分析和控制淬火变形的冷却速度带法（1）

工件的淬火变形问题是当今热处理行业，乃至机械制造行业的重大难题。说它“难”一是指变形问题“太复杂”和“牵涉面太广”。从零件设计、钢材品种及其质量、冷热加工和人为因素到热处理生产的各个细节，都可能成为淬火变形的影响因素；二是指它“几乎无规律可循”。解决淬火变形问题的措施大多，且“时灵时不灵”，常常让人无所适从。国外有人把众多的影响因素归纳成图1所示的鱼骨架图。为了把图中所列分散在不同时间、不同地点、不同环节和不同性质的影响因素的作用都考虑进去，有人甚至采用系统工程的方法，来分析和解决工件的淬火变形问题。我们认为，不管淬火变形的影响因素如何多、关系如何复杂，所有这些因素的影响最终都只汇集到一个具体的工件上，并且只对工件的硬度高低、变形和开裂趋向起作用。因此，有理由认为，能够建立一些简单而又普遍适用的方法，用来汇总所有影响因素的作用，并能帮助我们比较容易地分析和解决淬火变形问题。本文介绍的“冷却速度带法”，就是一种这样的方法。

 

图1 汇总淬火变形影响因素的鱼骨架图

通常所说的淬火变形既包括工件在淬火冷却过程中产生的变形，也包括工件淬火加热中以及工件向淬火液转移中发生的变形。后两类原因引起的变形，一般可以称为外力引起的变形。外力引起的变形原因比较简单，问题比较容易解决。淬火冷却过程中发生的变形，主要是冷却过程中的内应力引起的。内应力引起变形的情况要复杂得多。本文所研究的就是这类淬火变形问题。

任何一种简化复杂的淬火变形问题的通用方法，都必然有它简化淬火变形问题的角度或者说思路。以不同的思路入手去简化淬火变形问题，建立的方法也不会相同。

在此介绍的冷却速度带法认为，所有影响工件淬火变形的因素，都通过对工件两个特性的作用而影响工件的淬火变形。第一个特性是，工件承受淬火冷却速度快慢的能力。第二个特性是，工件在淬火冷却中获得的冷却速度的快慢。只有把工件获得的冷却速度的快慢程度完全控制在它所能承受的冷却速度的快慢能力之内，才能获得工件要求的淬火硬度、淬硬层深度、不淬裂，和淬火变形不超差的淬火结果。相反，工件淬火冷却中获得的冷却速度的快慢范围，一旦超出了该工件所能承受的淬火冷却速度快慢的能力范围，不管是快了，还是慢了，都会使该工件发生超差的变形、淬裂、或者淬火硬度不足等问题。下面，将以此为基础，建立和讨论解决工件淬火变形问题的冷却速度带法。

我们用图2 所示的方式来说明上述两个特性的关系。图中，横坐标表示冷却速度。由于后面将要说明的原因，我们约定：从左向右，冷却速度是减小的。图中把冷却速度由快到慢划分成三个区域，分别称为第I，第II和第III冷却速度区。冷却速度坐标轴下面的长方形图形，代表工件（严格说，应当是工件上参与淬火变形部位）在淬火冷却中实际获得的冷却速度的快慢。我们把该长方形称为工件的冷却速度带，即该工件在淬火冷却中不同部位获得的冷却速度所覆盖的冷却速度范围。长方形的左端称为冷却速度带的快端，右端称为冷却速度带的慢端。一般说，快端代表工件上有效厚度小，或者突出的部分获得的冷却速度。而慢端则代表工件上有效厚度大，或者凹进部分获得的冷却速度。实际生产中，工件的冷却速度带可能落在第I区，也可能落在第II区或者第III区内；还可能跨越两个甚至三个区。按照前面的约定，可以把工件的冷却速度带落在图中三个冷却速度区的情况及其淬火效果作成表1。

 

a.三个冷却速度区与工件的冷却速度带      b.钢材的端淬曲线与分区的关系

图2 把淬火变形问题转换成冷却速度的分区与冷却速度带的关系

表1 不同冷却速度区的淬火效果
分区	名    称	区内淬火效果
I区	过快冷速区	硬度过高、淬裂、也可能有超差的变形
II区	适度冷速区	硬度高而且均匀，无淬裂，且变形不超差
III区	不足冷速区	硬度不足且高低不均，变形大

