分析和控制淬火变形的冷却速度带法介绍（1）

一、淬火变形问题应当有简单化的分析和解决办法
        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工艺生产的各个细节，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太多，且“时灵时不灵”，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
     
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。以不同的思路人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，以及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。
二、冷却速度带法的基本思路
        我们用图2所示的方式来说明上述两个特性的关系。图2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2中把冷却速度由快到慢划分成三个区域，分别称为第1、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。宁波市神光电炉有限公司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法的快端，右端称为冷却速度带法的慢端。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1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。
 
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2a所示的图线中，就得到图2b。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1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人它的第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I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Ⅱ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Ⅱ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；本文还介绍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。


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