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分析和控制淬火變形的冷卻速度帶法介紹(4)
冷卻速度帶橫跨3個(gè)區(qū)的淬火變形問(wèn)題？某廠(chǎng)生產(chǎn)一種65Mn制的切割石材用的大圓鋸片基片，~1600mm，厚度8mm，如圖6所示。該工件要求的淬火硬度60HRC以上，片內(nèi)不同部位的硬度差異小于3HRC。開(kāi)始，該廠(chǎng)采用全損耗系統(tǒng)用油(普通機(jī)油)淬火，不僅淬火硬度達(dá)不到要求，還有嚴(yán)重的淬火變形翹曲，好在還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。為提高板片的淬火硬度，決定改用有機(jī)聚合物水溶液來(lái)淬火。試生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，水溶液中淬火后，淬火變形更加嚴(yán)重。檢查發(fā)現(xiàn)，板片邊緣部分淬火硬度高達(dá)63HRC，而且齒口部多處淬裂。分析表明，片內(nèi)面硬度高低不均，最低處只有39HRC。這一淬火難題困擾了該企業(yè)好幾個(gè)月。后來(lái)采用一種快速淬火油，問(wèn)題才得到完滿(mǎn)的解決。
現(xiàn)在，用下面介紹的冷卻速度帶法，來(lái)分析一下該鋸片的變形和開(kāi)裂問(wèn)題。65Mn淬透性不太好，鋸片又特別大，在全損耗系統(tǒng)用油中淬火，不容易達(dá)到要求的淬火硬度。結(jié)果，工件的冷卻速度帶落到了第Ⅲ區(qū)上，如圖6a所示。所用水溶性淬火液的冷卻速度比全損耗系統(tǒng)用油快得多，但它是以水為主的淬火液，不可避免地存在水的兩大缺點(diǎn)：低溫冷卻速度太快冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感。垂直放在水中冷卻的大鋸片，就像一堵墻一樣限制了水的流動(dòng)。工件淬火冷卻中，接觸高溫而被加熱了的淬火介質(zhì)只能沿著鋸片往上升。在自動(dòng)上升過(guò)程中又進(jìn)一步被工件加熱，結(jié)果同一板片從下向上接觸的水溫是越來(lái)越高。水溫越高，水的冷卻能力越低，使得板片的下部邊緣附近獲得的冷卻速度很高；中問(wèn)、特別是中偏上部分獲得的冷卻速度相當(dāng)?shù)?。結(jié)果，板片的邊緣、特別是下部和側(cè)面邊緣淬火硬度很高，并淬裂。這說(shuō)明這些部位進(jìn)入了第1冷速區(qū)。而其板片中上部分，因冷卻速度較低，造成淬火硬度不足且高低不均，變形翹曲非常嚴(yán)重，表明這些部位進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)，如圖5b所示。這樣，工件的冷卻速度帶就橫跨了第1、第Ⅱ和第Ⅲ共三個(gè)冷卻速度區(qū)。結(jié)果，在一個(gè)工件上同時(shí)出現(xiàn)淬火變形、淬火開(kāi)裂和硬度高低不均等問(wèn)題。后來(lái)，寧波市神光電爐有限公司的工程師改用了冷卻速度遠(yuǎn)高于全損耗系統(tǒng)用油的快速淬火油。該快速淬火油能使鋸片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷卻速度低于原來(lái)使用的水溶性淬火液，所以解決了淬火開(kāi)裂問(wèn)題。在鋸片的中上部，油溫升高使油的粘度降低而流動(dòng)性有所提高，可以抵消油溫升高使工件與介質(zhì)之間的溫差減小的不利影響。加上油的冷卻特性對(duì)使用范圍的油溫變化不敏感，其結(jié)果，板片中問(wèn)部分獲得的冷卻速度與邊緣部分基本相同。這些情況都有利于獲得內(nèi)外基本一致的淬火硬度，因而也有利于減小板片的淬火變形。相對(duì)于全損耗系統(tǒng)用油和熱水，快速淬火油使工件冷卻速度帶的慢端從第Ⅲ冷速區(qū)向左收縮。