为了结合钢的热处理理论和热处理的实际生产经验，我们再把钢材的端淬曲线同时画进图2（a）所示的图线中，就得到图2（b）。由于第1冷却速度区的冷却速度太快，对一般的结构钢，虽然可以获得更高的淬火硬度，却可能引起淬火开裂和超差的淬火变形。第III冷却速度区的冷却速度不够快，不能获得足够的马氏体组织，因此工件的淬火硬度不足。由于第III区是淬火硬度对冷却速度差异特别敏感的区域。很小的冷却速度差，就能引起明显的淬火硬度变化。因此，工件的淬火硬度高低不均。因高低不均的硬度代表着马氏体和非马氏体组织的比例关系的迅速变化，不同组织的比容差异加上冷却的不均匀性，往往会引起较大的淬火变形。总之，工件获得的淬火冷却速度快了，即它的冷却速度带进入了第I冷速区，或者工件获得的冷却速度慢了，即它的冷却速度带进入了第III冷速区，都会引起热处理质量问题。只有使工件的冷却速度带完全落入它的第II冷速区内，才能获得满足热处理要求的淬火冷却效果。

需要说明的是，冷却速度带法是一个定性的方法。这种定性的方法建立的是一套分析和解决淬火变形问题的原则思路。由于是原则思路，它的适用范围就相当宽。也由于是定性的方法，上面所谓的第II区的边界和工件冷却速度带的边界，都没有规定它们的具体数值。遇到实际工件的淬火变形问题，我们是按表1所列的淬火效果，来判断该工件的冷却速度带的跨区情况，再按它的跨区情况，设法使它完全落入第II区内，来解决该工件的淬火变形问题。

在这种思路框架下，本文主要包括两方面的研究内容。一是众多有关的因素对工件承受淬火冷却速度快慢的能力的影响规律，也就是对工件第二区的位置和宽度的影响规律。二是众多有关的影响因素对工件获得的淬火冷却速度快慢的影响规律，也就是对工件的冷却速度带的位置和宽度的影响规律。影响工件第二区的位置和宽度的因素，主要包括零件设计、钢材品种质量，以及淬火冷却之前的所有冷热加工过程的影响因素。而影响工件冷却速度带的因素，主要包括零件的形状大小、钢材品种等由零件设计所确定的因素，加上淬火冷却的方式和条件等可以由热处理工作者选择和确定的因素。而本文研究的具体内容则包括各影响因素的作用机理和作用规律，以及不同影响因素之间的相互关系及协调作用规律。考虑到许多相同工件是大量而成批生产的，在一定生产条件下，往往只有其中的部分工件才发生超差淬火变形；本文还研究了工件群体的淬火变形问题，并提出了减少工件群体淬火变形量的原则方法。

 

按理说，找到了引起淬火变形的原因，问题就容易得到解决。但是，由于淬火变形问题的复杂性，找准原因可不是一件容易的事情。原因找错了，麻烦就大了。一旦发生了淬火变形，就不分青红皂白地认为“是工件的淬火冷却速度太快了”。这是经验不足的人最容易犯的错误。一般说，引起工件淬火变形的原因，既有淬火冷却之中的问题，也有淬火冷却之前的问题。在讨论影响第II区的宽度和位置的因素之前，我们暂时不涉及淬火冷却之前的原因，而只考虑与淬火冷却过程有关的问题。下面，将结合本文介绍的方法，分析几个淬火变形的原因。

1、北京某厂的热处理车间曾经遇到过一个奇怪事情。该厂淬火一批不算大的45钢齿轮。因为该类工件有比较严格的变形程度要求，决定在普通机油中淬火。但是，淬火后发现变形程度严重超差，而且淬火态硬度高低不均。经过研究，现场工作者认为“淬火变形是淬火时的内应力过大引起的。而淬火冷却速度过快是引起大的内应力的唯一原因”。于是，在后来的热处理中，采取了诸如降低淬火加热温度、停止在油中的摆动，以及在空气中预冷后再入油淬火等措施及其组合。经过很长一段时间摸索，问题始终得不到解决。生产试验中，有个技术人员一赌气，干脆把几个工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花费半天时间，检查发现所有油淬工件的变形仍然不合格之后，才有人想起水槽中还有几个工件。捞出来一检查，变形程度全部合格！但是，每个工件上都有几条小的淬火裂纹。这种结果让他们百思而不得其解。

