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| 圖1 匯總淬火變形影響因素的魚骨架圖 |
通常所說的淬火變形既包括工件在淬火冷卻過程中產(chǎn)生的變形，也包括工件淬火加熱中以及工件向淬火液轉(zhuǎn)移中發(fā)生的變形。后兩類原因引起的變形，一般可以稱為外力引起的變形。外力引起的變形原因比較簡(jiǎn)單，問題比較容易解決。淬火冷卻過程中發(fā)生的變形，主要是冷卻過程中的內(nèi)應(yīng)力引起的。內(nèi)應(yīng)力引起變形的情況要復(fù)雜得多。本文所研究的就是這類淬火變形問題。
任何一種簡(jiǎn)化復(fù)雜的淬火變形問題的通用方法，都必然有它簡(jiǎn)化淬火變形問題的角度或者說思路。以不同的思路入手去簡(jiǎn)化淬火變形問題，建立的方法也不會(huì)相同。
在此介紹的冷卻速度帶法認(rèn)為，所有影響工件淬火變形的因素，都通過對(duì)工件兩個(gè)特性的作用而影響工件的淬火變形。第一個(gè)特性是，工件承受淬火冷卻速度快慢的能力。第二個(gè)特性是，工件在淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢。只有把工件獲得的冷卻速度的快慢程度完全控制在它所能承受的冷卻速度的快慢能力之內(nèi)，才能獲得工件要求的淬火硬度、淬硬層深度、不淬裂，和淬火變形不超差的淬火結(jié)果。相反，工件淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢范圍，一旦超出了該工件所能承受的淬火冷卻速度快慢的能力范圍，不管是快了，還是慢了，都會(huì)使該工件發(fā)生超差的變形、淬裂、或者淬火硬度不足等問題。下面，將以此為基礎(chǔ)，建立和討論解決工件淬火變形問題的冷卻速度帶法。
二 冷卻速度帶法的基本思路
我們用圖2 所示的方式來說明上述兩個(gè)特性的關(guān)系。圖中，橫坐標(biāo)表示冷卻速度。由于后面將要說明的原因，我們約定：從左向右，冷卻速度是減小的。圖中把冷卻速度由快到慢劃分成三個(gè)區(qū)域，分別稱為第1，第2和第3冷卻速度區(qū)。冷卻速度坐標(biāo)軸下面的長(zhǎng)方形圖形，代表工件（嚴(yán)格說，應(yīng)當(dāng)是工件上參與淬火變形部位）在淬火冷卻中實(shí)際獲得的冷卻速度的快慢。我們把該長(zhǎng)方形稱為工件的冷卻速度帶，即該工件在淬火冷卻中不同部位獲得的冷卻速度所覆蓋的冷卻速度范圍。長(zhǎng)方形的左端稱為冷卻速度帶的快端，右端稱為冷卻速度帶的慢端。一般說，快端代表工件上有效厚度小，或者突出的部分獲得的冷卻速度。而慢端則代表工件上有效厚度大，或者凹進(jìn)部分獲得的冷卻速度。實(shí)際生產(chǎn)中，工件的冷卻速度帶可能落在第1區(qū)，也可能落在第2區(qū)或者第3區(qū)內(nèi)；還可能跨越兩個(gè)甚至三個(gè)區(qū)。按照前面的約定，可以把工件的冷卻速度帶落在圖中三個(gè)冷卻速度區(qū)的情況及其淬火效果作成表1。
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| a.三個(gè)冷卻速度區(qū)與工件的冷卻速度帶 | b.鋼材的端淬曲線與分區(qū)的關(guān)系 | |
| 圖2 把淬火變形問題轉(zhuǎn)換成冷卻速度的分區(qū)與冷卻速度帶的關(guān)系 | ||
分區(qū)
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名稱
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區(qū)內(nèi)淬火效果
