分析和控制淬火变形的冷却速度带法（2）

出现在淬火冷却中的淬火变形问题，首先应当从热处理环节，尤其是从淬火冷却中去找原因。即便引起变形的主要原因在热处理之前，首先找找热处理方面的原因，也能帮助我们确定热处理之前的原因所在的范围。何况，不少热处理之前留下的可能引起淬火变形的因素，也可以通过热处理手段加以解决。因此，我们首先从淬火冷却中寻找影响和控制工件淬火变形的因素，也就是影响工件的冷却速度带的位置和宽度的因素，并研究这些因素的特性和相互关系。

 

现场热处理人日常的工作，是对已经送到热处理车间来的工件做淬火处理。这时候，按冷却速度带法，工件的第II区的宽度和位置，也就是工件承受淬火冷却速度快慢的能力已经基本确定了。我们要做的就是使工件在淬火冷却中获得的冷却速度的快慢程度，既不超过它所能承受的上限，即第II区的左边界的冷却速度；也不慢过它容许的最慢冷却速度，即第II区的右边界的冷却速度。做好了这一点，就能得到变形不超差等热处理要求。

1、确定冷却速度带的方法

通过检查工件的淬火变形、是否淬裂，以及淬火态的表面硬度值，有时候再加上工件某些部位的淬硬层深度，再依据本文表1所列的评判标准，就可以确定实际工件的冷却速度带及其跨区情况。如果再参照该工件的端淬曲线，还可以确定该工件的冷却速度带的宽度和左右边界的位置。用这样的方法确定的冷却速度，是从最终的淬火组织来推测的“效果冷却速度”，其中并不包括获得该效果的实际冷却过程的情况。或者说，不同的实际冷却过程，也可能获得相同的效果冷却速度值。这是热处理工艺方法的多样性和不唯一性决定的。

有些情况下，用上述检查淬火态表面硬度的办法，不大容易找准快端的位置。比如，淬透性比较好的钢、渗碳工件的淬火、或者工件的形状比较复杂，加上没有发生淬火开裂等情况。这是因为，淬透性好的钢端淬曲线左端比较平缓，渗碳钢件的表面硬度比较均匀，单凭表面硬度还不大容易找到曾经经受冷却速度最快的部位。这时，更适宜用淬硬层深度来确定快端的位置。淬硬层最深的部位，就是曾经经受最快淬火冷却的部位，也就是快端所在的部位。当然，如果采用检查淬硬层深度来确定快端的位置，随后也就应当改用控制淬硬层深度的办法，来移动快端的冷却速度值。

此外，由于不同工件的实际情况千差万别，作为分析和解决淬火变形问题的通用方法，就只能是定性的方法。为此，本文所用图线上大多只有说明大小的位置关系，而不标注具体数值。

2、工件的装挂方式引起的淬火变形问题

工件淬火冷却中，装挂方式对它们的冷却速度带的位置和宽窄有较大的影响；尤其是在多个工件同炉淬火的场合。装挂方式通过影响工件周围的散热条件，介质流动情况和介质的液温分布，来影响不同部位的冷却情况。和单件淬火相比，多件同时淬火时，工件的冷却速度带往往要向右（冷却速度减慢）方偏移。而冷却速度带的慢端向右偏移通常更远些。其结果，冷却速度带的宽度也随之增大。如果采用的装挂工具不当，或者工件的间距过小，冷却速度带向右偏移过多，就可能引起部分工件超差的淬火变形。

据报导，某厂大行星齿轮的渗碳淬火变形问题，就是装挂方式引起淬火变形的典型例子。该厂生产直径600mm的20Cr2Ni4A钢大行星齿轮，要求齿面做渗碳淬火。开始采用的装挂方式如图5a所示。由于两齿轮端面挨得很近，狭缝中淬火油流动不畅，不仅造成部分齿面淬火硬度偏低达52HRC，还引起了最大1.4mm的端平面度变化。后来，通过改变装挂方式，加宽了两个齿轮端面的间距，如图5b所示，来保证端面更容易散热和淬火油能顺畅流动。结果，端面平面度变化降低到0.4mm以下，最小的平面度变化只有0.1mm。变形问题解决了，齿面硬度也整体提高到60～62HRC范围。

如果用冷却速度带法来分析这一变形问题的解决过程，容易看出：开始时因为工件装挂方式不当，降低了齿轮端平面部分的淬火冷却速度。使该部位成为冷却速度带的慢端，并且向右伸入它们的第III冷速区内，以致工件超差变形和硬度高低不均。改变装挂方式，提高了齿轮端面的淬火冷却速度后，工件的冷却速度带的慢端向左收缩，达到完全进入其第II冷速区的程度。淬火变形就得到了解决 。

