熱處理淬火及變形

熱處理工藝、操作與變形關(guān)系

一、預(yù)處理

淬火前通過對工件進(jìn)行消除應(yīng)力、改善組織的預(yù)備熱處理，對減少淬火變形是非常有利的。預(yù)處理一般包括球化退火、消除應(yīng)力退火，有些還采用調(diào)質(zhì)或正火處理。

①消除應(yīng)力退火：在機(jī)械加工過程中，工件表層在加工方法、背吃刀量、切削速度等的影響下，會產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，由于其分布的不均衡，導(dǎo)致了工件在淬火時(shí)產(chǎn)生了變形。為了消除這些應(yīng)力的影響，淬火前將工件進(jìn)行一次消除應(yīng)力的退火是必要的。消除應(yīng)力退火的溫度一般為500-700℃，在空氣介質(zhì)中加熱時(shí)，為防止工件產(chǎn)生氧化脫碳可采用500-550℃進(jìn)行退火，保溫時(shí)間一般為2-3h。工件裝爐時(shí)要注意可能因自重引起的變形，其他操作同一般退火操作。

②以改善組織為目的的預(yù)熱處理：這種預(yù)處理包括球化退火、調(diào)質(zhì)及正火等。球化退火：球化球退火是碳素工具鋼及合金工具鋼在熱處理過程中必不可少的工序，球化退火后所獲得的組織對淬火變形趨勢影響很大。所以可以通過調(diào)整退火后的組織來減少某些工件有規(guī)律的淬火變形。其他預(yù)處理：為減少淬火變形所采用的預(yù)處理方法有很多種，如調(diào)質(zhì)處理、正火處理等。針對工件產(chǎn)生淬火變形的原因及工件所用材料，合理地選用正火、調(diào)質(zhì)等預(yù)處理對減少淬火變形是有效的。但應(yīng)對正火后引起的殘余應(yīng)力及硬度提高對機(jī)加工的不利影響應(yīng)給予注意，同時(shí)調(diào)質(zhì)處理對含WMn等鋼可減少淬火時(shí)脹大，而對GCr15等鋼種的減少變形作用不大。

在實(shí)際生產(chǎn)中要注意分清淬火變形產(chǎn)生的原因，即要分清淬火變形是由殘余應(yīng)力引起的還是由組織不佳引起的，只有這樣才能對癥處理。若是由殘余應(yīng)力引起的淬火變形則應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力退火而不用類似調(diào)質(zhì)等改變組織的預(yù)處理，反之亦然。只有這樣，才能達(dá)到減少淬火變形的目的，才能降低成本，保證質(zhì)量。

以上各種預(yù)處理的具體操作同其他相應(yīng)操作，此處不贅述。二、淬火加熱操作

①淬火溫度：淬火溫度對工件的淬火變形影響很大。其影響淬火變形趨勢的一般規(guī)律如圖所示。根據(jù)圖的所示曲線對淬火畸變的影響規(guī)律，我們可通過調(diào)整淬火溫度來達(dá)到減少變形的目的，或?qū)㈩A(yù)留機(jī)械加工余量同淬火溫度來達(dá)到減少變形的目的，或?qū)㈩A(yù)留機(jī)械加工余量同淬火溫度經(jīng)熱處理試驗(yàn)后合理地選擇、使用，從而達(dá)到減少后序加工余量。淬火溫度對淬火變形的影響除與工件所用材料有關(guān)外，還與工件的尺寸、形狀等有關(guān)。當(dāng)工件形狀和尺寸差異很大時(shí)，雖然工件使用材料一樣，但淬火變形趨勢卻大不相同，操作者在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意這種情況。

②淬火保溫時(shí)間：保溫時(shí)間的選擇除了要保證工件透燒、淬火后達(dá)到要求的硬度或其他力學(xué)性能外，還要考慮它對淬火變形的影響。延升淬火保溫時(shí)間，實(shí)際上就相應(yīng)地提高了淬火溫度。特別是對高碳高鉻鋼，這一影響尤顯突出。

