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分析和控制淬火變形的冷卻速度帶法介紹(5)
至此，在解決工件淬火變形方面，可以把熱處理環(huán)節(jié)的工作簡(jiǎn)化成：移動(dòng)與縮短冷卻速度帶，使其完全落在它的第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。為了做好這項(xiàng)工作，應(yīng)當(dāng)對(duì)影響工件冷卻速度帶位置和寬度的主要因素做一番研究。調(diào)節(jié)某個(gè)影響因素，以求控制工件冷卻速度帶的位置和寬度，這就成為一項(xiàng)控制工件淬火變形的措施。由于諸多影響因素(也就是措施)最終都作用在同一個(gè)工件上，又有必要研究各因素之間的相互關(guān)系。
五、影響工件冷卻速度帶位置和寬度的因素分析
1．影響冷卻速度帶寬度的主要因素
(1)工件的形狀大小在相同冷卻條件下，工件的大小不同，獲得的冷卻速度帶是不一樣的。今有材質(zhì)相同、形狀相似但厚薄不同的兩個(gè)簡(jiǎn)單形狀的鋼件。在加熱和冷卻條件相同的情況小，小件獲得的冷卻速度總是比大件快，因此小件的冷卻速度帶偏左。又因小件不同部位的溫度差較小，而大件的更大，因此小件的冷卻速度帶較窄，而大件的更寬，如圖1O所示。一個(gè)形狀復(fù)雜的工件，總可以分割成是多個(gè)形狀大小不同的簡(jiǎn)單工件。分出的每一個(gè)簡(jiǎn)單工件，都可以看成原形狀復(fù)雜工件的組成部件。因此，可以粗略地認(rèn)為，形狀復(fù)雜工件，其冷卻速度帶的快端，即是其組成部件中最薄小件的快端；而其慢端則是其組成部件中最厚大件的慢端。只由兩個(gè)組成部件n和b組成的復(fù)雜工件c，它的冷卻速度帶的快端和慢端，就分別是小件n的快端和大件b的慢端，如圖1O所示。由此可以推定出這樣的結(jié)論：工件的形狀越復(fù)雜、厚薄相差越大，其冷卻速度帶也就越寬；相反，工件形狀越簡(jiǎn)單、厚薄相差越小，其冷卻速度帶也就越窄。復(fù)雜件c的冷卻速度帶的寬度L 與n、6兩個(gè)簡(jiǎn)單件的冷卻速度帶的寬度L 和 的關(guān)系可以粗略地表示成：L =L +Lb (1) 需要說(shuō)明的是，式(1)中的相加關(guān)系是集合代數(shù)上的相加(并)關(guān)系，而不是算術(shù)上的簡(jiǎn)單相加關(guān)系。
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(2)淬火冷卻中工件的裝掛方式淬火冷卻中，工件的裝掛方式會(huì)直接影響到工件冷卻速度帶法的寬窄。在每次只淬一個(gè)工件的場(chǎng)合，采取能使工件的厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些的淬火裝掛方式，它所形成的冷卻速度帶就窄；相反，如果采取像寧波市神光電爐有限公司的裝掛方式使工件的薄小部分冷得更快，而厚大部分冷得更慢，它所形成的冷卻速度帶就寬。在多個(gè)工件同時(shí)淬火的生產(chǎn)方式中。如果采用的工裝具和工件的裝排方式能使裝放在不同部位的工件都獲得盡可能相同的冷卻條件和冷 卻效果，就可以減小不同工件之間的冷卻速度帶的寬度差，從而縮短工件群體的冷卻速度帶(后續(xù)的文章將對(duì)工件群體的問(wèn)題做專門(mén)討論)。如果采取的裝掛方式不僅能獲得這種均勻性，同時(shí)還能使工件上的厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，則其縮短工件群體和個(gè)體的冷卻速度帶的作用就更大些。在大量工件的淬火生產(chǎn)中，這是一個(gè)值得重視的大問(wèn)題。
