热处理变形问题的探讨（一）

　　生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的损失。淬火变形的产生，从理论上说，当然与热应力和组织转变应力的影响有关，但是，在分析和解决实际工件的淬火变形时，这种理论却很难做到具体应用。至今，尚没有用来分析和解决工件淬火变形问题的实用的系统方法。热处理行业期待的是能用来分析和解决实际工件淬火变形的系统而实用的方法。以此为目标，本文发展了一种以钢的端淬曲线为依托，从检测出发生变形的工件上的硬度差异入手去分析和解决工件淬火变形问题的方法，我们把它叫做"硬度差异法"，供热处理行业采用并探讨。

　　一、本新方法的适用范围

　　工件发生了淬火变形，指的是工件上某些部位发生了超过图样公差的变形。本文把工件上发生变形的部分和与之相关连的部位合称为该工件的参与淬火变形部位。参与淬火变形部位指的是工件上多个部位的总体，须根据实际工件的(变形)情况来确定。在已发生淬火变形的工件上，参与了淬火变形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明显差异。硬度差异反应出这些部位的淬火转变产物(即组织)之不同。由于不同的组织有不同的比容，比容差本身及其在淬火过程中的作用必然对淬火后的变形有直接的影响。由于这样的原因，本文把最终发生了淬火变形的工件分为两类。第一类:因装炉时的冲撞，淬火加热中工件的装挂或堆放不当，以及出炉转移到淬火介质过程中所受的外力或自重引起的变形。这类变形容易从操作方法和装挂方式入手去解决。第二类：工件参与淬火变形部位有明显或不明显的硬度差异，也可能伴有淬火开裂。在第二类情况下，引起变形的原因既有淬火冷却过程中的应力作用，也有转变产物比容差之最终的影响。

　　本文提出的概念和方法，仅限于用来分析和解决第二类淬火变形问题。

　　二、淬火变形工件的冷却速度带及减小变形的努力方向

　　作为本方法的基础，先引进淬火变形工件的硬度-冷速曲线、冷却速度带及其跨区等概念。

　　１．硬度-冷速曲线的分区及其与淬火变形的关系

　　为适应本文的需要，我们将下方的横座标定为冷却速度，并按冷却速度大小和淬火态硬度分布，将端淬曲线分成四个区。这样的曲线，我们把它叫作硬度-冷速曲线。

　　划出的第Ⅰ冷速区内淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速过快，可能产生淬火变形或淬裂。

　　第Ⅱ冷速区内淬火，冷却速度适当，工件可以充分淬硬。硬度均匀说明可能参与淬火变形部位的淬火转变产物基本相同，因此，工件淬火冷却中可能引起淬火变形的过程中的应力也不会很大。结果，最终的淬火变形也就相当小，通常能属于控制变形的最佳壮态。故本文把第Ⅱ冷速区叫做微变形区。

　　在第Ⅲ冷速区内淬火，由于硬度-冷速曲线走势很陡，工件上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化，也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速区淬火时，可能引起淬火变形的因素既有过程中的，也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。总起来说，在此区淬火后变形大，硬度高低不均，且硬度不足。

　　在第Ⅳ冷速区，即过慢冷速区内淬火，工件上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低，各部位间温差小，加上各部位都远未淬硬，最终转变产物也基本相同，故变形小。

　　2．工件上参与淬火变形部位的冷却速度带

　　变形工件上参与变形的各部位之间得到的冷却情况不同，是造成最终淬火变形的原因。实际工件是个实体，它上面参与变形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲线上一定范围内。本文把这些不同冷速所达到的范围叫做该工件在所经受的淬火条件下参与变形部位的冷却速度带，以下简称为该工件的冷却速度带。工件上参与变形部位间的冷却速度相差小，它的冷却速度带就窄；相反，它的冷却速度带就宽。

