热处理变形问题的探讨（二）

　　四、调节冷却速度带的基本措施

　　从前面的讨论中可以看出，解决变形问题的途径，实质上是针对具体情况，应用一些能调节冷却速度带的措施，以实现工件冷却速度带的移动和收缩，使其完全进入第Ⅱ冷速区。在热处理生产中，可以采取的基本措施大致有:改变淬火加热温度，改变工件局部冷却状况，改变淬火介质的温度、浓度和流动情况，改换淬火介质，以及适应钢材化学成分和质量波动情况，直至改换钢种和改变工件外形设计等几类。在生产中根据具体情况灵活应用其中的一类或几类方法，通常可解决本文所指的淬火变形问题。以下对各类基本措施分别加以说明。

　　1．改变淬火加热温度

　　当工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区时，适当降低工件的淬火加热温度，可以使工件的冷却速度带的左端向右方发生一定量的收缩。这类措施中也包括局部降温后淬火。当工件的冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区时，适当提高整个工件或工件上局部区域的淬火加热温度，可以使其冷却速度带的右端向左做一定量收缩。如果原来的淬火加热保温不足，则延长保温时间，也有同样效果。

　　2．淬火冷却介质上的变换

　　从淬火介质上想办法，以求减小工件的淬火变形，早已为热处理现场采用。本文采取的办法与习惯办法之不同，主要在两点上。第一，本文改变淬火介质使用状况或改换淬火介质品种等办法，是以前面建立的原则和方法为指导来进行的。第二，过去习惯的做法，调整淬火介质及使用状况的目标，往往限于降低淬火冷却速度，以求降低淬火冷却过程的内应力。而本文的方法，是按工件冷却速度带的跨区情况而定的，既有以降低淬火中的应力为目标的降低淬火冷却速度的措施，更有提高淬火冷却速度的措施。事实上，工件的淬火变形，大多是工件上参与变形部位的冷却速度不足即进入了第Ⅲ冷速区引起的，因而需要以提高冷却速度的办法来解决这类工件的淬火变形问题。采用这种措施提高的是工件相对于淬火介质的冷却速度，即对外的冷却速度，而在工件内部参与变形部位之间却因全部进入第Ⅱ冷速区而使相对差异减小，所以最终能减小工件的内应力，从而减小淬火变形。

　　在可以采用的淬火介质中，自来水冷却太快，会使许多钢种淬裂并发生淬火变形。遇到这种情况，改换成机油，淬火冷速大大降低，通常可以防止这类淬裂及变形。这是众所周知的办法。由于自来水与机油的冷却速度相差很大，不少钢件在水中淬裂、变形，而在机油中却淬不硬且发生变形。

　　在自来水中加入适量水溶性淬火剂，可以在一定程度上降低自来水的冷却速度。而以矿物油(机油)为基础做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。这些都为控制淬火变形提供了条件。

　　有些水溶性淬火剂可以通过调节浓度来改变水溶液的冷却速度。以PAG淬火液为例,15%时的300℃冷速约为20℃／s，相当于某些超速淬火油。而浓度为9％时的300℃冷速约为50℃／s，相当于饱和氯化钙水溶液。而当浓度降低至5～7％时，300℃冷速增大至70～80℃／s，就与所谓的三氯或三硝淬火液相当了。于是，可以通过提高淬火液浓度使工件的冷速带向右移，也可以通过降低淬火液浓度来使工件的冷速带向左移。本文图2所举的淬火变形例，其产生淬火变形的原因是工件冷却速度带的右端伸入了第Ⅲ冷速区。具体的说，当进行水淬时，该工件的两端冷得快而避开了其过冷奥氏体冷却转变的"鼻尖"位置，随后在油中继续冷却时转变成了马氏体。但是，筒体内面近中间部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置对应的温度，因此，在随后的油冷中产生了相当量的非马氏体组织。解决这一淬火变形的办法，是改用6％的PAG淬火液做单液淬火，一冷到底，且在淬火冷却中使淬火液做适当循环流动，以提高筒体内部的冷却速度。这一解决办法，实现的是使冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区的部位向左收缩进其第Ⅱ冷速区。采用这种做法后，淬火操作简化了，淬火硬度高而均匀，没有淬裂，淬火变形消失了。

　　好的水溶性淬火液，其淬火冷却的高温冷速大多较高，即蒸气膜阶段较短且不稳定。因此，评价水溶性淬火液的冷却特性，主要看它的300℃冷却速度。淬火油多有较长且相当稳定的的蒸气膜阶段，因此，评价油的冷却特性应当看的是整个冷却速度分布，包括蒸气膜阶段长短、最高冷速大小和出现最高冷速的温度高低、以及对流开始温度等。不能单以其最高冷速的大小来评价油的冷却能力。从冷却速度曲线上容易看出，所谓"最高冷却速度"只存在一瞬间，对工件的淬硬效果作用不一定大。