(3)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題對(duì)工件冷卻速度帶寬度的影響，可以用圖11所示的例子了加以說(shuō)明。一個(gè)上小、下大的工件，在水中做淬火冷卻。圖11中描繪的是工件的上半部分進(jìn)入了沸騰冷卻階段，而下半部分尚在冷卻的蒸汽膜階段時(shí)的情形。在沸騰冷卻區(qū)與蒸汽膜籠罩區(qū)的分界線上下，工件表面獲得的冷卻速度有很大差別。沸騰冷卻區(qū)的冷卻速度比蒸汽膜籠罩區(qū)的要快幾倍到十幾倍!本來(lái)，錐體上下一線之隔的厚度差異是很小的。但是，由于水的特性溫度問(wèn)題，使它們分別處于兩個(gè)不同的冷卻階段，因此產(chǎn)生了很大的冷卻速度差異。
為更直觀地表述這種影響，我們把冷卻速度上的差異設(shè)想成有效厚度上的差異?？梢哉f(shuō)，液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題使工件上厚的部分變得更厚了。隨著冷卻的進(jìn)行，上述分界線要逐步向下移。這樣，對(duì)于它所掃過(guò)的表面來(lái)說(shuō)，這種厚度差異只在短時(shí)間內(nèi)存在。因此，我們把它稱為“由特性溫度問(wèn)題引起的短時(shí)厚度差異”，簡(jiǎn)稱“短時(shí)厚度差”。短時(shí)厚度差大多發(fā)生在工件溫度比較高、塑性比較好的時(shí)候。上面談到，神光電爐工程師為減小工件的淬火變形，我們總是設(shè)法使工件上比較厚大的部分冷卻得更快一些，使薄小的部分冷卻得更慢一些，以求減小冷卻速度帶的寬度。然而，液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題的存在，卻引起了相反的效果：使厚的部分冷卻得更慢，而使薄小的部分冷卻得更快，其間的快慢差異非常之大。這必然加大工件冷卻速度帶的寬度。液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題的危害就在于此。冷卻過(guò)程中，上述分界線出現(xiàn)的位置、以及該分界線移動(dòng)的方向和速度，都常常隨工件的形狀大小、生產(chǎn)中的裝掛方式和工件所處的位置而變。其結(jié)果，因特性溫度問(wèn)題引起的淬火變形的一個(gè)重要特點(diǎn)就是“散亂而無(wú)規(guī)律”。
淬火油的特性溫度問(wèn)題比水性淬火介質(zhì)的小。工件的淬火加熱溫度一般都低于所用鹽浴的特性溫度，因此，用低溫鹽浴作淬火冷卻介質(zhì)，往往沒(méi)有特性溫度問(wèn)題。這是用低溫鹽浴淬火能減小工件的淬火變形的重要原因之一。在水中溶人10％以上的無(wú)機(jī)鹽，可以提高水的特性溫度，減小短時(shí)厚度差異的作用時(shí)間。從而減小工件的淬火變形程度。
(4)等溫分級(jí)淬火法等溫分級(jí)淬火法，通過(guò)分段冷卻，讓冷得快的薄小部分減慢冷卻速度，去等待冷得慢的厚大部分趕上來(lái)，從而縮短工件的冷卻速度帶。工件冷卻過(guò)程中分級(jí)(等待)的次數(shù)越多，冷卻速度帶就縮得越短。在前面圖8的解說(shuō)中，已經(jīng)用冷卻速度帶法對(duì)等溫分級(jí)淬火法做了相應(yīng)的解說(shuō)。需要指出的是，通常的分級(jí)等待，雖然能縮短冷卻速度帶，但是它同時(shí)又使工件的冷卻速度帶向右移。因此，只適用于較薄小工件，或者淬透性更好的材料所制的工件。