现在，用冷却速度带法来分析这种工件的淬火变形原因。45钢的淬透性较差，在普通机油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用图2的方法来分析，是工件的冷却速度带部分落入了第III冷速区而产生了超差的淬火变形。如果再采取降低淬火冷却速度的办法，还将使工件的冷却速度带更多，甚至全部落入第III冷速区。因此，不可能减小工件的淬火变形。作为淬火冷却介质，水的第一大缺点是低温冷却速度太快。所以，投入水中的几个工件都淬裂了。表1中看到，进入第I冷速区的淬火效果是硬度很高、可能发生淬裂，但变形不一超差。这说明，在水中淬火使工件进入了它的第一冷速区，即过快冷速区。如图3所示。

 

图3 45钢工件在不同介质中淬火时冷却速度带的位置对比

按照冷却速度带法，这一淬火变形问题应当采取使工件的冷却速度带向左移入第II冷速区的办法来解决。具体的办法是，改用冷却速度高于普通机油的淬火介质，比如快速淬火油，或者比自来水的低温冷却速度更慢的水溶性淬火液，比如5～8％的PAG淬火液。它们都能把工件的冷却速度带向左移入第2冷速区之内，从而获得较高的淬火硬度和较小的淬火变形。图3中，比较了普通机油、自来水和6％的PAG淬火液淬火时的冷却速度带的位置关系。可以看出，只有用6％的PAG淬火液，才能使该工件的冷却速度带完全落入它的第二冷速区中。

2、某汽车板簧厂用13％的PAG淬火液，处理6～8mm厚的60Si2Mn板簧时，板簧硬度和变形情况都令人满意。但是，在处理10～12mm厚的60Si2Mn板簧时，却发生了淬火硬度偏低且变形过大的热处理质量问题。反复检查生产工艺和操作方法，始终找不出任何疏漏。请来的专家分析认为：其变形大的原因是由于热处理应力过大，而热处理应力过大是由于淬火冷却速度过快。因此，提出了减小淬火冷却速度的几项措施：将PAG淬火液浓度提高到15％，把淬火液的使用温度升高20℃，并且把板簧的淬火加热温度降低20℃。令人不解的是，进行这样的改动后，不仅板簧的淬火变形进一步增大，连板簧的淬火态硬度也降低到30HRC！事后，这个问题的正确的解决办法不是降低工件的淬火冷却速度，而是提高工件的淬火冷却速度。具体做法是，在采用原来的淬火加热参数的同时，把PAG淬火液的浓度从13％降低到8～10％之间。其结果，所有问题一下子就都解决了。

 

图4 厚度12mm的60Si2Mn板簧在不同浓度的PAG淬火液中淬火时的冷却速度带

采用冷却速度带法来分析这一淬火变形问题，仅从变形大和硬度偏低，就可以确定工件的冷却速度带进入了第III冷速区。如图4所示。解决办法当然是提高工件的淬火冷却速度，而不是降低它。即便不用本方法分析这个问题，根据薄板簧用13％的淬火液能够满足热处理要求，加上已经发现厚板簧的淬火硬度偏低这两点，也容易发现问题在于淬火冷却速度偏低了。为什么现场技术人员和本专业教授都做出了错误的判断？为什么上一个例子中热处理技术人员对“工件油淬变形而水淬反而不变形”百思不得其解？这说明，在热处理行业，对淬火变形的产生原因，不少人有着简单而且僵化的错误认识。

冷却速度带法认为，工件的冷却速度带只要伸出了第II冷速区，不管是因为冷却速度过快，还是因为冷却速度过慢，淬火后，工件都可能发生超差的淬火变形。而且，因冷却速度过慢，也就是进入了第III冷速区而引起的变形更大。调查表明，一般结构钢工件发生的超差淬火变形，大部分是因为进入第III冷速区所至。因此，解决这类淬火变形问题的努力方向，主要是提高工件的淬火冷却速度。只有少数工件的超差淬火变形是因为工件的冷却速度带进入第I区而产生的。而解决这后一类淬火变形问题的改进方向，往往是向右移动或者缩短工件的冷却速度带，使其完全落入第II冷速区内。在后面的文章中，还将讨论这一类变形问题的具体解决办法。