③裝爐方法：工件在加熱時(shí)擺放形式不合理，則會產(chǎn)生因工件自重而引起的變形或因工件之間相互擠壓產(chǎn)生變形或因工件堆放過密造成加熱及冷卻不均而產(chǎn)生變形。如某彈簧件，淬火時(shí)曾用垂直吊掛的方式在860±10℃的保護(hù)氣氛加熱爐中加熱保溫30min，保溫后從爐中取出并將工件垂直淬入冷卻油中，淬火后彈簧總長縮短了27mm，并且上下螺距因淬入淬火介質(zhì)的時(shí)間差異而變形量也不一樣。后改用彈簧套在心軸上，并水平吊掛裝爐，其他操作過程同前，淬火后，其變形情況大為改觀，螺距均勻，總長度收縮較小。特別是細(xì)長的工件除不能以密堆橫放的方式裝爐外，在鹽浴爐加熱時(shí)，還應(yīng)考慮到因加熱介質(zhì)翻滾使工件產(chǎn)生變形的可能。細(xì)長且重量較小的桿類工件裝爐時(shí)，一般是將鹽浴爐先升至稍高于淬火溫度，斷電后再將工件裝入鹽浴爐中，裝爐時(shí)要穩(wěn)，并且采用不通電的方式加熱工件，從而達(dá)到減少工件的淬火變形的目的。

④加熱方式：工件的形狀復(fù)雜、厚薄懸殊較大時(shí)，特別是當(dāng)其材料的含碳及合金元素較高時(shí)，其加熱過程一定要緩慢均勻，應(yīng)充分利用預(yù)熱過程，一次預(yù)熱不行的，采用二次、三次預(yù)熱。對用預(yù)熱方式仍不能解決變形的較大工件，還可采用裝箱保護(hù)在箱式電阻爐中加熱，加熱時(shí)除限速升溫外，還可增加等溫過程，以便減少由于加熱速度過快而產(chǎn)生的淬火變形。三、冷卻操作

淬火變形主要是來自冷卻過程。合理的淬火介質(zhì)、熟練的操作技能，冷卻過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都直接地影響著工件的淬火變形。

1、合理選擇淬火介質(zhì)：在保證工件經(jīng)淬火后硬度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，工件淬火時(shí)應(yīng)盡可能地選用較緩和的淬火介質(zhì)。如利用加熱浴介質(zhì)冷卻（利用熱浴介質(zhì)冷卻時(shí)可趁熱對工件進(jìn)行矯直）。盡可能用空冷淬火，以及用介于水、油冷速之間的淬火介質(zhì)代替水油雙介質(zhì)淬火等。

空冷淬火：空冷淬火對減少高速鋼、鉻型模具鋼及空冷微變形鋼的淬火變形是有效的。對淬火后硬度要求不高的3Cr2W8V鋼，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整淬火溫度也可用空淬火來達(dá)到減少變形的目的。油冷淬火：油是一種比水的冷卻速度小得多的淬火介質(zhì)，但對那些具有較高淬透性且尺寸小、形狀復(fù)雜的變形傾向大的工件來說，無疑人們?nèi)詴�認(rèn)為油的冷卻速度偏高，而對尺不大但淬透性較差的工件，油的冷卻速度卻又顯不足了。為了解決上述矛盾，充分利用油淬減少工件的淬火變形，人們采取了調(diào)節(jié)油溫及提高淬火溫度的方未能來擴(kuò)大對油的利用。改變淬火用油的溫度：利用淬火用同的油溫來減少淬火變形尚存在以下問題，即油溫偏低時(shí)，淬火變形仍很大，而油溫偏高時(shí)又難以保證工件淬火后的硬度。某些工件在形狀和材料的綜合作用下，提高淬火用油的溫度還可能會增加其變形。所以，根據(jù)工件材料、截面尺寸及形狀等實(shí)際情況通過試驗(yàn)后再確定淬火用油的油溫，這是非常必要的。利用熱油淬火時(shí)，為避免因淬火冷卻引起油溫過高而發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)在油槽附近配備必要的消防器材。此外還應(yīng)定期檢測淬火用油的質(zhì)量指標(biāo)，并及時(shí)補(bǔ)充或更換新油。提高淬火溫度：此法適用于在正常淬火溫度下加熱保溫后經(jīng)油淬后達(dá)不到硬度要求的較小截面的碳素鋼制工件及尺寸稍大的合金鋼工件。通過適當(dāng)?shù)靥岣叽慊饻囟群笥痛�，則達(dá)到即能淬硬又能減少變形的效果。利用這種方法淬火時(shí)要注意防止因提高淬火溫度而可能引起晶粒粗化、降低工件的力學(xué)性能和使用壽命等問題。

