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分析和控制淬火变形的冷却速度带法介绍(8)
3．零件设计确定了工件的设计第Ⅱ区
零件设计确定了工件的形状尺寸。选定了钢种，叉确定了工件材质和热处理要求，二者结合在一起，该工件在淬火冷却中基本的第Ⅱ区也就确定了下来。我们把这种由零件设计确定的基本第Ⅱ区叫做工件的“设计第Ⅱ区”。
根据本文所述方法的基本思路，工件设计第Ⅱ区的右边界值，应当位于所用钢材端淬曲线上半马氏体组织对应的冷却速度值的左边。参照本文图2b，也就是设计第n区的右边界应当在端淬曲线上硬度降低最快部分的左边。根据宁波市神光电炉工程师提出的方法，只适用于符合这种条件的工件的淬火变形问题。一般的中小型淬火工件，大多符合这一要求，不符合这一要求的二件，不可能用通常的淬火冷却方法得到通常淬火工件的热处理要求。遇到不符合这种要求的淬火变形工件，可以试着改善零件设计或者改换钢种，来解决其淬火变形问题。在所用钢材的牛产过程和工件的冷热加工过程中，有多种因素可能使实际工件的第Ⅱ区偏离它的设计第1I区，并因此影响T件最终的淬火变形特点和变形大小。下文将对其中的几个主要影响因素的作用加以讨论。
4．钢材的成分波动
由于不町避免的成分波动，钢厂为每一种钢提供的淬透性特性都不是一条曲线，而是钢材的淬透性带，如图16所示。所有端淬曲线能够落入该淬透性带内的钢，都算是淬透性合格的产品。因此，在大批量生产同一种工件的热处理中，要想使所有被淬火的工件都获得要求的淬火冷却效果，就必须了解合格钢材共同的第Ⅱ区的特点。按照上文所述的道理，淬透性带的上边界代表r合格钢材中淬透性最好的钢的淬透性曲线；而淬透性带的F边界，则代表了合格钢材中淬透性最差的钢的淬透性曲线；其他淬透性居于二者之间的钢，它们的淬透性曲线落在上述上下边界曲线之间。所有同一钢种制的：件共同的第Ⅱ区，自然就是上下边界所代表的钢种共同的第Ⅱ区。容易看出，这个共同的第Ⅱ区比所有钢材的第Ⅱ区都要窄。
由此可以得出这样的推论：钢材的淬透性带越宽，该钢种共同的第Ⅱ 就越窄，所制工件的淬火变形就越难控制；相反，钢材的淬透性带控制得越窄，该钢种共同的第Ⅱ区就越宽，所NY-件的淬火变形就越容易控制。
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实际生产中，大量的事实都可以证明这一规律性。此外，如果把同一钢件中不町避免的成分偏析也考虑进去，共同的第Ⅱ区应该再窄一些。从这个道理不难设想，用粉末冶金方法生产的T件， 仅能把钢材的成分波动控制在更窄小的范围，还可以基本消除成分偏析的影响，它们的淬火变形趋势必然更小。
钢材的淬透性波动的影响只体现在不同炉次的钢材之间，而不体现在同一个工件上。因此，如果能做好钢材的分炉次管理，并根据不同炉次钢材的淬透性和化学成分，调节有关的热处理设备参数，控制好工件冷却速度带的位置和宽度，也能减少发生超差淬火变形工件的比例。
5．淬火前的预备组织
铸造质量，锻造质量，退火、正火，以及最终淬火之前的调质等，都会对后来的淬火变形和开裂趋向产生影响。它们的影响一般都反应在最终热处理之前的微观和宏观组织上，也就是淬火之前的预备组织的好坏上。评价预备组织的好坏，主要看两个方面的特点：一是预备组织的类型；二是预备组织的均匀程度。