　　冷却速度带的确定方法：拿到一个发生了淬火变形的工件，首先找到它上面发生了淬火变形的部位，再连同其相邻或相关的部位，合而成为该工件上参与淬火变形部位。接着检查参与变形部位内外表面的硬度，并凭测出的最高和最低硬度值在所用钢种的硬度-冷速曲线图上找到两个相应的冷却速度值，把这两个冷却速度值水平连接起来，即构成该工件的冷却速度带。举例来说，有一筒状工件，50Cr材质，经770℃加热后水淬1.5秒再转油冷。淬火后未发现淬裂，但有明显的变形:两端孔径增大，呈双头喇叭形。因工件形状简单，且变形牵涉面大，可以把整个工件都看成参与变形部位。检查该变形工件内外表面的硬度后发现，筒两端硬度约55HRC，而内孔中部只有35HRC。从手册上查出50Cr钢的端淬火曲线，取其中线作出本工件的硬度-冷速曲线。由淬火硬度最高的端头部位(B)之55HRC找到冷速点b。再由淬火硬度最低的筒内中间部位(A)之35HRC找到冷速点a。连接a、b两点的带ab即为该工件的冷却速度带。按照相似的方法步骤，可以画出其它淬火变形零件的冷却速度带。需要说明的是，如果工件上有内孔(或凹陷部位)而且在该部位或邻近部位发生了淬火变形，则该部位就属于参与变形部位，在确定该工件的冷却速度带时，就需要将该工件的内孔或凹陷部位剖切开，测量该部位的表面硬度。

　　3．冷却速度带的跨区情况

　　实际生产中，不同工件的钢种、形状大小、热处理条件以及工艺方法有很大差异，它们的冷却速度带必然有宽有窄。当工件的冷却速度带比较窄时，可能只落入某一个冷速区，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速区，相应的变形情况如图1所示。当工件的冷却速度带比较宽时，往往要跨越两个甚至两个以上的冷速区。比如，工件的冷速带就跨越Ⅱ、Ⅲ两个冷速区。又如，有一种65Mn制的大圆锯片，直径1600mm，厚8mm，在专用的槽式电阻炉中垂直悬挂加热后，直接放入有循环搅动的淬火槽中淬火，淬火液为一种聚合物水溶液，水温约25℃。淬火后工件有相当严重的翘曲变形。出槽后检查发现,圆锯片边沿齿口部位有几处淬裂。硬度检查结果,边沿部分(B)最高硬度62HRC，而近中间部位(A)的硬度最低为30HRC。对于这样薄而大,变形严重的工件,也宜把工件之整体都看成参与变形部位。

　　按前述方法，确定该圆锯片的冷却速度带ab。由于该圆锯片边沿齿口处已淬裂，说明该部位已进入第Ⅰ冷速区。而在近中间部位淬火态硬度只有30HRC，未淬硬，说明该部位已进入第Ⅲ冷速区。这样,整个圆锯片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区。对于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷却中跨越三个冷速区，就很容易发生严重变形。

　　4．减小工件淬火变形的努力目标

　　通常，对工件淬火效果的要求是：获得高而且均匀的淬火硬度、足够的淬硬深度、不淬裂且无淬火变形。显然，按本文的分析原理和方法，只有当工件上参与变形部位的冷却速度带落入第Ⅱ冷速区，才能获得这种淬火效果。据此本文减小工件淬火变形的措施和方法，均以使工件上参与变形部位的冷却速度，即该工件的冷却速度带完全落入其第Ⅱ冷速区为努力目标。实现这个目标，就可以控制变形。以下归纳的做法都是以此为目标的措施。

　　5．对硬度差异法的解释

　　众所周知，淬火变形是钢件淬火冷却中的热应力和组织转变应力共同作用的结果。这里所说的工件的冷却速度带的宽窄，反应的正是这种共同作用的大小。共同作用力大的，其冷却速度带宽，该共同作用力就大，而冷却速度带窄的，该作用力就小。而工件的硬度-冷速图线上第II区的宽窄，反应的是该工件的变形要求。变形要求严的，第II区窄；变形要求松的，第II区宽。使工件的冷却速度带完全落入其第II区中，也就是把该工件淬火冷却中的热应力和组织转变应力的共同作用力的大小控制在不引起超差变形的范围。硬度差异法从工件淬火态硬度差异入手去分析解决变形问题，其本质上就是通过控制这种硬度差异的大小和范围来控制工件淬火中的热应力和组织应力的复合作用大小，从而控制淬火变形。

　　三、减小淬火变形的改进方向

　　1．整体移动冷却速度带

　　通过整个提高或降低淬火冷却速度等措施，使工件的冷却速度带整体移入该工件的第Ⅱ冷速区。这种方法适用于工件的冷却度带比较窄，发生淬火变形的原因是其冷却速度带整个或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速区。

　　当工件上有局部或全部参与变形部位淬火硬度偏低时，说明该部分淬火冷速进入了第Ⅲ冷速区。按照上面提出的解决办法，为消除这种淬火变形，可以采取提高整个工件的淬火冷却速度，适当提高淬火加热温度，以及改用淬透性更好的钢种制做该工件等措施之中的一个或几个，就可以使该工件的冷却速带发生移动并进入第Ⅱ冷速区，从而消除该淬火变形。