相對(duì)于水性淬火液，快速淬火油使工件冷卻速度帶的快端向右收縮，其結(jié)果是冷卻速度帶從左、右兩個(gè)方向同時(shí)向第Ⅱ冷速區(qū)收縮，并完全落人第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。結(jié)果，用快速淬火油圓滿(mǎn)地解決了該類(lèi)大圓鋸片的淬火變形問(wèn)題。等溫分級(jí)淬火方法減小淬火變形的原因等溫分級(jí)淬火法是減小淬火變形的有效方法。關(guān)于這類(lèi)方法能減小工件淬火變形的道理，當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外書(shū)刊上都有相同的圖示解釋。目前，等溫分級(jí)淬火的介質(zhì)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是等溫分級(jí)淬火油。實(shí)際生產(chǎn)中，等溫分級(jí)淬火油用得最多，中小模數(shù)齒輪的滲碳淬火大多采用等溫分級(jí)淬火油；另一類(lèi)是等溫鹽浴(主要是硝鹽浴)。在我國(guó)熱處理設(shè)備行業(yè)，鹽浴在合金工具鋼類(lèi)工件的熱處理中應(yīng)用較廣，而在結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)的基礎(chǔ)件的熱處理中用得很少。是否所有的淬火變形問(wèn)題都可以改用通常的等溫分級(jí)淬火油而得到解決?生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，答案是否定的。下面，我們將用本文介紹的冷卻速度帶法，重新認(rèn)識(shí)用等溫分級(jí)淬火方法能控制工件淬火變形量的道理，并進(jìn)而說(shuō)明它的適用范圍。圖7是當(dāng)前通用的解說(shuō)示意圖，每個(gè)圖中快慢不同的兩條冷卻過(guò)程曲線(xiàn)，分別代表工件的表面和心部的冷卻過(guò)程曲線(xiàn)(有關(guān)的解釋是熱處理人共知的)。
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按照本文介紹的方法，我們對(duì)圖7做了一些改動(dòng)，使它變成了圖8。改動(dòng)之處是：圖8中用“冷卻速度帶的快端”代替圖7中的“工件表面”，用“冷卻速度帶的慢端”代替圖7中的“工件的心部”。做這種改動(dòng)的理由是：①除了組織和成分均勻的標(biāo)準(zhǔn)圓球外，實(shí)際工件上都找不出哪個(gè)部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。②工件上參與淬火變形部位的冷卻情況，也就是冷卻速度帶的“快端”和“慢端”的位置，決定了工件的淬火變形大小；而與根本找不到的“表面”和“心部”關(guān)系不大。③只有少數(shù)種類(lèi)的零件要求將心部淬透，而多數(shù)零件只要求一定的淬硬層深度，過(guò)淺和過(guò)深的淬硬層都是有害的。
圖8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷卻速度過(guò)高，冷卻過(guò)程中，工件的冷卻速度帶部分或者全部進(jìn)入了該工件的第工冷速區(qū)。也由于淬火冷卻速度過(guò)快，工件的冷卻速度帶也比較寬。淬火的結(jié)果，工件淬火變形超差，但同時(shí)淬火硬度也一定很高。這種情況下，改用等溫分級(jí)淬火的辦法，比如采用一種等溫分級(jí)淬火油來(lái)做等溫分級(jí)淬火，既可能使工件的冷卻速度帶向右移，又可能減小工件的冷卻速度帶的寬度，從而使它完全落人其第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。如圖8b所示。完成這種右移的淬火油，其效果冷卻速度一定比原來(lái)采用的淬火油的更低。由于油性等溫分級(jí)淬火介質(zhì)的效果冷卻速度低，因此只適用于壁厚較小的結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)工件，以及淬透性較高的合金鋼件。需要說(shuō)明的是，圖8中所畫(huà)快端和慢端的冷卻過(guò)程曲線(xiàn)相對(duì)于TTT曲線(xiàn)的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷卻條件下的特例，不具有普遍的代表性。
