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分析和控制淬火變形的冷卻速度帶法介紹(8)
3．零件設(shè)計(jì)確定了工件的設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)
零件設(shè)計(jì)確定了工件的形狀尺寸。選定了鋼種，叉確定了工件材質(zhì)和熱處理要求，二者結(jié)合在一起，該工件在淬火冷卻中基本的第Ⅱ區(qū)也就確定了下來(lái)。我們把這種由零件設(shè)計(jì)確定的基本第Ⅱ區(qū)叫做工件的“設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)”。
根據(jù)本文所述方法的基本思路，工件設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)的右邊界值，應(yīng)當(dāng)位于所用鋼材端淬曲線(xiàn)上半馬氏體組織對(duì)應(yīng)的冷卻速度值的左邊。參照本文圖2b，也就是設(shè)計(jì)第n區(qū)的右邊界應(yīng)當(dāng)在端淬曲線(xiàn)上硬度降低最快部分的左邊。根據(jù)寧波市神光電爐工程師提出的方法，只適用于符合這種條件的工件的淬火變形問(wèn)題。一般的中小型淬火工件，大多符合這一要求，不符合這一要求的二件，不可能用通常的淬火冷卻方法得到通常淬火工件的熱處理要求。遇到不符合這種要求的淬火變形工件，可以試著改善零件設(shè)計(jì)或者改換鋼種，來(lái)解決其淬火變形問(wèn)題。在所用鋼材的牛產(chǎn)過(guò)程和工件的冷熱加工過(guò)程中，有多種因素可能使實(shí)際工件的第Ⅱ區(qū)偏離它的設(shè)計(jì)第1I區(qū)，并因此影響T件最終的淬火變形特點(diǎn)和變形大小。下文將對(duì)其中的幾個(gè)主要影響因素的作用加以討論。
4．鋼材的成分波動(dòng)
由于不町避免的成分波動(dòng)，鋼廠(chǎng)為每一種鋼提供的淬透性特性都不是一條曲線(xiàn)，而是鋼材的淬透性帶，如圖16所示。所有端淬曲線(xiàn)能夠落入該淬透性帶內(nèi)的鋼，都算是淬透性合格的產(chǎn)品。因此，在大批量生產(chǎn)同一種工件的熱處理中，要想使所有被淬火的工件都獲得要求的淬火冷卻效果，就必須了解合格鋼材共同的第Ⅱ區(qū)的特點(diǎn)。按照上文所述的道理，淬透性帶的上邊界代表r合格鋼材中淬透性最好的鋼的淬透性曲線(xiàn)；而淬透性帶的F邊界，則代表了合格鋼材中淬透性最差的鋼的淬透性曲線(xiàn)；其他淬透性居于二者之間的鋼，它們的淬透性曲線(xiàn)落在上述上下邊界曲線(xiàn)之間。所有同一鋼種制的：件共同的第Ⅱ區(qū)，自然就是上下邊界所代表的鋼種共同的第Ⅱ區(qū)。容易看出，這個(gè)共同的第Ⅱ區(qū)比所有鋼材的第Ⅱ區(qū)都要窄。
由此可以得出這樣的推論：鋼材的淬透性帶越寬，該鋼種共同的第Ⅱ 就越窄，所制工件的淬火變形就越難控制；相反，鋼材的淬透性帶控制得越窄，該鋼種共同的第Ⅱ區(qū)就越寬，所NY-件的淬火變形就越容易控制。
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實(shí)際生產(chǎn)中，大量的事實(shí)都可以證明這一規(guī)律性。此外，如果把同一鋼件中不町避免的成分偏析也考慮進(jìn)去，共同的第Ⅱ區(qū)應(yīng)該再窄一些。從這個(gè)道理不難設(shè)想，用粉末冶金方法生產(chǎn)的T件， 僅能把鋼材的成分波動(dòng)控制在更窄小的范圍，還可以基本消除成分偏析的影響，它們的淬火變形趨勢(shì)必然更小。
鋼材的淬透性波動(dòng)的影響只體現(xiàn)在不同爐次的鋼材之間，而不體現(xiàn)在同一個(gè)工件上。因此，如果能做好鋼材的分爐次管理，并根據(jù)不同爐次鋼材的淬透性和化學(xué)成分，調(diào)節(jié)有關(guān)的熱處理設(shè)備參數(shù)，控制好工件冷卻速度帶的位置和寬度，也能減少發(fā)生超差淬火變形工件的比例。
5．淬火前的預(yù)備組織
鑄造質(zhì)量，鍛造質(zhì)量，退火、正火，以及最終淬火之前的調(diào)質(zhì)等，都會(huì)對(duì)后來(lái)的淬火變形和開(kāi)裂趨向產(chǎn)生影響。它們的影響一般都反應(yīng)在最終熱處理之前的微觀和宏觀組織上，也就是淬火之前的預(yù)備組織的好壞上。評(píng)價(jià)預(yù)備組織的好壞，主要看兩個(gè)方面的特點(diǎn)：一是預(yù)備組織的類(lèi)型；二是預(yù)備組織的均勻程度。