分級、等溫淬火：在淬硬度能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，應(yīng)充分利用熱浴介質(zhì)的分級、等溫淬火，來達(dá)到減少淬火變形的目的。這一方法對淬透性較低的、小截面碳素結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼同樣有效，特別是淬透性較高的含鉻模具鋼、高速鋼制工件，熱浴介質(zhì)分級、等溫淬火冷卻方法是這類鋼的基本淬火方法。同樣，對那些淬火硬度要求不高的碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼也是行之有效的。

在利用熱浴淬火時(shí)，應(yīng)注意以下問題：

第一、用油浴分級、等溫淬火時(shí)，應(yīng)對油溫進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止火災(zāi)的發(fā)生。

第二、用硝鹽分級淬火時(shí)，硝鹽槽應(yīng)配備必要的儀表及水冷裝置，其他注意事項(xiàng)詳見相關(guān)資料，此處不再贅述。

第三、等溫淬火時(shí)要嚴(yán)格控制等溫溫度，溫度偏高或偏低都不利于減少淬火變形。另外等溫淬火時(shí)工件的吊掛方式要選擇合量，防止因工件自重而引起的變形。第四、利用等溫或分級淬火趁熱矯正工件形狀時(shí)，工裝夾具應(yīng)配備齊全，操作時(shí)動(dòng)作要迅速。防止對工件淬火質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

2、冷卻操作：冷卻過程中操作的熟練程度對淬火變形的影響很大，特別是利用水、油等淬火介質(zhì)時(shí)，操作熟練與否更為重要了。

正確的淬入介質(zhì)方向：一般來說，截面對稱和細(xì)長桿類工件，垂直淬入淬火介質(zhì)，截面不對稱的工件可采用斜向淬入淬火介質(zhì)。實(shí)際上正確的淬入淬火介質(zhì)方向就是使工件各部分能均勻冷卻的方向。將冷卻慢的部分先淬入淬火介質(zhì)，冷卻快的部分后淬入淬火介質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中要特別注意工件的形狀對冷卻速度的影響，工件表面積大的部分，并不意味著其冷卻速度就大，特別是在該部分形狀比較復(fù)雜時(shí)，由于冷卻不均勻，很可能會導(dǎo)致冷卻速度比表面積小的部分的冷卻速度慢。所以如何選擇進(jìn)入淬火介質(zhì)方向，應(yīng)根據(jù)工件的形狀具體掌握。工件淬入淬火介質(zhì)方向?qū)Υ慊鹱冃蔚挠绊憣?shí)例如圖

工件在淬火介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)：冷卻速度慢的部人應(yīng)迎水運(yùn)動(dòng)。形狀相對稱的工件在水中運(yùn)動(dòng)路線要對稱均勻，運(yùn)動(dòng)幅度要小且速度要快。對于細(xì)長薄片類工件淬入淬火介質(zhì)時(shí)要穩(wěn)，工件不應(yīng)在淬火介質(zhì)中擺動(dòng)，這類工件最好不用鐵絲捆綁淬火而用鉗子夾持淬火。

工件淬入淬火介質(zhì)的速度：工件淬入淬火介質(zhì)時(shí)的速度要快。特別是細(xì)長、筒類工件，如淬入淬火介質(zhì)的速度慢，則會導(dǎo)致其彎曲變形增大以及會使筒類件先淬入淬火介質(zhì)部分和后淬入淬火介質(zhì)部分的變形量差異增大。