　　普通机油的冷却速度慢，因此，在其中淬火后有超差变形的工件，其淬火冷却速度带大多伸入甚至整个落入第Ⅲ冷速区。遇到这种情况，将原用的机油改换成有适当冷却速度分布的快速淬火油，或者在现有的机油中加入适当的油改性添加剂获得同样的冷却速度分布，以便工件在其中淬火时使冷却速度带发生左移或向左收缩，最终全部进入第Ⅱ冷速区，便可以解决这类淬火变形问题。在决定是选用水性介质还是淬火油时，还必须考虑液温变化对淬火冷却特性的影响。对淬火油而言，在一定范围内提高油温，油的冷却特性基本不变。在允许的使用温度范围内，进一步提高油温，还会使油的蒸气膜阶段有所缩短，冷却能力相应有所增大。油温过低，油的粘度增大，流动性变差，冷却能力会降低。有些工厂有这样的经历，冬季新开炉时，油温很低，工件的淬火变形大且淬火硬度不足。这是工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区的缘故。遇到这种情况，设法提高油温，比如使油温升到50～80℃再淬同类工件，由于冷却速度提高，工件的冷却速度带左移至全部进入第Ⅱ冷速区，淬火变形就消失了，淬火硬度也达到了工艺要求。

　　与油相反，在水性介质中淬火时，提高水温会降低淬火冷却速度。降低的程度与介质的品种、使用的浓度和当时的水温有关。当变形工件的冷速带伸入其第Ⅰ冷速区时，适当提高水溶液的液温，可以使其冷却速度带稍向右移。又当水溶液温度过高，淬火冷却速度不足，工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区而引起变形时，适当降低水温则有使其冷却速度带左移的作用。

　　当然，对于以水为基的淬火液，采取降低和升高水温来调节工件的冷却速度带时，水温的变化范围是比较窄的。降温以不发生凝固为限，而升温以60～70℃为限。水温太高，淬火冷却的蒸气膜阶段过长，使水溶液冷却能力大减，会使工件的淬火硬度不均匀。

　　前面所举大圆锯片的例子中,采用水溶液时边沿齿口部淬裂，而近中间部位又淬不硬。边沿部位水温低，又受冲刷，冷却速度过快，是边沿缺口部位淬裂的原因。圆锯片中间部位水温远比边沿部位高，相应地淬火冷却速度低，是这些部位淬不硬并从而引起变形的原因。对于这样的淬裂与变形问题，除采取前述在边沿部位加护板，降低冷速，同时在中间部位安设喷水管适当分配水流来提高冷速外，还可以采用专配快速淬火油代替现用的水溶性介质，也能生产出合格产品。专配快速淬火油可以解决该圆锯片淬裂和变形问题的原因是，这种油的淬火冷却速度比普通机油快,可以使8mm厚的65Mn圆锯片中间部位淬硬。又由于专配淬火油的冷却速度远比水和水溶液低，可以保证该工件不发生淬裂。关于中间部位的淬硬问题，由于油的冷却速度随油温升高能有所提高，与接近中间部位的实际厚度比边沿大正好相匹配，也能保证淬硬。从该圆锯片的冷却速度带的跨区情况看，改用专配快速淬火油后，和用水溶液相比，锯片的冷却速度带变窄了；边沿部位对应的冷却速度带从第Ⅰ冷速区缩进第Ⅱ冷速区；而近中间部位对应的冷速带却向左收缩进入其第Ⅱ冷速区。最终获得淬硬不裂且变形小的淬火效果。

　　3．改善工件的局部冷却状况

　　在工件上冷速过快的部分加冷的或热的附板以减少这些部位的淬火冷却速度，可以使工件冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的部分向右缩进第Ⅱ冷速区。相反，当工件上某些参与淬火变形部位冷速过慢时，又可以通过向这些部位多分配些液流，以增大冷速，使这些部位对应的、伸入第Ⅲ冷速区的冷却速度带向左收缩，进入第Ⅱ冷速区内。本文图3所举大圆锯片用水溶性淬火液淬火中，就是同时采取了在圆锯片外沿加冷附板和向圆锯片近中间部位多分配水流的方法来解决的淬裂、淬硬和变形问题。另外，有一种20Cr汽车后桥齿轮，渗碳后直接在机油中淬火，发现有较严重变形；内孔涨大、失圆，内外圆翘曲，公法线长度变化，使产品合格率很低。剖切取样测量其内外表面的硬度发现，渗碳的齿面硬度58～61HRC,未渗碳的内孔侧面淬火硬度不均,壁厚处约20HRC,壁薄处约30HRC。