钢种和用途不同，希望的预备组织也不同。普通中碳结构钢希望的是细珠光体组织；工具钢和轴承钢大多以球化退火组织为预备组织；渗碳淬火的工件，一般以块状先共析铁素体+均匀分布的片状珠光体组织为好。最近几年，在国内汽车齿轮行业，为减小渗碳齿轮的淬火堂形，齿轮毛坯锻件的等温正火得到越来越广泛的应用。大量生产实践表明，齿轮毛坯经过等温正火后，渗碳淬火后工件的变形量会明显减小。而且，等温火后不同工件硬度差异越小，渗碳淬火后工件群体的变形程度也越低。其原因是，传统的散乱空冷正火法获得的正火组织中，既有形态不一的珠光体和铁素体，也有粗大奥氏体空冷形成的魏氏组织，还有快冷部分形成的贝氏体甚至马氏体。与珠光体相比，魏氏体、贝氏体和马氏体属于非平衡组织。具有这类预备组织的工件，住随后的渗碳加热中，由于非平衡组织的遗传性，所获得的奥氏体常常是奥氏体晶粒大小很不均匀的混晶组织。冈不同的组织有不同的承受冷却速度快慢的能力，也就有不同的变形趋势，其结果，具有混晶组织的工件，其第Ⅱ区就会比均匀的单一组织的窄，变形趋势也就更大。在等温正火生产线上做等温正火，可以切断上述组织遗传性，获得均匀的铁素体+珠光体的平衡组织。这就扩大了工件的第Ⅱ区，减小了它的淬火变形趋势。经验告诉我们，预备组织的均匀性越好，工件的淬火变形量的分散度就越小，或说淬火变形有比较好的规律性。有规律性的淬火变形，往往容易通过预留适当的加工余量来加以抵消。组织均匀性既表现在同一工件上，也表现在不同工件之间。也就是说，工件的组织均匀性既是工件个体的问题，也是不同工件组成的群体问题。
淬火加热前，1二件上的内应力过大，可能引起工件超差的淬火变形。因此，不少人把淬火加热之前工件的内应力大小，看成是预备组织好坏的一个评价指标。我们认为，在淬火工序的加热过程中，工件上原来的内应力．总能通过工件上的塑性变形而得到释放。因此，原来的内应力不会影响工件淬火冷却中的变形情况。它之所以引起工件超差的淬火变形，是后来的淬火变形叠加到工件加热中释放内应力产生的变形上，使某些部位变形程度超差的结果。在最终机加工之前，做一次消除应力处理，问题就能得到解决。所以，本文没有把淬火加热之前的内应力看成引起冷却中的淬火变形的因素。
6．液态淬火介质的特性温度问题
在本文的第五部分，我们把液态介质的特性温度问题引起的冷却速度突变，更直观地看成是引起了短时厚度差异。无疑，这种短时厚度差会使工件第Ⅱ区的右边界向左移，从而使第Ⅱ区变窄，并因此使工件的淬火变形趋势增大。
值得一提的是，在我们最新的试验研究中发现，任何形状大小的工件，在油性和水性介质中做淬火冷却时，上述短时厚度差的存在时间都比原来估计的要长得多。因此，液态淬火介质特性温度问题的危害性应当比原来估计的大些。短时厚度差不仅会增大工件的冷却速度带，同时也会缩短工件的第Ⅱ区。两方面都不利于我们控制工件的淬火变形。此外，液态淬火介质的特性温度问题多出现在工件温度比较高、塑性比较好的时候。大的厚度差会引起大的内应力，加上钢材塑性好，且作用时间也不太短，引起塑性变形的可能性就不会小。
7．工件装挂方式与介质搅拌情况的影响
多个工件同时淬火时，工件的装挂方式和工件的间距。会影响工件周围的介质流动和散热情况，并因此造成不同工件的第Ⅱ区在位置和宽度上的差异。装挂工件时容易出现的问题是，不考虑工件的厚薄差异，只求多装，或者只图好装、好放。这就可能使某些工件的薄小
部分冷得更快，而增大工件的有效厚度差异，从而使部分工件的第Ⅱ区变窄。合理的装挂方式，应当使工件上较厚大的部分和散热困难的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。这样做了，工件的实际第U区将会比它的设计第Ⅱ区更宽。
淬火冷却中，介质的搅拌会影响工件的冷却情况。搅拌方式不同，装放在不同部位的一I：件获得的第丌区会不一样。能使厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，和不同部位的工件能获得尽可能相同的冷却效果的搅拌方式，可以增大工件的第Ⅱ区，并因此减小工件的淬火变形趋势。相反，则会减小工件的第U区，从而增大工件的淬火变形趋势。
工件的装挂方式会影响介质的流动情况，而介质的搅拌也会影响工件冷却的均匀性。把二者结合起来考虑，才能使不同部位的T件得到尽可能一致的冷却效果。