采用加保護(hù)的冷卻：截面尺寸差別較大的工件應(yīng)將冷卻速度快的部分用石棉繩、鐵皮等物進(jìn)行捆綁保護(hù)，借以降低該部分的冷卻速度，從而使工件各部分冷卻均勻。

工件在水中的冷卻時(shí)間：對于由組織應(yīng)力為主引起變形的工件可縮短其在水中的冷卻時(shí)間；而對于由熱應(yīng)力為主引起變形的工件則可適當(dāng)延長其在水中的冷卻時(shí)間，從而達(dá)到減少工件淬火變形的目的。

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熱處理變形問題的探討

生產(chǎn)中的淬火變形一直給工廠帶來大量的損失。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)力的影響有關(guān)，但是，在分析和解決實(shí)際工件的淬火變形時(shí)，這種理論卻很難做到具體應(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"，供熱處理行業(yè)采用并探討。一、本新方法的適用范圍

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，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

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。區(qū)域IIIIIIⅢIⅣ名稱過快冷速區(qū)適度冷速區(qū)不足冷速區(qū)過慢冷速區(qū)內(nèi)淬火效果硬度高、淬裂、變形硬度高而均勻、無淬裂、變形小硬度不足且高低不均，變形大完全未淬硬，變形小劃出的第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)生淬火變形或淬裂。

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)力也不會很大。結(jié)果，最終的淬火變形也就相當(dāng)小，通常能屬于控制變形的最佳壯態(tài)。故本文把第Ⅱ冷速區(qū)叫做微變形區(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鋼的端淬火曲線，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。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，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。

4．減小工件淬火變形的努力目標(biāo)

通常，對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。以下歸納的做法都是以此為目標(biāo)的措施。5．對硬度差異法的解釋

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。變形要求嚴(yán)的，第II區(qū)窄；變形要求松的，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)。

當(dāng)工件上有局部或全部參與變形部位淬火硬度偏低時(shí)，說明該部分淬火冷速進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)。按照上面提出的解決辦法，為消除這種淬火變形，可以采取提高整個(gè)工件的淬火冷卻速度，適當(dāng)提高淬火加熱溫度，以及改用淬透性更好的鋼種制做該工件等措施之中的一個(gè)或幾個(gè)，就可以使該工件的冷卻速帶發(fā)生移動(dòng)并進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，從而消除該淬火變形。

當(dāng)工件發(fā)生變形且淬火硬度高或同時(shí)發(fā)現(xiàn)有淬裂，說明部分或全部參與淬火變形部位進(jìn)入了該工件的第Ⅰ冷速區(qū)。解決這類變形問題的措施有降低該工件的淬火加熱溫度，降低整個(gè)工件的淬火冷卻速度以及改用碳量及合金元素含量稍低的鋼種等，目的在使工件的冷卻速度帶整個(gè)移入第Ⅱ冷速區(qū)。

例如，某汽車板簧件采用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。

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)。

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發(fā)淬裂的程度。而對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，使這些部位對應(yīng)的冷速帶右端向左收縮，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、從右同時(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。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于淬火介質(zhì)的冷卻速度，即對外的冷卻速度，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�？梢苑乐惯@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溶性淬火劑，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。有些水溶性淬火劑可以通過調(diào)節(jié)濃度來改變水溶液的冷卻速度。以PAG淬火液為例,15%時(shí)的300℃冷速約為20℃／s，相當(dāng)于某些超速淬火油。而濃度為9％時(shí)的300℃冷速約為50℃／s，相當(dāng)于飽和氯化鈣水溶液。而當(dāng)濃度降低至5～7％時(shí)，300℃冷速增大至70～80℃／s，就與所謂的三氯或三硝淬火液相當(dāng)了。于是，可以通過提高淬火液濃度使工件的冷速帶向右移，也可以通過降低淬火液濃度來使工件的冷速帶向左移。本文圖2所舉的淬火變形例，其產(chǎn)生淬火變形的原因是工件冷卻速度帶的右端伸入了第Ⅲ冷速區(qū)。具體的說，當(dāng)進(jìn)行水淬時(shí)，該工件的兩端冷得快而避開了其過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的"鼻尖"位置，隨后在油中繼續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成了馬氏體。但是，筒體內(nèi)面近中間部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置對應(yīng)的溫度，因此，在隨后的油冷中產(chǎn)生了相當(dāng)量的非馬氏體組織。解決這一淬火變形的辦法，是改用6％的PAG淬火液做單液淬火，一冷到底，且在淬火冷卻中使淬火液做適當(dāng)循環(huán)流動(dòng)，以提高筒體內(nèi)部的冷卻速度。這一解決辦法，實(shí)現(xiàn)的是使冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)的部位向左收縮進(jìn)其第Ⅱ冷速區(qū)。采用這種做法后，淬火操作簡化了，淬火硬度高而均勻，沒有淬裂，淬火變形消失了。