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I區(qū)
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過快冷速區(qū)
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硬度過高、淬裂、也可能有超差的變形 |
II區(qū)
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適度冷速區(qū)
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硬度高而且均勻，無淬裂，且變形不超差 |
III區(qū)
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不足冷速區(qū)
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硬度不足且高低不均，變形大 |
為了結(jié)合鋼的熱處理理論和熱處理的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)侔唁摬牡亩舜闱€同時(shí)畫進(jìn)圖2（a）所示的圖線中，就得到圖2（b）。由于第1冷卻速度區(qū)的冷卻速度太快，對(duì)一般的結(jié)構(gòu)鋼，雖然可以獲得更高的淬火硬度，卻可能引起淬火開裂和超差的淬火變形。第3冷卻速度區(qū)的冷卻速度不夠快，不能獲得足夠的馬氏體組織，因此工件的淬火硬度不足。由于第3區(qū)是淬火硬度對(duì)冷卻速度差異特別敏感的區(qū)域。很小的冷卻速度差，就能引起明顯的淬火硬度變化。因此，工件的淬火硬度高低不均。因高低不均的硬度代表著馬氏體和非馬氏體組織的比例的關(guān)系的迅速變化，不同組織的比容差異加上冷卻的不均勻性，往往會(huì)引起較大的淬火變形。總之，工件獲得的淬火冷卻速度快了，即它的冷卻速度帶進(jìn)入了第1冷速區(qū)，或者工件獲得的冷卻速度慢了，即它的冷卻速度帶進(jìn)入了第3冷速區(qū)，都會(huì)引起熱處理質(zhì)量問題。只有使工件的冷卻速度帶完全落入它的第2冷速區(qū)內(nèi)，才能獲得滿足熱處理要求的淬火冷卻效果。
需要說明的是，冷卻速度帶法是一個(gè)定性的方法。這種定性的方法建立的是一套分析和解決淬火變形問題的原則思路。由于是原則思路，它的適用范圍就相當(dāng)寬。也由于是定性的方法，上面所謂的第2區(qū)的邊界和工件冷卻速度帶的邊界，都沒有規(guī)定它們的具體數(shù)值。遇到實(shí)際工件的淬火變形問題，我們是按表1所列的淬火效果，來判斷該工件的冷卻速度帶的跨區(qū)情況，再按它的跨區(qū)情況，設(shè)法使它完全落入第2區(qū)內(nèi)，來解決該工件的淬火變形問題。
在這種思路框架下，本文主要包括兩方面的研究?jī)?nèi)容。一是眾多有關(guān)的因素對(duì)工件承受淬火冷卻速度快慢的能力的影響規(guī)律，也就是對(duì)工件第二區(qū)的位置和寬度的影響規(guī)律。二是眾多有關(guān)的影響因素對(duì)工件獲得的淬火冷卻速度快慢的影響規(guī)律，也就是對(duì)工件的冷卻速度帶的位置和寬度的影響規(guī)律。影響工件第二區(qū)的位置和寬度的因素，主要包括零件設(shè)計(jì)、鋼材品種質(zhì)量，以及淬火冷卻之前的所有冷熱加工過程的影響因素。而影響工件冷卻速度帶的因素，主要包括零件的形狀大小、鋼材品種等由零件設(shè)計(jì)所確定的因素，加上淬火冷卻的方式和條件等可以由熱處理工作者選擇和確定的因素。而本文研究的具體內(nèi)容則包括各影響因素的作用機(jī)理和作用規(guī)律，以及不同影響因素之間的相互關(guān)系及協(xié)調(diào)作用規(guī)律?？紤]到許多相同工件是大量而成批生產(chǎn)的，在一定生產(chǎn)條件下，往往只有其中的部分工件才發(fā)生超差淬火變形；本文還研究了工件群體的淬火變形問題，并提出了減少工件群體淬火變形量的原則方法。