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零件设计确定了工件的形状尺寸。选定了钢种，叉确定了工件材质和热处理要求，二者结合在一起，该工件在淬火冷却中基本的第Ⅱ区也就确定了下来。我们把这种由零件设计确定的基本第Ⅱ区叫做工件的“设计第Ⅱ区”。
根据本文所述方法的基本思路，工件设计第Ⅱ区的右边界值，应当位于所用钢材端淬曲线上半马氏体组织对应的冷却速度值的左边。参照本文图2b，也就是设计第n区的右边界应当在端淬曲线上硬度降低最快部分的左边。根据宁波市神光电炉工程师提出的方法，只适用于符合这种条件的工件的淬火变形问题。一般的中小型淬火工件，大多符合这一要求，不符合这一要求的二件，不可能用通常的淬火冷却方法得到通常淬火工件的热处理要求。遇到不符合这种要求的淬火变形工件，可以试着改善零件设计或者改换钢种，来解决其淬火变形问题。在所用钢材的牛产过程和工件的冷热加工过程中，有多种因素可能使实际工件的第Ⅱ区偏离它的设计第1I区，并因此影响T件最终的淬火变形特点和变形大小。下文将对其中的几个主要影响因素的作用加以讨论。
4．钢材的成分波动
由于不町避免的成分波动，钢厂为每一种钢提供的淬透性特性都不是一条曲线，而是钢材的淬透性带，如图16所示。所有端淬曲线能够落入该淬透性带内的钢，都算是淬透性合格的产品。因此，在大批量生产同一种工件的热处理中，要想使所有被淬火的工件都获得要求的淬火冷却效果，就必须了解合格钢材共同的第Ⅱ区的特点。按照上文所述的道理，淬透性带的上边界代表r合格钢材中淬透性最好的钢的淬透性曲线；而淬透性带的F边界，则代表了合格钢材中淬透性最差的钢的淬透性曲线；其他淬透性居于二者之间的钢，它们的淬透性曲线落在上述上下边界曲线之间。所有同一钢种制的：件共同的第Ⅱ区，自然就是上下边界所代表的钢种共同的第Ⅱ区。容易看出，这个共同的第Ⅱ区比所有钢材的第Ⅱ区都要窄。
由此可以得出这样的推论：钢材的淬透性带越宽，该钢种共同的第Ⅱ 就越窄，所制工件的淬火变形就越难控制；相反，钢材的淬透性带控制得越窄，该钢种共同的第Ⅱ区就越宽，所NY-件的淬火变形就越容易控制。
实际生产中，大量的事实都可以证明这一规律性。此外，如果把同一钢件中不町避免的成分偏析也考虑进去，共同的第Ⅱ区应该再窄一些。从这个道理不难设想，用粉末冶金方法生产的T件， 仅能把钢材的成分波动控制在更窄小的范围，还可以基本消除成分偏析的影响，它们的淬火变形趋势必然更小。
钢材的淬透性波动的影响只体现在不同炉次的钢材之间，而不体现在同一个工件上。因此，如果能做好钢材的分炉次管理，并根据不同炉次钢材的淬透性和化学成分，调节有关的热处理设备参数，控制好工件冷却速度带的位置和宽度，也能减少发生超差淬火变形工件的比例。
5．淬火前的预备组织
铸造质量，锻造质量，退火、正火，以及最终淬火之前的调质等，都会对后来的淬火变形和开裂趋向产生影响。它们的影响一般都反应在最终热处理之前的微观和宏观组织上，也就是淬火之前的预备组织的好坏上。评价预备组织的好坏，主要看两个方面的特点：一是预备组织的类型；二是预备组织的均匀程度。
钢种和用途不同，希望的预备组织也不同。普通中碳结构钢希望的是细珠光体组织；工具钢和轴承钢大多以球化退火组织为预备组织；渗碳淬火的工件，一般以块状先共析铁素体+均匀分布的片状珠光体组织为好。最近几年，在国内汽车齿轮行业，为减小渗碳齿轮的淬火堂形，齿轮毛坯锻件的等温正火得到越来越广泛的应用。大量生产实践表明，齿轮毛坯经过等温正火后，渗碳淬火后工件的变形量会明显减小。而且，等温火后不同工件硬度差异越小，渗碳淬火后工件群体的变形程度也越低。其原因是，传统的散乱空冷正火法获得的正火组织中，既有形态不一的珠光体和铁素体，也有粗大奥氏体空冷形成的魏氏组织，还有快冷部分形成的贝氏体甚至马氏体。