　　考虑到该齿面淬火硬度已足够高，无淬裂，说明该工件渗层部位已落入第Ⅱ冷速区，因而把研究的目标集中到齿轮的内侧面。内侧面未渗碳，取20Cr钢的端淬曲线中间值，画出其硬度-冷速分区图，由于硬度曲线随冷速降低变化很大，按本文后面将提到的原因，20Cr钢属易变形钢种，其第II冷速区很窄。工件内侧对应的冷却速度带大部分落入其第Ⅲ冷速区。

　　根据这种分析可以判定，该齿轮发生淬火变形的原因，主要是淬火中内侧部位冷速不足。在生产中造成内侧冷速慢的原因是，渗碳中工件串堆太高，且挂具底板上无通孔，淬火时串堆的齿轮已相当于一个平底杯子，底朝下淬入油中。由于"杯"内油的流动性不好，"杯"的内侧散热慢，内侧表面较长时间受蒸气膜笼罩，结果造成齿轮内外过大的冷速差，从相应的冷速带看，外面齿部在第Ⅱ冷速区，而内面在第Ⅲ冷速区。

　　又因串堆在一起的齿轮有的在"杯口"，有的在"杯中间"，有的在"杯底"，冷却情况差别较大。结果，各个齿轮的变形情况又有不同，使得该工件的变形很不规律。串堆的齿轮越多，这种差别也越大。解决这种淬火变形的措施共三项：

　　⑴　改用蒸气膜阶段较短的专用快速淬火油，以加快"杯"内的冷却速度；

　　⑵　适当减少串堆齿轮件数(即"杯"的高度)，以减少串堆中不同部位的冷速差异；

　　⑶　在挂具底板上多开通孔，以加快"杯"内淬火油的循环流动。采取这些措施后，该类齿轮的淬火变形问题得到了解决。

　　4．马氏体分级淬火控制淬火变形

　　马氏体分级淬火能控制淬火变形的原因。由于是一冷到底，工件表面和心部的冷却进程相差很大，因此工件的内应力大，淬火变形也就大。

　　高于Ms点的马氏体分级淬火工艺的，由于经过高于Ms点温度的分级处理，工件表面和心部的温度基本一致，再缓慢冷却，发生马氏体转变时，工件内外温差大大减小，结果，淬火变形也小。低于Ms点的分级淬火工艺的示意图，其减小淬火变形的原因与解释基本相同。

　　按照本文提出的方法，马氏体分级淬火控制淬火变形的原因，应改用工件冷却速度带的位置和宽度来加以说明。

　　和前面的分析方法不同的是，两条冷却曲线代表的不再是工件的"表面"和"心部"的冷却过程，而是工件上参与淬火变形部位的"快端"和"慢端"的冷却过程。由于是一冷到底，在对应的硬度-冷速曲线上，冷却速度带的快端伸进了第I区，这就引起了超差的淬火变形。快端向右退缩，至完全进入第II冷速区，变形问题也就解决了。

　　按照这种分析方法，解决这类工件淬火变形问题的方法就是使冷却速度带的两端向右缩进到第II区。马氏体分级淬火用以减小冷却速度带的宽度，并使其完全进入适度冷速区。普通淬火的工艺过程(a)和相应的冷却速度带位置(b) 和(b)分别是用本文的方法对高于与低于Ms点的马氏体分级淬火控制变形作用的分析。可以看出，马氏体分级淬火使冷却速度带的两端向右退缩，至完全进入第II冷速区，变形问题也就解决了。

　　这里用到的也是工件上参与淬火变形部位的冷却速度带的快端和慢端，而不是工件的表面和心部。实际上，淬火冷却中，除标准的圆球并能完全均匀地冷却球面各部分的情况外，工件表面各部分的冷却速度相差是很大的，尤其是形状复杂的工件。所谓冷却速度相差很大，不少钢件在水中淬裂、变形，而在机油中却淬不硬且发生变形。

　　在自来水中加入适量水性淬火剂，可以在一定程度上降低自来水的冷却速度。而以矿物油(机油)为基础做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。这些都为控制淬火变形提供了条件。