　　当工件发生变形且淬火硬度高或同时发现有淬裂，说明部分或全部参与淬火变形部位进入了该工件的第Ⅰ冷速区。解决这类变形问题的措施有降低该工件的淬火加热温度，降低整个工件的淬火冷却速度以及改用碳量及合金元素含量稍低的钢种等，目的在使工件的冷却速度带整个移入第Ⅱ冷速区。

　　例如，某汽车板簧件采用13%的今禹8-20水溶液，在液温25℃时淬11×75mm的60Si2Mn钢板，出槽后发现有高达4mm的侧弯变形和相当大的弧高变化。起初，有关人员分析认为，是淬火应力(热应力和组织转变应力)过大引起。因此,采取了降低淬火应力的方法：适当降低淬火加热温度，提高淬火液液温，并停止淬火机的摆动以减小相对流速，甚至曾一度将今禹8-20的浓度提高到15%。所有这些措施，都在降低板簧片的淬火冷却速度，都想减小淬火应力来消除淬火变形。但结果与希望相反，板簧片的变形更大且仍然无规律可循，同时，钢板的淬火硬度更低，根本不能满足热处理要求。

　　后来，用本文所述的方法分析该批板簧的淬火变形，发现淬火硬度不足且高低不均，大约在28～52HRC之间，其冷却速度带正好落在第Ⅲ冷速区。按前面提到的原则和方法，解决这一变形问题的措施就不是设法降低淬火冷却速度,而是提高淬火冷却速度，以便使该板簧片的冷却速度带整体向左移入其第Ⅱ冷速区。具体的做法是，向淬火槽中补加自来水，将今禹8-20的浓度降到10%，并在淬火过程中使淬火机不停地摆动，以便进一步提高淬火冷却速度。结果，在其它工艺方法保持不变的情况下，同批板簧片淬火后的变形(侧弯和弧高变化)极小，同时淬火硬度都在59～61HRC内，没有淬裂，完全满足了工艺要求。

　　2．使冷却速度带收缩进第Ⅱ冷速区

　　当变形工件的冷却速度带跨越两个以上冷速区时，解决淬火变形问题的办法就是使工件上参与变形部位中原来冷速过快(因而发生淬裂、变形)的部分淬火冷速降低，相当于使工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的左端部分向右收缩，达到左端头也进入第Ⅱ冷速区；使工件上参与变形部位中硬度不足或硬度过低部位的淬火冷速提高，以使其冷却速度带向右伸出第Ⅱ区的部分向左收缩，也进入第Ⅱ冷速区。

　　它的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区，因此，采取的消除变形措施应能使其冷却速度带的两端同时向中间收缩，直至全部落入其第Ⅱ冷速区。经分析，该圆锯片外沿齿间底部发生淬裂，是在淬火冷却中该部位受到过激的水流冲刷的缘故。解决这一部分(即冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区那一段)的淬裂变形的措施是设法使该部位不受水流冲击，可以在淬火槽中安装护板或改变淬火液循环流动的分配方式，其目标都是使原来冷却太快的外沿部分的冷却速度降低至不发淬裂的程度。而对于圆锯片上近中间部位，淬火硬度偏低说明其受到的冷却不足。分析这些部位冷速不足的原因发现，在淬火冷却过程中这些部位长期被流动缓慢的热水包围。由于锯片很大，从下至上做上升流动的热水达到锯片中间部位时液温已相当高，使圆锯片近中心部位有较长时间在蒸气膜及热水笼罩之下，加上该部位实际的有效厚度又远比边沿部位大，使这些部位得不到足够的淬火冷速，淬火硬度自然偏低。又由于上升过程中形成的热水区的液温分布相对于圆锯片是不稳定和不规律的，故淬火后圆锯片的变形大而没有规律性。解决这些部位淬火冷却速度不足的办法，是根据圆锯片在槽中的位置，安设足以使其近中间部位获得适当水流冲击来加快散热，提高冷速，使这些部位对应的冷速带右端向左收缩，直至进入第Ⅱ冷速区。由于这类大圆锯片多是专业厂生产，生产装置是专用的，通过适当的试验改进，最终实现使圆锯片的冷速带从左、从右同时收缩进第Ⅱ冷速区，从而消除淬火开裂、变形和中间部刚度不足等问题，可以收到一劳永逸的效果。

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