但是，如果引起淬火變形的原因是所用淬火介質(zhì)的，冷卻速度不夠快，以致使淬火工件的冷卻速度帶部分甚至全部落入其第Ⅲ冷速區(qū)。對(duì)這樣的淬火變形問(wèn)題，改用等溫分級(jí)淬火油，就得不到解決。只有改用淬火冷卻速度更快的冷卻介質(zhì)，來(lái)使工件的冷卻速度帶向左移入第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)，變形問(wèn)題才能得到解決。許多模數(shù)較大的齒輪，特別是那些從動(dòng)錐形齒輪(所謂大盤(pán)齒)，用全損耗系統(tǒng)用油淬火引起的淬火變形問(wèn)題，都不是用等溫分級(jí)淬火油，而是改用快速淬火油來(lái)解決的，原因就在這里。此外，還有一些壁厚更大，而且第Ⅱ冷速區(qū)又較窄的結(jié)構(gòu)鋼制工件，比如一些形狀復(fù)雜、壁厚相差大，以及要求嚴(yán)格控制淬火變形程度的較厚大工件，因?yàn)殡y以達(dá)到要求的淬火硬度，或者窄小的第Ⅱ冷速區(qū)裝不下過(guò)寬的冷卻速度帶，用水性介質(zhì)、全損耗系統(tǒng)用油和快速淬火油都不能解決它們的淬火變形問(wèn)題。神光電爐為了控制這類(lèi)工件的淬火變形，需要選用冷卻速度比油快的等溫分級(jí)淬火介質(zhì)。當(dāng)前能解決這類(lèi)問(wèn)題的，只有低溫鹽浴。圖9中對(duì)比了160~C硝鹽浴與冷卻速度特別快的快速淬火油的冷卻特性。可以看出，該硝鹽浴的冷卻速度在從高到低的溫度范圍都比快速淬火油要快。一般工件在低溫鹽浴中做淬火冷卻，由于工件的淬火加熱溫度低于鹽浴的特性溫度，冷卻過(guò)程沒(méi)有蒸汽膜階段。這一特點(diǎn)既可以提高工件在鹽浴中的冷卻速度，又可以避免特性溫度所引起的冷卻速度帶加長(zhǎng)。因此，用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火，既能把工件的冷卻速度帶向左移到第Ⅱ冷速區(qū)
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上，又因等溫分級(jí)作用和沒(méi)有蒸汽膜階段而縮短工件的冷卻速度帶，使它容易落入第Ⅱ冷速區(qū)之內(nèi)。這是更厚大的工件特別適合用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火的原因。
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現(xiàn)在，用下面介紹的冷卻速度帶法，來(lái)分析一下該鋸片的變形和開(kāi)裂問(wèn)題。65Mn淬透性不太好，鋸片又特別大，在全損耗系統(tǒng)用油中淬火，不容易達(dá)到要求的淬火硬度。結(jié)果，工件的冷卻速度帶落到了第Ⅲ區(qū)上，如圖6a所示。所用水溶性淬火液的冷卻速度比全損耗系統(tǒng)用油快得多，但它是以水為主的淬火液，不可避免地存在水的兩大缺點(diǎn)：低溫冷卻速度太快冷卻特性對(duì)水溫變化太敏感。垂直放在水中冷卻的大鋸片，就像一堵墻一樣限制了水的流動(dòng)。工件淬火冷卻中，接觸高溫而被加熱了的淬火介質(zhì)只能沿著鋸片往上升。在自動(dòng)上升過(guò)程中又進(jìn)一步被工件加熱，結(jié)果同一板片從下向上接觸的水溫是越來(lái)越高。水溫越高，水的冷卻能力越低，使得板片的下部邊緣附近獲得的冷卻速度很高；中問(wèn)、特別是中偏上部分獲得的冷卻速度相當(dāng)?shù)?。結(jié)果，板片的邊緣、特別是下部和側(cè)面邊緣淬火硬度很高，并淬裂。