(5)注意所用措施對(duì)冷卻速度帶左右邊界的不同作用所有措施都通過(guò)移動(dòng)冷卻速度帶的左右邊界來(lái)改變它的寬度。但是，不同的措施移動(dòng)左右邊界的程度是不相同的。比如，特性溫度問(wèn)題一般只使冷卻速度帶的右邊界向右移，而很少改變其左邊界的位置。改變工件的形狀大小時(shí)，由薄小部分的有效厚度是否改變及其改變程度，來(lái)決定冷卻速度帶的快端的移動(dòng)方向和大小；由厚大部分的有效厚度的改變情況，來(lái)決定慢端位置的移動(dòng)方向和大小。其他措施的作用，也可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析確定。
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五、影響工件冷卻速度帶位置和寬度的因素分析
1．影響冷卻速度帶寬度的主要因素
(1)工件的形狀大小在相同冷卻條件下，工件的大小不同，獲得的冷卻速度帶是不一樣的。今有材質(zhì)相同、形狀相似但厚薄不同的兩個(gè)簡(jiǎn)單形狀的鋼件。在加熱和冷卻條件相同的情況小，小件獲得的冷卻速度總是比大件快，因此小件的冷卻速度帶偏左。又因小件不同部位的溫度差較小，而大件的更大，因此小件的冷卻速度帶較窄，而大件的更寬，如圖1O所示。一個(gè)形狀復(fù)雜的工件，總可以分割成是多個(gè)形狀大小不同的簡(jiǎn)單工件。分出的每一個(gè)簡(jiǎn)單工件，都可以看成原形狀復(fù)雜工件的組成部件。因此，可以粗略地認(rèn)為，形狀復(fù)雜工件，其冷卻速度帶的快端，即是其組成部件中最薄小件的快端；而其慢端則是其組成部件中最厚大件的慢端。只由兩個(gè)組成部件n和b組成的復(fù)雜工件c，它的冷卻速度帶的快端和慢端，就分別是小件n的快端和大件b的慢端，如圖1O所示。由此可以推定出這樣的結(jié)論：工件的形狀越復(fù)雜、厚薄相差越大，其冷卻速度帶也就越寬；相反，工件形狀越簡(jiǎn)單、厚薄相差越小，其冷卻速度帶也就越窄。復(fù)雜件c的冷卻速度帶的寬度L 與n、6兩個(gè)簡(jiǎn)單件的冷卻速度帶的寬度L 和 的關(guān)系可以粗略地表示成：L =L +Lb (1) 需要說(shuō)明的是，式(1)中的相加關(guān)系是集合代數(shù)上的相加(并)關(guān)系，而不是算術(shù)上的簡(jiǎn)單相加關(guān)系。
(2)淬火冷卻中工件的裝掛方式淬火冷卻中，工件的裝掛方式會(huì)直接影響到工件冷卻速度帶法的寬窄。在每次只淬一個(gè)工件的場(chǎng)合，采取能使工件的厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些的淬火裝掛方式，它所形成的冷卻速度帶就窄；相反，如果采取像寧波市神光電爐有限公司的裝掛方式使工件的薄小部分冷得更快，而厚大部分冷得更慢，它所形成的冷卻速度帶就寬。在多個(gè)工件同時(shí)淬火的生產(chǎn)方式中。如果采用的工裝具和工件的裝排方式能使裝放在不同部位的工件都獲得盡可能相同的冷卻條件和冷 卻效果，就可以減小不同工件之間的冷卻速度帶的寬度差，從而縮短工件群體的冷卻速度帶(后續(xù)的文章將對(duì)工件群體的問(wèn)題做專門(mén)討論)。如果采取的裝掛方式不僅能獲得這種均勻性，同時(shí)還能使工件上的厚大部分冷得快一些，而薄小部分冷得慢一些，則其縮短工件群體和個(gè)體的冷卻速度帶的作用就更大些。在大量工件的淬火生產(chǎn)中，這是一個(gè)值得重視的大問(wèn)題。
(3)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題對(duì)工件冷卻速度帶寬度的影響，可以用圖11所示的例子了加以說(shuō)明。一個(gè)上小、下大的工件，在水中做淬火冷卻。圖11中描繪的是工件的上半部分進(jìn)入了沸騰冷卻階段，而下半部分尚在冷卻的蒸汽膜階段時(shí)的情形。在沸騰冷卻區(qū)與蒸汽膜籠罩區(qū)的分界線上下，工件表面獲得的冷卻速度有很大差別。沸騰冷卻區(qū)的冷卻速度比蒸汽膜籠罩區(qū)的要快幾倍到十幾倍!本來(lái)，錐體上下一線之隔的厚度差異是很小的。但是，由于水的特性溫度問(wèn)題，使它們分別處于兩個(gè)不同的冷卻階段，因此產(chǎn)生了很大的冷卻速度差異。