三 正確認(rèn)識(shí)淬火變形的原因
按理說，找到了引起淬火變形的原因，問題就容易得到解決。但是，由于淬火變形問題的復(fù)雜性，找準(zhǔn)原因可不是一件容易的事情。原因找錯(cuò)了，麻煩就大了。一旦發(fā)生了淬火變形，就不分青紅皂白地認(rèn)為“是工件的淬火冷卻速度太快了”。這是經(jīng)驗(yàn)不足的人最容易犯的錯(cuò)誤。一般說，引起工件淬火變形的原因，既有淬火冷卻之中的問題，也有淬火冷卻之前的問題。在討論影響第2區(qū)的寬度和位置的因素之前，我們暫時(shí)不涉及淬火冷卻之前的原因，而只考慮與淬火冷卻過程有關(guān)的問題。下面，將結(jié)合本文介紹的方法，分析幾個(gè)淬火變形的原因。
1、北京某廠的熱處理車間曾經(jīng)遇到過一個(gè)奇怪事情。該廠淬火一批不算大的45鋼齒輪。因?yàn)樵擃惞ぜ斜容^嚴(yán)格的變形程度要求，決定在普通機(jī)油中淬火。但是，淬火后發(fā)現(xiàn)變形程度嚴(yán)重超差，而且淬火態(tài)硬度高低不均。經(jīng)過研究，現(xiàn)場(chǎng)工作者認(rèn)為“淬火變形是淬火時(shí)的內(nèi)應(yīng)力過大引起的。而淬火冷卻速度過快是引起大的內(nèi)應(yīng)力的唯一原因”。于是，在后來的熱處理中，采取了諸如降低淬火加熱溫度、停止在油中的擺動(dòng)，以及在空氣中預(yù)冷后再入油淬火等措施及其組合。折騰了很長(zhǎng)一段時(shí)間，問題始終得不到解決。生產(chǎn)試驗(yàn)中，有個(gè)技術(shù)人員一賭氣，干脆把幾個(gè)工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花費(fèi)半天時(shí)間，檢查發(fā)現(xiàn)所有油淬工件的變形仍然不合格之后，才有人想起水槽中還有幾個(gè)工件。撈出來一檢查，變形程度全部合格！但是，每個(gè)工件上都有幾條小的淬火裂紋。這種結(jié)果讓他們百思而不得其解 。
現(xiàn)在，用冷卻速度帶法來分析這種工件的淬火變形原因。45鋼的淬透性較差，在普通機(jī)油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用圖2的方法來分析，是工件的冷卻速度帶部分落入了第3冷速區(qū)而產(chǎn)生了超差的淬火變形。如果再采取降低淬火冷卻速度的辦法，還將使工件的冷卻速度帶更多，甚至全部落入第3冷速區(qū)。因此，不可能減小工件的淬火變形。作為淬火冷卻介質(zhì)，水的第一大缺點(diǎn)是低溫冷卻速度太快。所以，投入水中的幾個(gè)工件都淬裂了。表1中看到，進(jìn)入第1冷速區(qū)的淬火效果是硬度很高、可能發(fā)生淬裂，但變形不一超差。這說明，在水中淬火使工件進(jìn)入了它的第一冷速區(qū)，即過快冷速區(qū)。如圖3所示。
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| 圖3 45鋼工件在不同介質(zhì)中淬火時(shí)冷卻速度帶的位置對(duì)比 |