這說(shuō)明這些部位進(jìn)入了第1冷速區(qū)。而其板片中上部分，因冷卻速度較低，造成淬火硬度不足且高低不均，變形翹曲非常嚴(yán)重，表明這些部位進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)，如圖5b所示。這樣，工件的冷卻速度帶就橫跨了第1、第Ⅱ和第Ⅲ共三個(gè)冷卻速度區(qū)。結(jié)果，在一個(gè)工件上同時(shí)出現(xiàn)淬火變形、淬火開(kāi)裂和硬度高低不均等問(wèn)題。后來(lái)，寧波市神光電爐有限公司的工程師改用了冷卻速度遠(yuǎn)高于全損耗系統(tǒng)用油的快速淬火油。該快速淬火油能使鋸片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷卻速度低于原來(lái)使用的水溶性淬火液，所以解決了淬火開(kāi)裂問(wèn)題。在鋸片的中上部，油溫升高使油的粘度降低而流動(dòng)性有所提高，可以抵消油溫升高使工件與介質(zhì)之間的溫差減小的不利影響。加上油的冷卻特性對(duì)使用范圍的油溫變化不敏感，其結(jié)果，板片中問(wèn)部分獲得的冷卻速度與邊緣部分基本相同。這些情況都有利于獲得內(nèi)外基本一致的淬火硬度，因而也有利于減小板片的淬火變形。相對(duì)于全損耗系統(tǒng)用油和熱水，快速淬火油使工件冷卻速度帶的慢端從第Ⅲ冷速區(qū)向左收縮。相對(duì)于水性淬火液，快速淬火油使工件冷卻速度帶的快端向右收縮，其結(jié)果是冷卻速度帶從左、右兩個(gè)方向同時(shí)向第Ⅱ冷速區(qū)收縮，并完全落人第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。結(jié)果，用快速淬火油圓滿(mǎn)地解決了該類(lèi)大圓鋸片的淬火變形問(wèn)題。等溫分級(jí)淬火方法減小淬火變形的原因等溫分級(jí)淬火法是減小淬火變形的有效方法。關(guān)于這類(lèi)方法能減小工件淬火變形的道理，當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外書(shū)刊上都有相同的圖示解釋。目前，等溫分級(jí)淬火的介質(zhì)有兩類(lèi)：第一類(lèi)是等溫分級(jí)淬火油。實(shí)際生產(chǎn)中，等溫分級(jí)淬火油用得最多，中小模數(shù)齒輪的滲碳淬火大多采用等溫分級(jí)淬火油；另一類(lèi)是等溫鹽浴(主要是硝鹽浴)。在我國(guó)熱處理設(shè)備行業(yè)，鹽浴在合金工具鋼類(lèi)工件的熱處理中應(yīng)用較廣，而在結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)的基礎(chǔ)件的熱處理中用得很少。是否所有的淬火變形問(wèn)題都可以改用通常的等溫分級(jí)淬火油而得到解決?生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，答案是否定的。下面，我們將用本文介紹的冷卻速度帶法，重新認(rèn)識(shí)用等溫分級(jí)淬火方法能控制工件淬火變形量的道理，并進(jìn)而說(shuō)明它的適用范圍。圖7是當(dāng)前通用的解說(shuō)示意圖，每個(gè)圖中快慢不同的兩條冷卻過(guò)程曲線(xiàn)，分別代表工件的表面和心部的冷卻過(guò)程曲線(xiàn)(有關(guān)的解釋是熱處理人共知的)。
按照本文介紹的方法，我們對(duì)圖7做了一些改動(dòng)，使它變成了圖8。改動(dòng)之處是：圖8中用“冷卻速度帶的快端”代替圖7中的“工件表面”，用“冷卻速度帶的慢端”代替圖7中的“工件的心部”。做這種改動(dòng)的理由是：①除了組織和成分均勻的標(biāo)準(zhǔn)圓球外，實(shí)際工件上都找不出哪個(gè)部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。②工件上參與淬火變形部位的冷卻情況，也就是冷卻速度帶的“快端”和“慢端”的位置，決定了工件的淬火變形大小；而與根本找不到的“表面”和“心部”關(guān)系不大。③只有少數(shù)種類(lèi)的零件要求將心部淬透，而多數(shù)零件只要求一定的淬硬層深度，過(guò)淺和過(guò)深的淬硬層都是有害的。
