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分析和控制淬火变形的冷却速度带法介绍(4)
冷却速度带横跨3个区的淬火变形问题？某厂生产一种65Mn制的切割石材用的大圆锯片基片，~1600mm，厚度8mm，如图6所示。该工件要求的淬火硬度60HRC以上，片内不同部位的硬度差异小于3HRC。开始，该厂采用全损耗系统用油(普通机油)淬火，不仅淬火硬度达不到要求，还有严重的淬火变形翘曲，好在还没有发现淬火裂纹。为提高板片的淬火硬度，决定改用有机聚合物水溶液来淬火。试生产发现，水溶液中淬火后，淬火变形更加严重。检查发现，板片边缘部分淬火硬度高达63HRC，而且齿口部多处淬裂。分析表明，片内面硬度高低不均，最低处只有39HRC。这一淬火难题困扰了该企业好几个月。后来采用一种快速淬火油，问题才得到完满的解决。
现在，用下面介绍的冷却速度带法，来分析一下该锯片的变形和开裂问题。65Mn淬透性不太好，锯片又特别大，在全损耗系统用油中淬火，不容易达到要求的淬火硬度。结果，工件的冷却速度带落到了第Ⅲ区上，如图6a所示。所用水溶性淬火液的冷却速度比全损耗系统用油快得多，但它是以水为主的淬火液，不可避免地存在水的两大缺点：低温冷却速度太快冷却特性对水温变化太敏感。垂直放在水中冷却的大锯片，就像一堵墙一样限制了水的流动。工件淬火冷却中，接触高温而被加热了的淬火介质只能沿着锯片往上升。在自动上升过程中又进一步被工件加热，结果同一板片从下向上接触的水温是越来越高。水温越高，水的冷却能力越低，使得板片的下部边缘附近获得的冷却速度很高；中问、特别是中偏上部分获得的冷却速度相当低。结果，板片的边缘、特别是下部和侧面边缘淬火硬度很高，并淬裂。这说明这些部位进入了第1冷速区。而其板片中上部分，因冷却速度较低，造成淬火硬度不足且高低不均，变形翘曲非常严重，表明这些部位进入了第Ⅲ冷速区，如图5b所示。这样，工件的冷却速度带就横跨了第1、第Ⅱ和第Ⅲ共三个冷却速度区。结果，在一个工件上同时出现淬火变形、淬火开裂和硬度高低不均等问题。后来，宁波市神光电炉有限公司的工程师改用了冷却速度远高于全损耗系统用油的快速淬火油。该快速淬火油能使锯片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷却速度低于原来使用的水溶性淬火液，所以解决了淬火开裂问题。在锯片的中上部，油温升高使油的粘度降低而流动性有所提高，可以抵消油温升高使工件与介质之间的温差减小的不利影响。加上油的冷却特性对使用范围的油温变化不敏感，其结果，板片中问部分获得的冷却速度与边缘部分基本相同。这些情况都有利于获得内外基本一致的淬火硬度，因而也有利于减小板片的淬火变形。相对于全损耗系统用油和热水，快速淬火油使工件冷却速度带的慢端从第Ⅲ冷速区向左收缩。相对于水性淬火液，快速淬火油使工件冷却速度带的快端向右收缩，其结果是冷却速度带从左、右两个方向同时向第Ⅱ冷速区收缩，并完全落人第Ⅱ冷速区内。结果，用快速淬火油圆满地解决了该类大圆锯片的淬火变形问题。等温分级淬火方法减小淬火变形的原因等温分级淬火法是减小淬火变形的有效方法。关于这类方法能减小工件淬火变形的道理，当前的国内外书刊上都有相同的图示解释。目前，等温分级淬火的介质有两类：第一类是等温分级淬火油。实际生产中，等温分级淬火油用得最多，中小模数齿轮的渗碳淬火大多采用等温分级淬火油；另一类是等温盐浴(主要是硝盐浴)。在我国热处理设备行业，盐浴在合金工具钢类工件的热处理中应用较广，而在结构钢类的基础件的热处理中用得很少。是否所有的淬火变形问题都可以改用通常的等温分级淬火油而得到解决?生产经验告诉我们，答案是否定的。下面，我们将用本文介绍的冷却速度带法，重新认识用等温分级淬火方法能控制工件淬火变形量的道理，并进而说明它的适用范围。图7是当前通用的解说示意图，每个图中快慢不同的两条冷却过程曲线，分别代表工件的表面和心部的冷却过程曲线(有关的解释是热处理人共知的)。
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按照本文介绍的方法，我们对图7做了一些改动，使它变成了图8。改动之处是：图8中用“冷却速度带的快端”代替图7中的“工件表面”，用“冷却速度带的慢端”代替图7中的“工件的心部”。做这种改动的理由是：①除了组织和成分均匀的标准圆球外，实际工件上都找不出哪个部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。②工件上参与淬火变形部位的冷却情况，也就是冷却速度带的“快端”和“慢端”的位置，决定了工件的淬火变形大小；而与根本找不到的“表面”和“心部”关系不大。③只有少数种类的零件要求将心部淬透，而多数零件只要求一定的淬硬层深度，过浅和过深的淬硬层都是有害的。