与珠光体相比，魏氏体、贝氏体和马氏体属于非平衡组织。具有这类预备组织的工件，住随后的渗碳加热中，由于非平衡组织的遗传性，所获得的奥氏体常常是奥氏体晶粒大小很不均匀的混晶组织。冈不同的组织有不同的承受冷却速度快慢的能力，也就有不同的变形趋势，其结果，具有混晶组织的工件，其第Ⅱ区就会比均匀的单一组织的窄，变形趋势也就更大。在等温正火生产线上做等温正火，可以切断上述组织遗传性，获得均匀的铁素体+珠光体的平衡组织。这就扩大了工件的第Ⅱ区，减小了它的淬火变形趋势。经验告诉我们，预备组织的均匀性越好，工件的淬火变形量的分散度就越小，或说淬火变形有比较好的规律性。有规律性的淬火变形，往往容易通过预留适当的加工余量来加以抵消。组织均匀性既表现在同一工件上，也表现在不同工件之间。也就是说，工件的组织均匀性既是工件个体的问题，也是不同工件组成的群体问题。
淬火加热前，1二件上的内应力过大，可能引起工件超差的淬火变形。因此，不少人把淬火加热之前工件的内应力大小，看成是预备组织好坏的一个评价指标。我们认为，在淬火工序的加热过程中，工件上原来的内应力．总能通过工件上的塑性变形而得到释放。因此，原来的内应力不会影响工件淬火冷却中的变形情况。它之所以引起工件超差的淬火变形，是后来的淬火变形叠加到工件加热中释放内应力产生的变形上，使某些部位变形程度超差的结果。在最终机加工之前，做一次消除应力处理，问题就能得到解决。所以，本文没有把淬火加热之前的内应力看成引起冷却中的淬火变形的因素。
6．液态淬火介质的特性温度问题
在本文的第五部分，我们把液态介质的特性温度问题引起的冷却速度突变，更直观地看成是引起了短时厚度差异。无疑，这种短时厚度差会使工件第Ⅱ区的右边界向左移，从而使第Ⅱ区变窄，并因此使工件的淬火变形趋势增大。
值得一提的是，在我们最新的试验研究中发现，任何形状大小的工件，在油性和水性介质中做淬火冷却时，上述短时厚度差的存在时间都比原来估计的要长得多。因此，液态淬火介质特性温度问题的危害性应当比原来估计的大些。短时厚度差不仅会增大工件的冷却速度带，同时也会缩短工件的第Ⅱ区。两方面都不利于我们控制工件的淬火变形。此外，液态淬火介质的特性温度问题多出现在工件温度比较高、塑性比较好的时候。大的厚度差会引起大的内应力，加上钢材塑性好，且作用时间也不太短，引起塑性变形的可能性就不会小。
7．工件装挂方式与介质搅拌情况的影响
多个工件同时淬火时，工件的装挂方式和工件的间距。会影响工件周围的介质流动和散热情况，并因此造成不同工件的第Ⅱ区在位置和宽度上的差异。装挂工件时容易出现的问题是，不考虑工件的厚薄差异，只求多装，或者只图好装、好放。这就可能使某些工件的薄小
部分冷得更快，而增大工件的有效厚度差异，从而使部分工件的第Ⅱ区变窄。合理的装挂方式，应当使工件上较厚大的部分和散热困难的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。这样做了，工件的实际第U区将会比它的设计第Ⅱ区更宽。
淬火冷却中，介质的搅拌会影响工件的冷却情况。搅拌方式不同，装放在不同部位的一I：件获得的第丌区会不一样。能使厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，和不同部位的工件能获得尽可能相同的冷却效果的搅拌方式，可以增大工件的第Ⅱ区，并因此减小工件的淬火变形趋势。相反，则会减小工件的第U区，从而增大工件的淬火变形趋势。
工件的装挂方式会影响介质的流动情况，而介质的搅拌也会影响工件冷却的均匀性。把二者结合起来考虑，才能使不同部位的T件得到尽可能一致的冷却效果。
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