鋼種和用途不同，希望的預(yù)備組織也不同。普通中碳結(jié)構(gòu)鋼希望的是細(xì)珠光體組織；工具鋼和軸承鋼大多以球化退火組織為預(yù)備組織；滲碳淬火的工件，一般以塊狀先共析鐵素體+均勻分布的片狀珠光體組織為好。最近幾年，在國(guó)內(nèi)汽車(chē)齒輪行業(yè)，為減小滲碳齒輪的淬火堂形，齒輪毛坯鍛件的等溫正火得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，齒輪毛坯經(jīng)過(guò)等溫正火后，滲碳淬火后工件的變形量會(huì)明顯減小。而且，等溫火后不同工件硬度差異越小，滲碳淬火后工件群體的變形程度也越低。其原因是，傳統(tǒng)的散亂空冷正火法獲得的正火組織中，既有形態(tài)不一的珠光體和鐵素體，也有粗大奧氏體空冷形成的魏氏組織，還有快冷部分形成的貝氏體甚至馬氏體。與珠光體相比，魏氏體、貝氏體和馬氏體屬于非平衡組織。具有這類(lèi)預(yù)備組織的工件，住隨后的滲碳加熱中，由于非平衡組織的遺傳性，所獲得的奧氏體常常是奧氏體晶粒大小很不均勻的混晶組織。岡不同的組織有不同的承受冷卻速度快慢的能力，也就有不同的變形趨勢(shì)，其結(jié)果，具有混晶組織的工件，其第Ⅱ區(qū)就會(huì)比均勻的單一組織的窄，變形趨勢(shì)也就更大。在等溫正火生產(chǎn)線(xiàn)上做等溫正火，可以切斷上述組織遺傳性，獲得均勻的鐵素體+珠光體的平衡組織。這就擴(kuò)大了工件的第Ⅱ區(qū)，減小了它的淬火變形趨勢(shì)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，預(yù)備組織的均勻性越好，工件的淬火變形量的分散度就越小，或說(shuō)淬火變形有比較好的規(guī)律性。有規(guī)律性的淬火變形，往往容易通過(guò)預(yù)留適當(dāng)?shù)募庸び嗔縼?lái)加以抵消。組織均勻性既表現(xiàn)在同一工件上，也表現(xiàn)在不同工件之間。也就是說(shuō)，工件的組織均勻性既是工件個(gè)體的問(wèn)題，也是不同工件組成的群體問(wèn)題。
淬火加熱前，1二件上的內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，可能引起工件超差的淬火變形。因此，不少人把淬火加熱之前工件的內(nèi)應(yīng)力大小，看成是預(yù)備組織好壞的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們認(rèn)為，在淬火工序的加熱過(guò)程中，工件上原來(lái)的內(nèi)應(yīng)力．總能通過(guò)工件上的塑性變形而得到釋放。因此，原來(lái)的內(nèi)應(yīng)力不會(huì)影響工件淬火冷卻中的變形情況。它之所以引起工件超差的淬火變形，是后來(lái)的淬火變形疊加到工件加熱中釋放內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形上，使某些部位變形程度超差的結(jié)果。在最終機(jī)加工之前，做一次消除應(yīng)力處理，問(wèn)題就能得到解決。所以，本文沒(méi)有把淬火加熱之前的內(nèi)應(yīng)力看成引起冷卻中的淬火變形的因素。
6．液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題
在本文的第五部分，我們把液態(tài)介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題引起的冷卻速度突變，更直觀地看成是引起了短時(shí)厚度差異。無(wú)疑，這種短時(shí)厚度差會(huì)使工件第Ⅱ區(qū)的右邊界向左移，從而使第Ⅱ區(qū)變窄，并因此使工件的淬火變形趨勢(shì)增大。