 

a）改进前      b）改进后

图5 大行星齿轮渗碳淬火的装挂方式改进前后

多个同样的工件同批淬火时，由于各工件所处的位置和环境不同，不同工件的冷却速度带的位置和宽度，以及不同工件的快端和慢端的部位，都会有所不同。这两方面的不同又将影响到不同工件的变形方式和变形程度。无疑，改变工件的装挂方式和装挂密度，可以改变不同工件的冷却速度带的位置和宽度，以及不同工件的变形方式和变形程度。因此，大生产中，工件淬火冷却时的装挂工具和装挂密度是影响工件淬火变形情况的重要因素。

3、冷却速度带横跨3个区的淬火变形问题

某厂生产一种65Mn制的切割石材用的大圆锯片基片，直径1600mm，厚度8mm，如图6所示。该工件要求的淬火硬度60HRC以上，片内不同部位的硬度差异小于3HRC。开始，该厂采用普通机油淬火，不仅淬火硬度达不到要求，还有严重的淬火变形翘曲。好在还没有发现淬火裂纹。为了提高板片的淬火硬度，决定改用有机聚合物水溶液来淬火。试生产发现，水溶液中淬火后，淬火变形更加严重。检查发现，板片边缘部分淬火硬度高达63HRC。但是，齿口部多处淬裂。片内面硬度高低不均，最低处只有39HRC。这一淬火难题困扰了该企业好几个月。后来，采用一种快速淬火油，问题才得到完满的解决。

 

图6 采用不同淬火介质时，大型圆锯片的冷却速度带的跨区情况

现在，用本文介绍的冷却速度带法，来分析一下该锯片的变形和开裂问题。65Mn淬透性不太好，锯片又特别大，在普通机油中淬火，不容易达到要求的淬火硬度。结果，工件的冷却速度带落到了第III区上，如图6a所示。所用水溶性淬火液的冷却速度比普通机油快得多，但它是以水为主的淬火液，不可避免地有水的两大缺点：低温冷却速度太快，和冷却特性对水温变化太敏感。垂直放在水中冷却的大锯片，就像一堵墙一样限制了水的流动。工件淬火冷却中，接触高温而被加热了的淬火介质只能沿着锯片往上升。在自动上升过程中又进一步被工件加热。结果同一板片从下向上接触的水温是越来越高。水温越高，水的冷却能力越低，使得板片的下部边缘附近获得的冷却速度很高；中间、特别是中偏上部分获得的冷却速度相当低。结果，板片的边缘、特别是下部和侧面边缘淬火硬度很高，并淬裂。这说明这些部位进入了第1冷速区。而其板片中上部分，因冷却速度较低，造成淬火硬度不足且高低不均，变形翘曲非常严重，表明这些部位进入了第III冷速区，如图5b。这样，工件的冷却速度带就横跨了I、第II和第III共三个冷却速度区。结果，在一个工件上同时出现淬火变形、淬火开裂和硬度高低不均等问题。后来，该厂改用了冷却速度远高于普通机油的快速淬火油。该快速淬火油能使锯片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷却速度低于原来使用的水溶性淬火液，又解决了淬火开裂问题。

在锯片的中上部，油温升高使油的黏度降低而流动性有所提高，可以抵消油温升高使工件与介质之间的温差减小的不利影响。加上油的冷却特性对使用范围的油温变化不敏感，其结果，板片中间部分获得的冷却速度与边缘部分基本相同。这些情况都有利于获得内外基本一致的淬火硬度，因而也有利于减小板片的淬火变形。相对于普通机油和热水，快速淬火油使工件冷却速度带的慢端从第III冷速区向左收缩。相对于水性淬火液，快速淬火油使工件冷却速度带的快端向右收缩。其结果，冷却速度带从左、右两个方向同时向第II冷速区收缩，并完全落人第II冷速区内。结果，用快速淬火油完满地解决了该类大圆锯片的淬火变形问题。