好的水溶性淬火液，其淬火冷卻的高溫冷速大多較高，即蒸氣膜階段較短且不穩(wěn)定。因此，評價(jià)水溶性淬火液的冷卻特性，主要看它的300℃冷卻速度。淬火油多有較長且相當(dāng)穩(wěn)定的的蒸氣膜階段，因此，評價(jià)油的冷卻特性應(yīng)當(dāng)看的是整個(gè)冷卻速度分布，包括蒸氣膜階段長短、最高冷速大小和出現(xiàn)最高冷速的溫度高低、以及對流開始溫度等。不能單以其最高冷速的大小來評價(jià)油的冷卻能力。從冷卻速度曲線上容易看出，所謂"最高冷卻速度"只存在一瞬間，對工件的淬硬效果作用不一定大。

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)冷卻速度分布的快速淬火油，或者在現(xiàn)有的機(jī)油中加入適當(dāng)?shù)挠透男蕴砑觿┇@得同樣的冷卻速度分布，以便工件在其中淬火時(shí)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淬火冷卻特性的影響。對淬火油而言，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。

當(dāng)然，對于以水為基的淬火液，采取降低和升高水溫來調(diào)節(jié)工件的冷卻速度帶時(shí)，水溫的變化范圍是比較窄的。降溫以不發(fā)生凝固為限，而升溫以60～70℃為限。水溫太高，淬火冷卻的蒸氣膜階段過長，使水溶液冷卻能力大減，會使工件的淬火硬度不均勻。

前面所舉大圓鋸片的例子中,采用水溶液時(shí)邊沿齒口部淬裂，而近中間部位又淬不硬。邊沿部位水溫低，又受沖刷，冷卻速度過快，是邊沿缺口部位淬裂的原因。圓鋸片中間部位水溫遠(yuǎn)比邊沿部位高，相應(yīng)地淬火冷卻速度低，是這些部位淬不硬并從而引起變形的原因。對于這樣的淬裂與變形問題，除采取前述在邊沿部位加護(hù)板，降低冷速，同時(shí)在中間部位安設(shè)噴水管適當(dāng)分配水流來提高冷速外，還可以采用專配快速淬火油代替現(xiàn)用的水溶性介質(zhì)，也能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。專配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,可以使8mm厚的65Mn圓鋸片中間部位淬硬。又由于專配淬火油的冷卻速度遠(yuǎn)比水和水溶液低，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，改用專配快速淬火油后，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)；而近中間部位對應(yīng)的冷速帶卻向左收縮進(jìn)入其第Ⅱ冷速區(qū)。最終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)。本文圖3所舉大圓鋸片用水溶性淬火液淬火中，就是同時(shí)采取了在圓鋸片外沿加冷附板和向圓鋸片近中間部位多分配水流的方法來解決的淬裂、淬硬和變形問題。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�？紤]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)對應(yīng)的冷卻速度帶大部分落入其第Ⅲ冷速區(qū)。

根據(jù)這種分析可以判定，該齒輪發(fā)生淬火變形的原因，主要是淬火中內(nèi)側(cè)部位冷速不足。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)。