值得一提的是，在我們最新的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，任何形狀大小的工件，在油性和水性介質(zhì)中做淬火冷卻時(shí)，上述短時(shí)厚度差的存在時(shí)間都比原來(lái)估計(jì)的要長(zhǎng)得多。因此，液態(tài)淬火介質(zhì)特性溫度問(wèn)題的危害性應(yīng)當(dāng)比原來(lái)估計(jì)的大些。短時(shí)厚度差不僅會(huì)增大工件的冷卻速度帶，同時(shí)也會(huì)縮短工件的第Ⅱ區(qū)。兩方面都不利于我們控制工件的淬火變形。此外，液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題多出現(xiàn)在工件溫度比較高、塑性比較好的時(shí)候。大的厚度差會(huì)引起大的內(nèi)應(yīng)力，加上鋼材塑性好，且作用時(shí)間也不太短，引起塑性變形的可能性就不會(huì)小。
7．工件裝掛方式與介質(zhì)攪拌情況的影響
多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，工件的裝掛方式和工件的間距。會(huì)影響工件周?chē)慕橘|(zhì)流動(dòng)和散熱情況，并因此造成不同工件的第Ⅱ區(qū)在位置和寬度上的差異。裝掛工件時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題是，不考慮工件的厚薄差異，只求多裝，或者只圖好裝、好放。這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異，從而使部分工件的第Ⅱ區(qū)變窄。合理的裝掛方式，應(yīng)當(dāng)使工件上較厚大的部分和散熱困難的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。這樣做了，工件的實(shí)際第U區(qū)將會(huì)比它的設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)更寬。
淬火冷卻中，介質(zhì)的攪拌會(huì)影響工件的冷卻情況。攪拌方式不同，裝放在不同部位的一I：件獲得的第丌區(qū)會(huì)不一樣。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獲得盡可能相同的冷卻效果的攪拌方式，可以增大工件的第Ⅱ區(qū)，并因此減小工件的淬火變形趨勢(shì)。相反，則會(huì)減小工件的第U區(qū)，從而增大工件的淬火變形趨勢(shì)。
工件的裝掛方式會(huì)影響介質(zhì)的流動(dòng)情況，而介質(zhì)的攪拌也會(huì)影響工件冷卻的均勻性。把二者結(jié)合起來(lái)考慮，才能使不同部位的T件得到盡可能一致的冷卻效果。
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零件設(shè)計(jì)確定了工件的形狀尺寸。選定了鋼種，叉確定了工件材質(zhì)和熱處理要求，二者結(jié)合在一起，該工件在淬火冷卻中基本的第Ⅱ區(qū)也就確定了下來(lái)。我們把這種由零件設(shè)計(jì)確定的基本第Ⅱ區(qū)叫做工件的“設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)”。
根據(jù)本文所述方法的基本思路，工件設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)的右邊界值，應(yīng)當(dāng)位于所用鋼材端淬曲線(xiàn)上半馬氏體組織對(duì)應(yīng)的冷卻速度值的左邊。參照本文圖2b，也就是設(shè)計(jì)第n區(qū)的右邊界應(yīng)當(dāng)在端淬曲線(xiàn)上硬度降低最快部分的左邊。根據(jù)寧波市神光電爐工程師提出的方法，只適用于符合這種條件的工件的淬火變形問(wèn)題。一般的中小型淬火工件，大多符合這一要求，不符合這一要求的二件，不可能用通常的淬火冷卻方法得到通常淬火工件的熱處理要求。遇到不符合這種要求的淬火變形工件，可以試著改善零件設(shè)計(jì)或者改換鋼種，來(lái)解決其淬火變形問(wèn)題。在所用鋼材的牛產(chǎn)過(guò)程和工件的冷熱加工過(guò)程中，有多種因素可能使實(shí)際工件的第Ⅱ區(qū)偏離它的設(shè)計(jì)第1I區(qū)，并因此影響T件最終的淬火變形特點(diǎn)和變形大小。下文將對(duì)其中的幾個(gè)主要影響因素的作用加以討論。
4．鋼材的成分波動(dòng)