為更直觀地表述這種影響，我們把冷卻速度上的差異設(shè)想成有效厚度上的差異?？梢哉f(shuō)，液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題使工件上厚的部分變得更厚了。隨著冷卻的進(jìn)行，上述分界線要逐步向下移。這樣，對(duì)于它所掃過(guò)的表面來(lái)說(shuō)，這種厚度差異只在短時(shí)間內(nèi)存在。因此，我們把它稱為“由特性溫度問(wèn)題引起的短時(shí)厚度差異”，簡(jiǎn)稱“短時(shí)厚度差”。短時(shí)厚度差大多發(fā)生在工件溫度比較高、塑性比較好的時(shí)候。上面談到，神光電爐工程師為減小工件的淬火變形，我們總是設(shè)法使工件上比較厚大的部分冷卻得更快一些，使薄小的部分冷卻得更慢一些，以求減小冷卻速度帶的寬度。然而，液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題的存在，卻引起了相反的效果：使厚的部分冷卻得更慢，而使薄小的部分冷卻得更快，其間的快慢差異非常之大。這必然加大工件冷卻速度帶的寬度。液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題的危害就在于此。冷卻過(guò)程中，上述分界線出現(xiàn)的位置、以及該分界線移動(dòng)的方向和速度，都常常隨工件的形狀大小、生產(chǎn)中的裝掛方式和工件所處的位置而變。其結(jié)果，因特性溫度問(wèn)題引起的淬火變形的一個(gè)重要特點(diǎn)就是“散亂而無(wú)規(guī)律”。
淬火油的特性溫度問(wèn)題比水性淬火介質(zhì)的小。工件的淬火加熱溫度一般都低于所用鹽浴的特性溫度，因此，用低溫鹽浴作淬火冷卻介質(zhì)，往往沒(méi)有特性溫度問(wèn)題。這是用低溫鹽浴淬火能減小工件的淬火變形的重要原因之一。在水中溶人10％以上的無(wú)機(jī)鹽，可以提高水的特性溫度，減小短時(shí)厚度差異的作用時(shí)間。從而減小工件的淬火變形程度。
(4)等溫分級(jí)淬火法等溫分級(jí)淬火法，通過(guò)分段冷卻，讓冷得快的薄小部分減慢冷卻速度，去等待冷得慢的厚大部分趕上來(lái)，從而縮短工件的冷卻速度帶。工件冷卻過(guò)程中分級(jí)(等待)的次數(shù)越多，冷卻速度帶就縮得越短。在前面圖8的解說(shuō)中，已經(jīng)用冷卻速度帶法對(duì)等溫分級(jí)淬火法做了相應(yīng)的解說(shuō)。需要指出的是，通常的分級(jí)等待，雖然能縮短冷卻速度帶，但是它同時(shí)又使工件的冷卻速度帶向右移。因此，只適用于較薄小工件，或者淬透性更好的材料所制的工件。
(5)注意所用措施對(duì)冷卻速度帶左右邊界的不同作用所有措施都通過(guò)移動(dòng)冷卻速度帶的左右邊界來(lái)改變它的寬度。但是，不同的措施移動(dòng)左右邊界的程度是不相同的。比如，特性溫度問(wèn)題一般只使冷卻速度帶的右邊界向右移，而很少改變其左邊界的位置。改變工件的形狀大小時(shí)，由薄小部分的有效厚度是否改變及其改變程度，來(lái)決定冷卻速度帶的快端的移動(dòng)方向和大小；由厚大部分的有效厚度的改變情況，來(lái)決定慢端位置的移動(dòng)方向和大小。其他措施的作用，也可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析確定。
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