　　有些水性淬火剂可以通过调节浓度来改变水溶液的冷却速度。以PAG淬火液为例,15%时的300℃冷速约为20℃／s，相当于某些超速淬火油。而浓度为9％时的300℃冷速约为50℃／s，相当于饱和氯化钙水溶液。而当浓度降低至5～7％时，300℃冷速增大至70～80℃／s，就与所谓的三氯或三硝淬火液相当了。于是，可以通过提高淬火液浓度使工件的冷速带向右移，也可以通过降低淬火液浓度来使工件的冷速带向左移。所举的淬火变形例，其产生淬火变形的原因是工件冷却速度带的右端伸入了第Ⅲ冷速区。具体的说，当进行水淬时，该工件的两端冷得快而避开了其过冷奥氏体冷却转变的"鼻尖"位置，随后在油中继续冷却时转变成了马氏体。但是，筒体内面近中间部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置对应的温度，因此，在随后的油冷中产生了相当量的非马氏体组织。解决这一淬火变形的办法，是改用6％的PAG淬火液做单液淬火，一冷到底，且在淬火冷却中使淬火液做适当循环流动，以提高筒体内部的冷却速度。这一解决办法，实现的是使冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区的部位向左收缩进其第Ⅱ冷速区。采用这种做法后，淬火操作简化了，淬火硬度高而均匀，没有淬裂，淬火变形消失了。

　　好的水性淬火液，其淬火冷却的高温冷速大多较高，即蒸气膜阶段较短且不稳定。因此，评价水性淬火液的冷却特性，主要看它的300℃冷却速度。淬火油多有较长且相当稳定的的蒸气膜阶段，因此，评价油的冷却特性应当看的是整个冷却速度分布，包括蒸气膜阶段长短、最高冷速大小和出现最高冷速的温度高低、以及对流开始温度等。不能单以其最高冷速的大小来评价油的冷却能力。从冷却速度曲线上容易看出，所谓"最高冷却速度"只存在一瞬间，对工件的淬硬效果作用不一定大。

　　工件的心部，一般也是不好确定的。前面谈到，决定工件淬火变形大小的应当是冷却速度带相对于第II区的位置，而不是工件上无法确定的"表面"和"心部"。

　　可以看出，能够用分级淬火方法解决的往往是形状较复杂，变形要求较严，因而其第II区较窄的工件，用普通一冷到底的方法，其冷却速度带的快端伸入了过快冷速区(第I区)，而慢端在过快冷速区或在适度冷

　　速区(第II区)的淬火变形问题。由于马氏体分级淬火冷速较慢，那些会使冷却速度带的慢端伸入了不足冷速区(第III区)的淬火变形问题，通常不能用马氏体分级淬火方法得到解决。这就是马氏体分级淬火只适用于尺寸较小的工件和淬透性较好的钢种的原因。可以推知，选用淬火冷却速度更快的分级淬火介质，可以成功地控制尺寸较大和淬透性更低钢种制件的淬火变形。

　　5．钢材品种和材质的因素

　　钢种不同，顶端淬火曲线的形状也不同。淬透性好的钢，其硬度随距离的变化较平缓，淬透性差的钢，变化比较陡。在硬度-冷速分区图上，淬透性好的钢种，第Ⅱ冷速区比较宽，而淬透性差的钢种，第Ⅱ冷速区则比较窄。淬透性好的钢，其第Ⅲ冷速区较宽，即硬度-冷速曲线变化速率不大；相反，淬透性差的钢的第Ⅲ冷速区变化陡，硬度随冷速变化较大。根据前面的道理，可以推知，钢种的淬透性越好，越容易控制工件的淬火变形。当然，随着钢的淬透性提高，其第Ⅰ冷速区也随之变宽，因而需要采用更缓慢的淬火介质来防止淬裂。

　　再看同一钢种的淬透性带图线。当成分波动使钢材的淬透性取图中上限时，其硬度-冷速关系成图中上面一条曲线。而当成分波动取下限时，分区情况如图中下方曲线所示。上端曲线的第Ⅰ冷速区稍宽些，第Ⅱ、Ⅲ冷速区则进一步加宽；下端曲线则相反。按前述道理推知，若同一钢种发生成分波动引起淬透性波动时，淬透性偏高的钢，比较容易控制工件的淬火变形，淬透偏低时，则较难控制工件的淬火变形。当然，淬透性偏高，尤其是因碳含量偏高所致时，工件淬火的第Ⅰ冷速区较宽，比较容易淬裂。

　　上述钢材方面的因素对工件淬火变形和开裂的影响规律，可以用来指导预防或解决淬火变形。有时候，可以通过改用。

　　淬透性更好的钢种，在相同条件下淬火，来控制工件的淬火变形。

　　而当钢材成分波动使淬透性降低并因此发生淬火变形时，可以改用冷却速度更快的淬火介质来控制变形。为了预防钢材成分波动引起淬火变形，当用油淬火时，可以改用快速油或在现有的机油中加专配淬火油添加剂使其变成适合的快速淬火油，以覆盖可能的成分波动的影响。能这样做的另一个原因是，绝大多数钢种在油中(包括在快速油中)不会淬裂。对于多数结构钢工件，使用合适的水溶性淬火剂，往往可以消除变形和开裂，其原因也在于淬火冷速更快，可以保证工件的冷却速度带不会伸入第Ⅲ冷速区

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