又因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．馬氏體分級淬火控制淬火變形

馬氏體分級淬火能控制淬火變形的原因。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。

高于Ms點(diǎn)的馬氏體分級淬火工藝的，由于經(jīng)過高于Ms點(diǎn)溫度的分級處理，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。低于Ms點(diǎn)的分級淬火工藝的示意圖，其減小淬火變形的原因與解釋基本相同。

按照本文提出的方法，馬氏體分級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是對普通淬火的工藝的分析。

前面所舉大圓鋸片的例子中,采用水溶液時(shí)邊沿齒口部淬裂，而近中間部位又淬不硬。邊沿部位水溫低，又受沖刷，冷卻速度過快，是邊沿缺口部位淬裂的原因。圓鋸片中間部位水溫遠(yuǎn)比邊沿部位高，相應(yīng)地淬火冷卻速度低，是這些部位淬不硬并從而引起變形的原因。對于這樣的淬裂與變形問題，除采取前述在邊沿部位加護(hù)板，降低冷速，同時(shí)在中間部位安設(shè)噴水管適當(dāng)分配水流來提高冷速外，還可以采用專配快速淬

和前面的分析方法不同的是，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�？於讼蛴彝丝s，至完全進(jìn)入第II冷速區(qū)，變形問題也就解決了。

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)。普通淬火的工藝過程(a)和相應(yīng)的冷卻速度帶位置(b)和(b)分別是用本文的方法對高于與低于Ms點(diǎn)的馬氏體分級淬火控制變形作用的分析。可以看出，馬氏體分級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。

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。

有些水性淬火劑可以通過調(diào)節(jié)濃度來改變水溶液的冷卻速度。以PAG淬火液為例,15%時(shí)的300℃冷速約為20℃／s，相當(dāng)于某些超速淬火油。而濃度為9％時(shí)的300℃冷速約為50℃／s，相當(dāng)于飽和氯化鈣水溶液。而當(dāng)濃度降低至5～7％時(shí)，300℃冷速增大至70～80℃／s，就與所謂的三氯或三硝淬火液相當(dāng)了。于是，可以通過提高淬火液濃度使工件的冷速帶向右移，也可以通過降低淬火液濃度來使工件的冷速帶向左移。所舉的淬火變形例，其產(chǎn)生淬火變形的原因是工件冷卻速度帶的右端伸入了第Ⅲ冷速區(qū)。具體的說，當(dāng)進(jìn)行水淬時(shí)，該工件的兩端冷得快而避開了其過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的"鼻尖"位置，隨后在油中繼續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成了馬氏體。但是，筒體內(nèi)面近中間部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置對應(yīng)的溫度，因此，在隨后的油冷中產(chǎn)生了相當(dāng)量的非馬氏體組織。解決這一淬火變形的辦法，是改用6％的PAG淬火液做單液淬火，一冷到底，且在淬火冷卻中使淬火液做適當(dāng)循環(huán)流動(dòng)，以提高筒體內(nèi)部的冷卻速度。這一解決辦法，實(shí)現(xiàn)的是使冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)的部位向左收縮進(jìn)其第Ⅱ冷速區(qū)。采用這種做法后，淬火操作簡化了，淬火硬度高而均勻，沒有淬裂，淬火變形消失了。

好的水性淬火液，其淬火冷卻的高溫冷速大多較高，即蒸氣膜階段較短且不穩(wěn)定。因此，評價(jià)水性淬火液的冷卻特性，主要看它的300℃冷卻速度。淬火油多有較長且相當(dāng)穩(wěn)定的的蒸氣膜階段，因此，評價(jià)油的冷卻特性應(yīng)當(dāng)看的是整個(gè)冷卻速度分布，包括蒸氣膜階段長短、最高冷速大小和出現(xiàn)最高冷速的溫度高低、以及對流開始溫度等。不能單以其最高冷速的大小來評價(jià)油的冷卻能力。從冷卻速度曲線上容易看出，所謂"最高冷卻速度"只存在一瞬間，對工件的淬硬效果作用不一定大。

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)冷卻速度分布的快速淬火油，或者在現(xiàn)有的機(jī)油中加入適當(dāng)?shù)挠透男蕴砑觿┇@得同樣的冷卻速度分布，以便工件在其中淬火時(shí)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淬火冷卻特性的影響。對淬火油而言，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。