由于不町避免的成分波動(dòng)，鋼廠(chǎng)為每一種鋼提供的淬透性特性都不是一條曲線(xiàn)，而是鋼材的淬透性帶，如圖16所示。所有端淬曲線(xiàn)能夠落入該淬透性帶內(nèi)的鋼，都算是淬透性合格的產(chǎn)品。因此，在大批量生產(chǎn)同一種工件的熱處理中，要想使所有被淬火的工件都獲得要求的淬火冷卻效果，就必須了解合格鋼材共同的第Ⅱ區(qū)的特點(diǎn)。按照上文所述的道理，淬透性帶的上邊界代表r合格鋼材中淬透性最好的鋼的淬透性曲線(xiàn)；而淬透性帶的F邊界，則代表了合格鋼材中淬透性最差的鋼的淬透性曲線(xiàn)；其他淬透性居于二者之間的鋼，它們的淬透性曲線(xiàn)落在上述上下邊界曲線(xiàn)之間。所有同一鋼種制的：件共同的第Ⅱ區(qū)，自然就是上下邊界所代表的鋼種共同的第Ⅱ區(qū)。容易看出，這個(gè)共同的第Ⅱ區(qū)比所有鋼材的第Ⅱ區(qū)都要窄。
由此可以得出這樣的推論：鋼材的淬透性帶越寬，該鋼種共同的第Ⅱ 就越窄，所制工件的淬火變形就越難控制；相反，鋼材的淬透性帶控制得越窄，該鋼種共同的第Ⅱ區(qū)就越寬，所NY-件的淬火變形就越容易控制。
實(shí)際生產(chǎn)中，大量的事實(shí)都可以證明這一規(guī)律性。此外，如果把同一鋼件中不町避免的成分偏析也考慮進(jìn)去，共同的第Ⅱ區(qū)應(yīng)該再窄一些。從這個(gè)道理不難設(shè)想，用粉末冶金方法生產(chǎn)的T件， 僅能把鋼材的成分波動(dòng)控制在更窄小的范圍，還可以基本消除成分偏析的影響，它們的淬火變形趨勢(shì)必然更小。
鋼材的淬透性波動(dòng)的影響只體現(xiàn)在不同爐次的鋼材之間，而不體現(xiàn)在同一個(gè)工件上。因此，如果能做好鋼材的分爐次管理，并根據(jù)不同爐次鋼材的淬透性和化學(xué)成分，調(diào)節(jié)有關(guān)的熱處理設(shè)備參數(shù)，控制好工件冷卻速度帶的位置和寬度，也能減少發(fā)生超差淬火變形工件的比例。
5．淬火前的預(yù)備組織
鑄造質(zhì)量，鍛造質(zhì)量，退火、正火，以及最終淬火之前的調(diào)質(zhì)等，都會(huì)對(duì)后來(lái)的淬火變形和開(kāi)裂趨向產(chǎn)生影響。它們的影響一般都反應(yīng)在最終熱處理之前的微觀和宏觀組織上，也就是淬火之前的預(yù)備組織的好壞上。評(píng)價(jià)預(yù)備組織的好壞，主要看兩個(gè)方面的特點(diǎn)：一是預(yù)備組織的類(lèi)型；二是預(yù)備組織的均勻程度。
鋼種和用途不同，希望的預(yù)備組織也不同。普通中碳結(jié)構(gòu)鋼希望的是細(xì)珠光體組織；工具鋼和軸承鋼大多以球化退火組織為預(yù)備組織；滲碳淬火的工件，一般以塊狀先共析鐵素體+均勻分布的片狀珠光體組織為好。最近幾年，在國(guó)內(nèi)汽車(chē)齒輪行業(yè)，為減小滲碳齒輪的淬火堂形，齒輪毛坯鍛件的等溫正火得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，齒輪毛坯經(jīng)過(guò)等溫正火后，滲碳淬火后工件的變形量會(huì)明顯減小。而且，等溫火后不同工件硬度差異越小，滲碳淬火后工件群體的變形程度也越低。其原因是，傳統(tǒng)的散亂空冷正火法獲得的正火組織中，既有形態(tài)不一的珠光體和鐵素體，也有粗大奧氏體空冷形成的魏氏組織，還有快冷部分形成的貝氏體甚至馬氏體。與珠光體相比，魏氏體、貝氏體和馬氏體屬于非平衡組織。具有這類(lèi)預(yù)備組織的工件，住隨后的滲碳加熱中，由于非平衡組織的遺傳性，所獲得的奧氏體常常是奧氏體晶粒大小很不均勻的混晶組織。岡不同的組織有不同的承受冷卻速度快慢的能力，也就有不同的變形趨勢(shì)，其結(jié)果，具有混晶組織的工件，其第Ⅱ區(qū)就會(huì)比均勻的單一組織的窄，變形趨勢(shì)也就更大。在等溫正火生產(chǎn)線(xiàn)上做等溫正火，可以切斷上述組織遺傳性，獲得均勻的鐵素體+珠光體的平衡組織。這就擴(kuò)大了工件的第Ⅱ區(qū)，減小了它的淬火變形趨勢(shì)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，預(yù)備組織的均勻性越好，工件的淬火變形量的分散度就越小，或說(shuō)淬火變形有比較好的規(guī)律性。有規(guī)律性的淬火變形，往往容易通過(guò)預(yù)留適當(dāng)?shù)募庸び嗔縼?lái)加以抵消。組織均勻性既表現(xiàn)在同一工件上，也表現(xiàn)在不同工件之間。也就是說(shuō)，工件的組織均勻性既是工件個(gè)體的問(wèn)題，也是不同工件組成的群體問(wèn)題。
