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分析和控制淬火变形的冷却速度带法介绍（2）
三、正确认识淬火变形的原因
按理说，找到了引起淬火变形的原因，问题就容易得到解决。但是，由于淬火变形问题的复杂性，找准原因可不是一件容易的事情。原因找错了，麻烦就大了。一旦发生了淬火变形，就不分青红皂白地认为“是工件的淬火冷却速度太快了”，这是经验不足的人最容易犯的错误。一般说，引起工件淬火变形的原因，既有淬火冷却过程中的问题，也有淬火冷却之前的问题。在讨论影响第Ⅱ区的宽度和位置的因素之前，我们暂时不涉及淬火冷却之前的原因，而只考虑与淬火冷却过程有关的问题。下面，将结合本文介绍的方法，分析几个淬火变形的原因。
(1)北京某厂的热处理工艺车间曾经遇到过一个奇怪事情。该厂淬火一批不算大的45钢齿轮，因为该类工件有比较严格的变形程度要求，决定在普通机油中淬火。但是，淬火后发现变形程度严重超差，而且淬火态硬度高低不均。经过研究，现场工作者认为“淬火变形是淬火时的内应力过大引起的，而淬火冷却速度过快是引起大的内应力的惟一原因”。于是，在后来的热处理中，采取了诸如降低淬火加热温度、停止在油中的摆动，以及在空气中预冷后再入油淬火等措施及其组合。经过很长一段时间摸索，问题始终得不到解决。生产试验中，有个技术人员一赌气，干脆把几个工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花费半天时间，检查发现所有油淬工件的变形仍然不合格之后，才有人想起水槽中还有几个工件，捞出来一检查，变形程度全部合格!但是，每个工件上都有几条小的淬火裂纹。这种结果让他们百思而不得其解。现在，用冷却速度带法来分析这种工件的淬火变形原因。45钢的淬透性较差，在普通机油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用图2的方法来分析，是工件的冷却速度带部分落入了第Ⅲ冷速区而产生了超差的淬火变形。如果再采取降低淬火冷却速度的办法，还将使工件的冷却速度带更多，甚至全部落入第Ⅲ冷速区。因此，不可能减小工件的淬火变形。作为淬火冷却介质，水的第一大缺点是低温冷却速度太快，所以投入水中的几个工件都淬裂了。由表l中看到，进入第1冷速区的淬火效果是硬度很高，可能发生淬裂，但变形不一超差。这说明，在水中淬火使工件进入了它的第一冷速区，即过快冷速区(如图3所示)。
按照冷却速度带法，这一淬火变形问题应当采取使工件的冷却速度带向左移入第二冷速区的办法来解决。具体的办法是，改用冷却速度高于普通机油的淬火介质，比如快速淬火油，或者比自来水的低温冷却速度更慢的水溶性淬火液，比如5％ 一8％的PAG淬火液。它们都能把工件的冷却速度带向左移人第Ⅱ冷速区之内，从而获得较高的淬火硬度和较小的淬火变形。图3中，比较了普通机油、自来水和6％的PAG淬火液淬火时的冷却速度带的位置关系。可以看出，只有用6％的PAG淬火液，才能使该工件的冷却速度带完全处在第二冷速区中。
(2)某汽车板簧厂用13％的PAG淬火液处理6～8mm厚的60Si2Mn板簧时，板簧硬度和变形情况都令人满意。但是在处理10—12mm厚的60s Mn板簧时，却发生了淬火硬度偏低且变形过大的热处理质量问题。反复检查生产工艺和操作方法，始终找不出任何疏漏。请来的专家分析认为：其变形大的原因是由于热处理应力过大，而热处理应力过大是由于淬火冷却速度过快。因此，提出了减小淬火冷却速度的几项措施：将PAG淬火液浓度提高到15％，把淬火液的使用温度升高20~C，并且把板簧的淬火加热温度降低20~C。令人不解的是，进行这样的改动后，不仅板簧的淬火变形进一步增大，连板簧的淬火态硬度也降低到30HRC。事后，这个问题的正确的解决办法不是降低工件的淬火冷却速度，而是提高工件的淬火冷却速度。具体做法是，在采用原来的淬火加热参数的同时，把PAG淬火液的浓度从13％降低到8％ 一10％之间。其结果，所有问题一下子就都解决了。采用冷却速度带法来分析这一淬火变形问题，仅从变形大和硬度偏低，就可以确定工件的冷却速度带进入了第Ⅲ冷速区(如图4所示)。根据宁波市神光电炉有限公司工程师总结的解决办法当然是提高工件的淬火冷却速度，而不是降低它。即便不用本方法分析这个问题，根据薄板簧用13％的淬火液能够满足热处理要求，加上已经发现厚板簧的淬火硬度偏低这两点，
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也容易发现问题在于淬火冷却速度偏低了。为什么神光电炉有限公司的现场技术人员和有关专家都做出了错误的判断?这说明，在热处理行业，对淬火变形的产生原因，不少人有着简单而且僵化的错误认识。冷却速度带法认为，工件的冷却速度带只要伸出了第Ⅱ冷速区，不管是因为冷却速度过快，还是因为冷却速度过慢，淬火后工件都可能发生超差的淬火变形，而且因冷却速度过慢，也就是进入了第Ⅲ冷速区而引起的变形更大。调查表明，一般结构钢工件发生的超差淬火变形，大部分是因为进入第Ⅲ冷速区所至。因此，解决这类淬火变形问题的努力方向，主要是提高工件的淬火冷却速度。只有少数工件的超差淬火变形是因为工件的冷却速度带进入第1区而产生的。而解决这后一类淬火变形问题的改进方向，往往是向右移动或者缩短工件的冷却速度带，使其完全落人第Ⅱ冷速区内。