4、重新认识等温分级淬火方法减小淬火变形的原因

等温分级淬火法是减小淬火变形的有效方法。关于这类方法能减小工件淬火变形的道理，当前的国内外书刊上都有相同的图示解释。当前，等温分级淬火的介质有两类。第一类是等温分级淬火油。实际生产中，等温分级淬火油用得最多。中小模数齿轮的渗碳淬火大多采用等温分级淬火油。另一类是等温盐浴（主要是硝盐浴）。在我国热处理行业，盐浴在合金工具钢类工件的热处理中应用较广；而在结构钢类的基础件的热处理中用得很少。是不是所有的淬火变形问题都可以改用通常的等温分级淬火油而得到解决？生产经验告诉我们，答案是否定的。下面，我们将用本文介绍的冷却速度带法，重新认识等温分级淬火方法能控制工件淬火变形量的道理，并进而说明它的适用范围。

图7是当前通用的解说示意图。每个图中快慢不同的两条冷却过程曲线，分别代表工件的表面和心部的冷却过程曲线。有关的解释是热处理人共知的。

         

a）普通一冷到底的淬火法      b）等温分级淬火法

图7 常见的等温分级淬火法能控制淬火变形的道理分析法

按照本文介绍的方法，我们对图7做了一些改动，使它变成了图8。改动之处是：图8中用“冷却速度带的快端”代替图7中的“工件表面”，用“冷却速度带的慢端”代替图7中的“工件的心部”。作这种改动的理由是：（1）除了组织和成分均匀的标准圆球外，实际工件上都找不出哪个部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。（2）工件上参与淬火变形部位的冷却情况，也就是冷却速度带的“快端”和“慢端”的位置，决定了工件的淬火变形大小；而与根本找不到的“表面”和“心部”关系不大。（3）只有少数种类的零件要求将心部淬透。而多数零件只要求一定的淬硬层深度，过浅和过深的淬硬层都是有害的。

 

a） 普通一冷到底的淬火法

 

b）等温分级淬火法

图8 冷却速度带法的分析法

图8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷却速度过高，冷却过程中，工件的冷却速度带部分或者全部进入了该工件的第I冷速区。也由于淬火冷却速度过快，工件的冷却速度带也比较宽。淬火的结果，工件淬火变形超差，但同时淬火硬度也一定很高。这种情况下，改用等温分级淬火的办法，比如采用一种等温分级淬火油来做等温分级淬火，既可能使工件的冷却速度带向右移，又可能减小工件的冷却速度带的宽度，从而使它完全落入其第II冷速区内。如图8b所示。完成这种右移的淬火油，其效果冷却速度一定比原来采用的淬火油的更低。由于油性等温分级淬火介质的效果冷却速度低，因此只适用于壁厚较小的结构钢类工件，以及淬透性较高的合金钢件。

需要说明的是，图8中所画快端和慢端的冷却过程曲线相对于TTT曲线的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷却条件下的特例，不具有普遍的代表性。

但是，如果引起淬火变形的原因是所用淬火介质的冷却速度不够快，以致使淬火工件的冷却速度带部分甚至全部落入其第III冷速区。对这样的淬火变形问题，改用等温分级淬火油，就得不到解决。只有改用淬火冷却速度更快的冷却介质，来使工件的冷却速度带向左移入第II冷速区内，变形问题才能得到解决。许多模数较大的齿轮，特别是那些从动锥形齿轮（所谓大盘齿），用普通机油淬火引起的淬火变形问题，都不是用等温分级淬火油，而是改用快速淬火油来解决的，原因就在这里。

 

图9 快速淬火油与160℃硝盐浴的冷却特性对比

此外，还有一些壁厚更大，而且第II冷速区又较窄的结构钢制工件，比如一些形状复杂、壁厚相差大，以及要求严格控制淬火变形程度的较厚大工件，因为难以达到要求的淬火硬度，或者窄小的第II冷速区装不下过宽的冷却速度带，用水性介质、普通机油和快速淬火油都不能解决它们的淬火变形问题。为了控制这类工件的淬火变形，需要选用冷却速度比油快的等温分级淬火介质。当前能解决这类问题的，只有低温盐浴。图9中对比了160℃硝盐浴与冷却速度特别快的快速淬火油的冷却特性。可以看出，该硝盐浴的冷却速度在从高到低的温度范围都比快速淬火油要快。一般工件在低温盐浴中做淬火冷却，由于工件的淬火加热温度低于盐浴的特性温度，冷却过程没有蒸汽膜阶段。这一特点既可以提高工件在盐浴中的冷却速度，又可以避免特性温度所引起的冷却速度带加长。因此，用低温盐浴做等温分级淬火，既能把工件的冷却速度带向左移到第2冷速区上，又因等温分级作用和没有蒸汽膜阶段而缩短工件的冷却速度带，使它容易落入第II冷速区之内。这是更厚大的工件特别适合用低温盐浴做等温分级淬火的原因。