图8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷却速度过高，冷却过程中，工件的冷却速度带部分或者全部进入了该工件的第工冷速区。也由于淬火冷却速度过快，工件的冷却速度带也比较宽。淬火的结果，工件淬火变形超差，但同时淬火硬度也一定很高。这种情况下，改用等温分级淬火的办法，比如采用一种等温分级淬火油来做等温分级淬火，既可能使工件的冷却速度带向右移，又可能减小工件的冷却速度带的宽度，从而使它完全落人其第Ⅱ冷速区内。如图8b所示。完成这种右移的淬火油，其效果冷却速度一定比原来采用的淬火油的更低。由于油性等温分级淬火介质的效果冷却速度低，因此只适用于壁厚较小的结构钢类工件，以及淬透性较高的合金钢件。需要说明的是，图8中所画快端和慢端的冷却过程曲线相对于TTT曲线的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷却条件下的特例，不具有普遍的代表性。
但是，如果引起淬火变形的原因是所用淬火介质的，冷却速度不够快，以致使淬火工件的冷却速度带部分甚至全部落入其第Ⅲ冷速区。对这样的淬火变形问题，改用等温分级淬火油，就得不到解决。只有改用淬火冷却速度更快的冷却介质，来使工件的冷却速度带向左移入第Ⅱ冷速区内，变形问题才能得到解决。许多模数较大的齿轮，特别是那些从动锥形齿轮(所谓大盘齿)，用全损耗系统用油淬火引起的淬火变形问题，都不是用等温分级淬火油，而是改用快速淬火油来解决的，原因就在这里。此外，还有一些壁厚更大，而且第Ⅱ冷速区又较窄的结构钢制工件，比如一些形状复杂、壁厚相差大，以及要求严格控制淬火变形程度的较厚大工件，因为难以达到要求的淬火硬度，或者窄小的第Ⅱ冷速区装不下过宽的冷却速度带，用水性介质、全损耗系统用油和快速淬火油都不能解决它们的淬火变形问题。神光电炉为了控制这类工件的淬火变形，需要选用冷却速度比油快的等温分级淬火介质。当前能解决这类问题的，只有低温盐浴。图9中对比了160~C硝盐浴与冷却速度特别快的快速淬火油的冷却特性。可以看出，该硝盐浴的冷却速度在从高到低的温度范围都比快速淬火油要快。一般工件在低温盐浴中做淬火冷却，由于工件的淬火加热温度低于盐浴的特性温度，冷却过程没有蒸汽膜阶段。这一特点既可以提高工件在盐浴中的冷却速度，又可以避免特性温度所引起的冷却速度带加长。因此，用低温盐浴做等温分级淬火，既能把工件的冷却速度带向左移到第Ⅱ冷速区
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上，又因等温分级作用和没有蒸汽膜阶段而缩短工件的冷却速度带，使它容易落入第Ⅱ冷速区之内。这是更厚大的工件特别适合用低温盐浴做等温分级淬火的原因。
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现在，用下面介绍的冷却速度带法，来分析一下该锯片的变形和开裂问题。65Mn淬透性不太好，锯片又特别大，在全损耗系统用油中淬火，不容易达到要求的淬火硬度。结果，工件的冷却速度带落到了第Ⅲ区上，如图6a所示。所用水溶性淬火液的冷却速度比全损耗系统用油快得多，但它是以水为主的淬火液，不可避免地存在水的两大缺点：低温冷却速度太快冷却特性对水温变化太敏感。垂直放在水中冷却的大锯片，就像一堵墙一样限制了水的流动。工件淬火冷却中，接触高温而被加热了的淬火介质只能沿着锯片往上升。在自动上升过程中又进一步被工件加热，结果同一板片从下向上接触的水温是越来越高。水温越高，水的冷却能力越低，使得板片的下部边缘附近获得的冷却速度很高；中问、特别是中偏上部分获得的冷却速度相当低。结果，板片的边缘、特别是下部和侧面边缘淬火硬度很高，并淬裂。这说明这些部位进入了第1冷速区。而其板片中上部分，因冷却速度较低，造成淬火硬度不足且高低不均，变形翘曲非常严重，表明这些部位进入了第Ⅲ冷速区，如图5b所示。这样，工件的冷却速度带就横跨了第1、第Ⅱ和第Ⅲ共三个冷却速度区。结果，在一个工件上同时出现淬火变形、淬火开裂和硬度高低不均等问题。后来，宁波市神光电炉有限公司的工程师改用了冷却速度远高于全损耗系统用油的快速淬火油。该快速淬火油能使锯片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷却速度低于原来使用的水溶性淬火液，所以解决了淬火开裂问题。在锯片的中上部，油温升高使油的粘度降低而流动性有所提高，可以抵消油温升高使工件与介质之间的温差减小的不利影响。加上油的冷却特性对使用范围的油温变化不敏感，其结果，板片中问部分获得的冷却速度与边缘部分基本相同。这些情况都有利于获得内外基本一致的淬火硬度，因而也有利于减小板片的淬火变形。