當(dāng)然，對于以水為基的淬火液，采取降低和升高水溫來調(diào)節(jié)工件的冷卻速度帶時(shí)，水溫的變化范圍是比較窄的。降溫以不發(fā)生凝固為限，而升溫以60～70℃為限。水溫太高，淬火冷卻的蒸氣膜階段過長，使水溶液冷卻能力大減，會使工件的淬火硬度不均勻。

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。由于馬氏體分級淬火冷速較慢，那些會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淬火方法得到解決。這就是馬氏體分級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。

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，可以通過改用圖12淬透性波動(dòng)對冷速分區(qū)的影響

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)，可以改用快速油或在現(xiàn)有的機(jī)油中加專配淬火油添加劑使其變成適合的快速淬火油，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)不會淬裂。對于多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼工件，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)對淬火液的相對流速。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)淬火劑的級別(或可以調(diào)節(jié)到的級別)來選用。對于淬火油，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)對選用淬火油(或舊油作油改性)有幫助：對于多數(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，在機(jī)油中淬火來控制變形。對這種做法的習(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。而對這種做法的解釋則不盡全面。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)。說那種解釋片面，是因?yàn)樵谧詠硭�中淬火發(fā)生了超差變形，其原因可能有兩種，一是工件的冷卻速度帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅰ冷速區(qū)，二是工件的冷速帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅲ冷速區(qū)。當(dāng)為第一種可能時(shí)，可以首先采取第1條措施去解決,如果解決不了，可采取第2條、第3條措施，以至再采取換鋼種的措施。改換成淬透性更好的鋼種成本高，從生產(chǎn)經(jīng)營和節(jié)省合金元素資源上說，都不宜首先采用。當(dāng)此類工件發(fā)生變形的原因是其冷卻速度帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅲ冷速區(qū)時(shí)，除可以采用第1步驟外,還可以采取改換成碳量稍高、淬透性稍高的鋼種，仍然在原自來水中淬火，同樣可以解決淬火變形問題。

說那種解釋法較片面，還可以從以下情況加以說明。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)，再采取那種改用淬透性更好的鋼種顯然會使問題更嚴(yán)重，而還想找比普通機(jī)油冷卻更慢的介質(zhì)，恐怕就只有分級淬火或空冷了。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，對原用的機(jī)油做油改性添加，以及采用合適的水性淬火液。

綜上分析，根據(jù)原淬火變形工件的冷卻速度帶的跨區(qū)情況，在采取前3步措施仍不能解決問題時(shí)才可考慮改換鋼種，可以是改成淬透性更好的鋼，也可以改用淬透性更差的鋼。通常，改換鋼種的同時(shí)應(yīng)改換淬火介質(zhì)。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

熱處理界通常認(rèn)為"淬火變形問題很復(fù)雜"，"解決變形問題的措施和方法時(shí)靈時(shí)不靈。即便把多項(xiàng)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？

用本文前面提出的方法和列出的移動(dòng)冷卻速度帶的熱處理工藝參數(shù)措施，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)的相對流速，就會使冷卻速度增加，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

作用方向基本措施左移右移提高淬火加熱溫度√降低提高√√√淬火油溫度降低提高水及水溶液液溫√√降低增大√工件與介質(zhì)的相對流速減小增大√√改變今禹8-20濃度降低√√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)油改成專用淬火油所有表列參數(shù)的增減引起冷卻速度帶的變化都分左移和右移兩種。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，需要同時(shí)采取幾種措施來解決工件的淬火變形問題時(shí)，只能把作用方向一致的措施用上。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)果就很難說了，或許能解決變形問題、或許無效果、也或許會使工件的變形進(jìn)一步增大。過去認(rèn)為變形問題很復(fù)雜，解決問題的措施不靈等，原因是不明白各措施的作用方向，也不知道如何有方向地移動(dòng)工件的冷卻速度帶。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)，問題也就解決了。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．改善零件的對稱性，使II區(qū)變寬；d．做成分體式，把問題簡單化。

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