積之和等于曲線以下總面積的5％。而二者之間（即斜線部分）的面積就是95％。而曲線兩端距平均值2.576s以遠的尾部面積之和為總面積的1％，二者之間的面積就是99％。如圖18-b所示。依次類推，當以距平均值±3.291s為界時,能使99.9％的面積落在中間，而只有0.1％的面積劃在外面。當以距平均值±3.891s為界時，能使99.99％的面積落在中間，而只有萬分之一的面積落在其外。

         

a) 正態分布， ±1.96s劃定概率為95％的區域   b) 正態分布， ±2.576s劃定概率為 99％的區域   c) 具有相同期望值但標準差不同的兩個正態分布

圖18 正態分布及其分散特性的影響

圖18-c對比了兩個平均值相等而標準差不同的正態分布。其中，分布1比分布2更分散。它們的標準差相差一倍，即S1＝2S2。對于產品的性能分布，究竟是標準差大的好，還是標準差小的好？由于產品的有些性能值（x）是越大越好，就有人就認為，標準差大的一組數據中，有些產品可以達到更高的值，因此標準差大的更好。這種認識是錯誤的。一般說，在大量產品的生產中，平均值相同的情況下，產品標準差越小，即分散程度越小，產品的性能指標就越集中，產品的品質就越好。下面的討論也將證明，對于控制工件群體的淬火變形，對于上述邊界形成的分布，其分散程度也是越小越好。

8.2 工件群體的冷卻速度帶

 

圖19 因兩端位置、分布導致工件群體的冷卻速度帶加寬

一個工件的冷卻速度帶，是由它的參與淬火變形部位的冷卻速度的快端和慢端的冷卻速度值劃定的。對于工件群體，冷卻速度帶的快端和慢端的冷卻速度值都會形成自己的一個分布。如圖19所示。假定完全不存在各種影響因素的波動，那么，所定生產工藝獲得的冷卻速度帶的左右邊界，正好是它們各自的希望值。我們把它稱為所定生產工藝的目標值，分別以L0和R0表示。實際生產中影響因素的特性波動是不可避免的，因此，我們面對的只有形成了分布的快端和慢端。它們各有自己的分布特性。快端的希望值L0，標準差SL；；慢端的希望值R0；標準差SR。由于假定左右兩端邊界都呈正態分布，在工件群體中，冷卻速度帶落在L0和R0之間，也就是短于（L0-R0）的工件的數量，正好等于50％；而其余50％工件的冷卻速度帶的長度則大于（L0-R0）。按統計分布理論，測量值偏離平均值越遠，出現的可能性就越小。我們不能保證工件群體中完全不出現某個偏離平均值較遠的測量值，只能推算該數值出現的概率。為便于從圖形上加以解釋,仍然以左、右端都用2.5％的面積甩在外面的界限，作為工件群體的冷卻速度帶的左右邊界。這時，工件群體的冷卻速度帶的左邊界為（L0+1.96SL），右邊界為（R0-1.96SR）。如果不考慮左右邊界的不同時性，可以說，95%的工件的冷卻速度帶的長度不不超過 （L0-R0）＋1.96（SL+SR）。99％的工件的冷卻速度帶的長度不超過 （L0-R0）＋2.576（SL+SR）。根據工件的冷卻速度帶越寬，控制工件淬火變形越不容易的道理，控制工件群體的淬火變形會比單個工件更困難。容許發生超差變形的工件的比例越小，工件群體的冷卻速度帶就越寬。同時，冷卻速度帶兩端的分散程度越大，即它們的標準差越大，越不利于控制淬火變形。相反，標準差越小，控制工件群體的淬火變形就越容易。

8.3 工件群體的第2區

 

圖20 因兩端位置是分布導致工件群體的第2區變窄

用T1和T2表示第2區的左右邊界位置,S1和S2分別是它們的標準差。按上面采用的方式分析這個問題，50％工件的第2區寬度短于（T1－T2）；另外50％的工件的第2區的寬度則長于（ T1－T2）。和工件群體的冷卻速度帶的分析方法不同的是，為保證95%的工件具有更寬的第2區，就要從內部去切割曲線尾部，如圖20所示。其結果，工件群體的第2區的寬度，就比工藝目標值的第2區要短。當要求包含95％的工件時，工件群體的第2區將比工藝目標值的第2區縮短1.96（S1＋S2）。當要求包含99％的工件時，工件群體的第2區將縮短2.57（S1＋S2）。當要求包含99.9％的工件時，將縮短3.29（S1＋S2）。當要求包含99.99％的工件時，將縮短3.89（ S1＋S2）。工件群體第2區端部的分散程度越大，也就是S1和S2的值越大。第2區縮短得就越多，控制工件的淬火變形就越困難。

8.4 影響工件群體變形特性的重要因素

引起上述兩類邊界波動的原因，是影響工件冷卻速度帶和第2區的因素的特性波動。其中包含生產加工設備、條件、原材料和工藝的特性波動，以及管理和操作水平等人為因素的不穩定形成的波動。其中，已經發現的重要影響因素有如下幾個：

鋼材的化學成分波動造成的淬透性特性波動、預備組織種類和均勻性的波動、所用液態淬火介質的特性溫度問題、淬火冷卻中工件的裝掛方式和裝掛密度。

其中，裝掛方式和密度又常常與介質的特性溫度問題結合在一起，而使問題變得更復雜和更嚴重。這幾個重要因素中，除了液態淬火介質的特性溫度問題之外，其它幾個的影響因素都已得到相當的研究和重視，并正在加以控制。

另外的次要因素的特性波動，對工件群體的冷卻速度帶和第2區的影響，可以通過建立和實施標準化與質量管理來加以控制。無疑生產中各項工序的機械化和自動化，是減小這類特性波動的有效方法。

不管是重要影響因素還是次要影響因素，我們所施加的控制都不可能消除它們的波動，而只能盡可能穩定它們的目標值和減小它們的分散程度，從而減小工件淬火變形的程度和超差變形工件的量。完全消除工件的淬火變形是不可能的。