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按理说，找到了引起淬火变形的原因，问题就容易得到解决。但是，由于淬火变形问题的复杂性，找准原因可不是一件容易的事情。原因找错了，麻烦就大了。一旦发生了淬火变形，就不分青红皂白地认为“是工件的淬火冷却速度太快了”，这是经验不足的人最容易犯的错误。一般说，引起工件淬火变形的原因，既有淬火冷却过程中的问题，也有淬火冷却之前的问题。在讨论影响第Ⅱ区的宽度和位置的因素之前，我们暂时不涉及淬火冷却之前的原因，而只考虑与淬火冷却过程有关的问题。下面，将结合本文介绍的方法，分析几个淬火变形的原因。
(1)北京某厂的热处理工艺车间曾经遇到过一个奇怪事情。该厂淬火一批不算大的45钢齿轮，因为该类工件有比较严格的变形程度要求，决定在普通机油中淬火。但是，淬火后发现变形程度严重超差，而且淬火态硬度高低不均。经过研究，现场工作者认为“淬火变形是淬火时的内应力过大引起的，而淬火冷却速度过快是引起大的内应力的惟一原因”。于是，在后来的热处理中，采取了诸如降低淬火加热温度、停止在油中的摆动，以及在空气中预冷后再入油淬火等措施及其组合。经过很长一段时间摸索，问题始终得不到解决。生产试验中，有个技术人员一赌气，干脆把几个工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花费半天时间，检查发现所有油淬工件的变形仍然不合格之后，才有人想起水槽中还有几个工件，捞出来一检查，变形程度全部合格!但是，每个工件上都有几条小的淬火裂纹。这种结果让他们百思而不得其解。现在，用冷却速度带法来分析这种工件的淬火变形原因。45钢的淬透性较差，在普通机油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用图2的方法来分析，是工件的冷却速度带部分落入了第Ⅲ冷速区而产生了超差的淬火变形。如果再采取降低淬火冷却速度的办法，还将使工件的冷却速度带更多，甚至全部落入第Ⅲ冷速区。因此，不可能减小工件的淬火变形。作为淬火冷却介质，水的第一大缺点是低温冷却速度太快，所以投入水中的几个工件都淬裂了。由表l中看到，进入第1冷速区的淬火效果是硬度很高，可能发生淬裂，但变形不一超差。这说明，在水中淬火使工件进入了它的第一冷速区，即过快冷速区(如图3所示)。
按照冷却速度带法，这一淬火变形问题应当采取使工件的冷却速度带向左移入第二冷速区的办法来解决。具体的办法是，改用冷却速度高于普通机油的淬火介质，比如快速淬火油，或者比自来水的低温冷却速度更慢的水溶性淬火液，比如5％ 一8％的PAG淬火液。它们都能把工件的冷却速度带向左移人第Ⅱ冷速区之内，从而获得较高的淬火硬度和较小的淬火变形。图3中，比较了普通机油、自来水和6％的PAG淬火液淬火时的冷却速度带的位置关系。可以看出，只有用6％的PAG淬火液，才能使该工件的冷却速度带完全处在第二冷速区中。
(2)某汽车板簧厂用13％的PAG淬火液处理6～8mm厚的60Si2Mn板簧时，板簧硬度和变形情况都令人满意。但是在处理10—12mm厚的60s Mn板簧时，却发生了淬火硬度偏低且变形过大的热处理质量问题。反复检查生产工艺和操作方法，始终找不出任何疏漏。请来的专家分析认为：其变形大的原因是由于热处理应力过大，而热处理应力过大是由于淬火冷却速度过快。因此，提出了减小淬火冷却速度的几项措施：将PAG淬火液浓度提高到15％，把淬火液的使用温度升高20~C，并且把板簧的淬火加热温度降低20~C。令人不解的是，进行这样的改动后，不仅板簧的淬火变形进一步增大，连板簧的淬火态硬度也降低到30HRC。事后，这个问题的正确的解决办法不是降低工件的淬火冷却速度，而是提高工件的淬火冷却速度。具体做法是，在采用原来的淬火加热参数的同时，把PAG淬火液的浓度从13％降低到8％ 一10％之间。其结果，所有问题一下子就都解决了。采用冷却速度带法来分析这一淬火变形问题，仅从变形大和硬度偏低，就可以确定工件的冷却速度带进入了第Ⅲ冷速区(如图4所示)。根据宁波市神光电炉有限公司工程师总结的解决办法当然是提高工件的淬火冷却速度，而不是降低它。即便不用本方法分析这个问题，根据薄板簧用13％的淬火液能够满足热处理要求，加上已经发现厚板簧的淬火硬度偏低这两点，
也容易发现问题在于淬火冷却速度偏低了。为什么神光电炉有限公司的现场技术人员和有关专家都做出了错误的判断?这说明，在热处理行业，对淬火变形的产生原因，不少人有着简单而且僵化的错误认识。冷却速度带法认为，工件的冷却速度带只要伸出了第Ⅱ冷速区，不管是因为冷却速度过快，还是因为冷却速度过慢，淬火后工件都可能发生超差的淬火变形，而且因冷却速度过慢，也就是进入了第Ⅲ冷速区而引起的变形更大。调查表明，一般结构钢工件发生的超差淬火变形，大部分是因为进入第Ⅲ冷速区所至。因此，解决这类淬火变形问题的努力方向，主要是提高工件的淬火冷却速度。只有少数工件的超差淬火变形是因为工件的冷却速度带进入第1区而产生的。而解决这后一类淬火变形问题的改进方向，往往是向右移动或者缩短工件的冷却速度带，使其完全落人第Ⅱ冷速区内。
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