相对于全损耗系统用油和热水，快速淬火油使工件冷却速度带的慢端从第Ⅲ冷速区向左收缩。相对于水性淬火液，快速淬火油使工件冷却速度带的快端向右收缩，其结果是冷却速度带从左、右两个方向同时向第Ⅱ冷速区收缩，并完全落人第Ⅱ冷速区内。结果，用快速淬火油圆满地解决了该类大圆锯片的淬火变形问题。等温分级淬火方法减小淬火变形的原因等温分级淬火法是减小淬火变形的有效方法。关于这类方法能减小工件淬火变形的道理，当前的国内外书刊上都有相同的图示解释。目前，等温分级淬火的介质有两类：第一类是等温分级淬火油。实际生产中，等温分级淬火油用得最多，中小模数齿轮的渗碳淬火大多采用等温分级淬火油；另一类是等温盐浴(主要是硝盐浴)。在我国热处理设备行业，盐浴在合金工具钢类工件的热处理中应用较广，而在结构钢类的基础件的热处理中用得很少。是否所有的淬火变形问题都可以改用通常的等温分级淬火油而得到解决?生产经验告诉我们，答案是否定的。下面，我们将用本文介绍的冷却速度带法，重新认识用等温分级淬火方法能控制工件淬火变形量的道理，并进而说明它的适用范围。图7是当前通用的解说示意图，每个图中快慢不同的两条冷却过程曲线，分别代表工件的表面和心部的冷却过程曲线(有关的解释是热处理人共知的)。
按照本文介绍的方法，我们对图7做了一些改动，使它变成了图8。改动之处是：图8中用“冷却速度带的快端”代替图7中的“工件表面”，用“冷却速度带的慢端”代替图7中的“工件的心部”。做这种改动的理由是：①除了组织和成分均匀的标准圆球外，实际工件上都找不出哪个部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。②工件上参与淬火变形部位的冷却情况，也就是冷却速度带的“快端”和“慢端”的位置，决定了工件的淬火变形大小；而与根本找不到的“表面”和“心部”关系不大。③只有少数种类的零件要求将心部淬透，而多数零件只要求一定的淬硬层深度，过浅和过深的淬硬层都是有害的。
图8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷却速度过高，冷却过程中，工件的冷却速度带部分或者全部进入了该工件的第工冷速区。也由于淬火冷却速度过快，工件的冷却速度带也比较宽。淬火的结果，工件淬火变形超差，但同时淬火硬度也一定很高。这种情况下，改用等温分级淬火的办法，比如采用一种等温分级淬火油来做等温分级淬火，既可能使工件的冷却速度带向右移，又可能减小工件的冷却速度带的宽度，从而使它完全落人其第Ⅱ冷速区内。如图8b所示。完成这种右移的淬火油，其效果冷却速度一定比原来采用的淬火油的更低。由于油性等温分级淬火介质的效果冷却速度低，因此只适用于壁厚较小的结构钢类工件，以及淬透性较高的合金钢件。需要说明的是，图8中所画快端和慢端的冷却过程曲线相对于TTT曲线的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷却条件下的特例，不具有普遍的代表性。
但是，如果引起淬火变形的原因是所用淬火介质的，冷却速度不够快，以致使淬火工件的冷却速度带部分甚至全部落入其第Ⅲ冷速区。对这样的淬火变形问题，改用等温分级淬火油，就得不到解决。只有改用淬火冷却速度更快的冷却介质，来使工件的冷却速度带向左移入第Ⅱ冷速区内，变形问题才能得到解决。许多模数较大的齿轮，特别是那些从动锥形齿轮(所谓大盘齿)，用全损耗系统用油淬火引起的淬火变形问题，都不是用等温分级淬火油，而是改用快速淬火油来解决的，原因就在这里。此外，还有一些壁厚更大，而且第Ⅱ冷速区又较窄的结构钢制工件，比如一些形状复杂、壁厚相差大，以及要求严格控制淬火变形程度的较厚大工件，因为难以达到要求的淬火硬度，或者窄小的第Ⅱ冷速区装不下过宽的冷却速度带，用水性介质、全损耗系统用油和快速淬火油都不能解决它们的淬火变形问题。神光电炉为了控制这类工件的淬火变形，需要选用冷却速度比油快的等温分级淬火介质。当前能解决这类问题的，只有低温盐浴。图9中对比了160~C硝盐浴与冷却速度特别快的快速淬火油的冷却特性。可以看出，该硝盐浴的冷却速度在从高到低的温度范围都比快速淬火油要快。一般工件在低温盐浴中做淬火冷却，由于工件的淬火加热温度低于盐浴的特性温度，冷却过程没有蒸汽膜阶段。这一特点既可以提高工件在盐浴中的冷却速度，又可以避免特性温度所引起的冷却速度带加长。因此，用低温盐浴做等温分级淬火，既能把工件的冷却速度带向左移到第Ⅱ冷速区
上，又因等温分级作用和没有蒸汽膜阶段而缩短工件的冷却速度带，使它容易落入第Ⅱ冷速区之内。这是更厚大的工件特别适合用低温盐浴做等温分级淬火的原因。
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