淬火加熱前，1二件上的內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，可能引起工件超差的淬火變形。因此，不少人把淬火加熱之前工件的內(nèi)應(yīng)力大小，看成是預(yù)備組織好壞的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們認(rèn)為，在淬火工序的加熱過(guò)程中，工件上原來(lái)的內(nèi)應(yīng)力．總能通過(guò)工件上的塑性變形而得到釋放。因此，原來(lái)的內(nèi)應(yīng)力不會(huì)影響工件淬火冷卻中的變形情況。它之所以引起工件超差的淬火變形，是后來(lái)的淬火變形疊加到工件加熱中釋放內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形上，使某些部位變形程度超差的結(jié)果。在最終機(jī)加工之前，做一次消除應(yīng)力處理，問(wèn)題就能得到解決。所以，本文沒(méi)有把淬火加熱之前的內(nèi)應(yīng)力看成引起冷卻中的淬火變形的因素。
6．液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題
在本文的第五部分，我們把液態(tài)介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題引起的冷卻速度突變，更直觀地看成是引起了短時(shí)厚度差異。無(wú)疑，這種短時(shí)厚度差會(huì)使工件第Ⅱ區(qū)的右邊界向左移，從而使第Ⅱ區(qū)變窄，并因此使工件的淬火變形趨勢(shì)增大。
值得一提的是，在我們最新的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，任何形狀大小的工件，在油性和水性介質(zhì)中做淬火冷卻時(shí)，上述短時(shí)厚度差的存在時(shí)間都比原來(lái)估計(jì)的要長(zhǎng)得多。因此，液態(tài)淬火介質(zhì)特性溫度問(wèn)題的危害性應(yīng)當(dāng)比原來(lái)估計(jì)的大些。短時(shí)厚度差不僅會(huì)增大工件的冷卻速度帶，同時(shí)也會(huì)縮短工件的第Ⅱ區(qū)。兩方面都不利于我們控制工件的淬火變形。此外，液態(tài)淬火介質(zhì)的特性溫度問(wèn)題多出現(xiàn)在工件溫度比較高、塑性比較好的時(shí)候。大的厚度差會(huì)引起大的內(nèi)應(yīng)力，加上鋼材塑性好，且作用時(shí)間也不太短，引起塑性變形的可能性就不會(huì)小。
7．工件裝掛方式與介質(zhì)攪拌情況的影響
多個(gè)工件同時(shí)淬火時(shí)，工件的裝掛方式和工件的間距。會(huì)影響工件周?chē)慕橘|(zhì)流動(dòng)和散熱情況，并因此造成不同工件的第Ⅱ區(qū)在位置和寬度上的差異。裝掛工件時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題是，不考慮工件的厚薄差異，只求多裝，或者只圖好裝、好放。這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異，從而使部分工件的第Ⅱ區(qū)變窄。合理的裝掛方式，應(yīng)當(dāng)使工件上較厚大的部分和散熱困難的部分冷得快一些，薄小部分冷得慢一些。這樣做了，工件的實(shí)際第U區(qū)將會(huì)比它的設(shè)計(jì)第Ⅱ區(qū)更寬。
淬火冷卻中，介質(zhì)的攪拌會(huì)影響工件的冷卻情況。攪拌方式不同，裝放在不同部位的一I：件獲得的第丌區(qū)會(huì)不一樣。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獲得盡可能相同的冷卻效果的攪拌方式，可以增大工件的第Ⅱ區(qū)，并因此減小工件的淬火變形趨勢(shì)。相反，則會(huì)減小工件的第U區(qū)，從而增大工件的淬火變形趨勢(shì)。
工件的裝掛方式會(huì)影響介質(zhì)的流動(dòng)情況，而介質(zhì)的攪拌也會(huì)影響工件冷卻的均勻性。把二者結(jié)合起來(lái)考慮，才能使不同部位的T件得到盡可能一致的冷卻效果。
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