按照冷卻速度帶法，這一淬火變形問題應(yīng)當(dāng)采取使工件的冷卻速度帶向左移入第二冷速區(qū)的辦法來解決。具體的辦法是，改用冷卻速度高于普通機(jī)油的淬火介質(zhì)，比如快速淬火油，或者比自來水的低溫冷卻速度更慢的水溶性淬火液，比如5～8％的PAG淬火液。它們都能把工件的冷卻速度帶向左移入第2冷速區(qū)之內(nèi)，從而獲得較高的淬火硬度和較小的淬火變形。圖3中，比較了普通機(jī)油、自來水和6％的PAG淬火液淬火時(shí)的冷卻速度帶的位置關(guān)系?？梢钥闯?，只有用6％的PAG淬火液，才能使該工件的冷卻速度帶完全落入它的第二冷速區(qū)中。
2、某汽車板簧廠用13％的PAG淬火液，處理6～8mm厚的60Si2Mn板簧時(shí)，板簧硬度和變形情況都令人滿意。但是，在處理10～12mm厚的60Si2Mn板簧時(shí)，卻發(fā)生了淬火硬度偏低且變形過大的熱處理質(zhì)量問題。反復(fù)檢查生產(chǎn)工藝和操作方法，始終找不出任何疏漏。不得以，請(qǐng)來了一位教授。該教授做出了這樣的分析：變形大是由于熱處理應(yīng)力過大。熱處理應(yīng)力過大是由于淬火冷卻速度過快。因此，提出了減小淬火冷卻速度的幾項(xiàng)措施：將PAG淬火液濃度提高到15％，把淬火液的使用溫度升高20℃，并且把板簧的淬火加熱溫度降低20℃。令人不解的是，進(jìn)行這樣的改動(dòng)后，不僅板簧的淬火變形進(jìn)一步增大，連板簧的淬火態(tài)硬度也降低到30HRC！事后，這個(gè)問題的正確的解決辦法不是降低工件的淬火冷卻速度，而是提高工件的淬火冷卻速度。具體做法是，在采用原來的淬火加熱參數(shù)的同時(shí)，把PAG淬火液的濃度從13％降低到8～10％之間。其結(jié)果，所有問題一下子就都解決了。
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| 圖4 厚度12mm的60Si2Mn板簧在不同濃度的PAG淬火液中淬火時(shí)的冷卻速度帶 |
采用冷卻速度帶法來分析這一淬火變形問題，僅從變形大和硬度偏低，就可以確定工件的冷卻速度帶進(jìn)入了第3冷速區(qū)。如圖4所示。解決辦法當(dāng)然是提高工件的淬火冷卻速度，而不是降低它。即便不用本方法分析這個(gè)問題，根據(jù)薄板簧用13％的淬火液能夠滿足熱處理要求，加上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)厚板簧的淬火硬度偏低這兩點(diǎn)，也容易發(fā)現(xiàn)問題在于淬火冷卻速度偏低了。為什么現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和本專業(yè)教授都做出了錯(cuò)誤的判斷？為什么上一個(gè)例子中熱處理技術(shù)人員對(duì)“工件油淬變形而水淬反而不變形”百思不得其解？這說明，在熱處理行業(yè)，對(duì)淬火變形的產(chǎn)生原因，不少人有著簡(jiǎn)單而且僵化的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。
冷卻速度帶法認(rèn)為，工件的冷卻速度帶只要伸出了第2冷速區(qū)，不管是因?yàn)槔鋮s速度過快，還是因?yàn)槔鋮s速度過慢，淬火后，工件都可能發(fā)生超差的淬火變形。而且，因冷卻速度過慢，也就是進(jìn)入了第3冷速區(qū)而引起的變形更大。調(diào)查表明，一般結(jié)構(gòu)鋼工件發(fā)生的超差淬火變形，大部分是因?yàn)檫M(jìn)入第3冷速區(qū)所至。因此，解決這類淬火變形問題的努力方向，主要是提高工件的淬火冷卻速度。只有少數(shù)工件的超差淬火變形是因?yàn)楣ぜ睦鋮s速度帶進(jìn)入第1區(qū)而產(chǎn)生的。而解決這后一類淬火變形問題的改進(jìn)方向，往往是向右移動(dòng)或者縮短工件的冷卻速度帶，使其完全落入第2冷速區(qū)內(nèi)。在后面的文章中，還將討論這一類變形問題的具體解決辦法。