圖8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷卻速度過(guò)高，冷卻過(guò)程中，工件的冷卻速度帶部分或者全部進(jìn)入了該工件的第工冷速區(qū)。也由于淬火冷卻速度過(guò)快，工件的冷卻速度帶也比較寬。淬火的結(jié)果，工件淬火變形超差，但同時(shí)淬火硬度也一定很高。這種情況下，改用等溫分級(jí)淬火的辦法，比如采用一種等溫分級(jí)淬火油來(lái)做等溫分級(jí)淬火，既可能使工件的冷卻速度帶向右移，又可能減小工件的冷卻速度帶的寬度，從而使它完全落人其第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。如圖8b所示。完成這種右移的淬火油，其效果冷卻速度一定比原來(lái)采用的淬火油的更低。由于油性等溫分級(jí)淬火介質(zhì)的效果冷卻速度低，因此只適用于壁厚較小的結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)工件，以及淬透性較高的合金鋼件。需要說(shuō)明的是，圖8中所畫(huà)快端和慢端的冷卻過(guò)程曲線(xiàn)相對(duì)于TTT曲線(xiàn)的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷卻條件下的特例，不具有普遍的代表性。
但是，如果引起淬火變形的原因是所用淬火介質(zhì)的，冷卻速度不夠快，以致使淬火工件的冷卻速度帶部分甚至全部落入其第Ⅲ冷速區(qū)。對(duì)這樣的淬火變形問(wèn)題，改用等溫分級(jí)淬火油，就得不到解決。只有改用淬火冷卻速度更快的冷卻介質(zhì)，來(lái)使工件的冷卻速度帶向左移入第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)，變形問(wèn)題才能得到解決。許多模數(shù)較大的齒輪，特別是那些從動(dòng)錐形齒輪(所謂大盤(pán)齒)，用全損耗系統(tǒng)用油淬火引起的淬火變形問(wèn)題，都不是用等溫分級(jí)淬火油，而是改用快速淬火油來(lái)解決的，原因就在這里。此外，還有一些壁厚更大，而且第Ⅱ冷速區(qū)又較窄的結(jié)構(gòu)鋼制工件，比如一些形狀復(fù)雜、壁厚相差大，以及要求嚴(yán)格控制淬火變形程度的較厚大工件，因?yàn)殡y以達(dá)到要求的淬火硬度，或者窄小的第Ⅱ冷速區(qū)裝不下過(guò)寬的冷卻速度帶，用水性介質(zhì)、全損耗系統(tǒng)用油和快速淬火油都不能解決它們的淬火變形問(wèn)題。神光電爐為了控制這類(lèi)工件的淬火變形，需要選用冷卻速度比油快的等溫分級(jí)淬火介質(zhì)。當(dāng)前能解決這類(lèi)問(wèn)題的，只有低溫鹽浴。圖9中對(duì)比了160~C硝鹽浴與冷卻速度特別快的快速淬火油的冷卻特性。可以看出，該硝鹽浴的冷卻速度在從高到低的溫度范圍都比快速淬火油要快。一般工件在低溫鹽浴中做淬火冷卻，由于工件的淬火加熱溫度低于鹽浴的特性溫度，冷卻過(guò)程沒(méi)有蒸汽膜階段。這一特點(diǎn)既可以提高工件在鹽浴中的冷卻速度，又可以避免特性溫度所引起的冷卻速度帶加長(zhǎng)。因此，用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火，既能把工件的冷卻速度帶向左移到第Ⅱ冷速區(qū)
上，又因等溫分級(jí)作用和沒(méi)有蒸汽膜階段而縮短工件的冷卻速度帶，使它容易落入第Ⅱ冷速區(qū)之內(nèi)。這是更厚大的工件特別適合用低溫鹽浴做等溫分級(jí)淬火的原因。
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