大尺寸合金鋼件的主要熱處理形式是整體調(diào)質(zhì)。對于截面尺寸大、形狀復雜和要求力學性能的合金鋼件，若采用簡單的油淬，往往達不到力學性能要求，而采用水淬，又會出現(xiàn)開裂。目前多采用水淬+油冷或是水溶性介質(zhì)(PAG)淬火的方法對這類工件進行淬火冷卻處理。但采用這兩種淬火冷卻方法的效果往往并不理想，不但力學性能低，介質(zhì)使用成本高，同時還存在環(huán)境污染和安全隱患。
　　上海交通大學推出的裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)(Cyclical Timed Quenching and Processing(CTQP)在解決合金鋼件油淬力學性能低，水淬開裂方面獲得了很好的效果，已綷-在工程中得到了應用。本文從裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)的診-理入手，分析論述了這種淬火冷卻控制技術(shù)的診-理、內(nèi)容和特點，并對其具體實現(xiàn)過程中實際工藝制定、所需要的生產(chǎn)設備以及控制方式進行了簡要的分析與介紹。

　　一、裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)(CTQP)診-理

　　淬火過程中的理想冷卻曲線可分為3個階段。

　　(1)自奧氏體化溫度到A1溫度附近的緩慢冷卻階段：此階段的目的是減少因快速冷卻所產(chǎn)生的熱應力，同時降低淬火工件的整體熱容量。

　　(2)在TTT曲線的珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的快速冷卻階段：此階段的目的是盡可能的避免過冷奧氏體發(fā)生珠光體或上貝氏體轉(zhuǎn)變。

　　(3)在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域時(Ms點附近)以較慢的速度冷卻：此階段緩慢冷卻的目的是減少由于大量馬氏體組織所產(chǎn)生的應力。

　　水、水溶性介質(zhì)、油和空氣的冷卻曲線都與這種理想冷卻曲線有較大差異，但若采用合適的雙介質(zhì)則可以通過控制介質(zhì)轉(zhuǎn)換時間獲得與理想冷卻曲線近似的曲線，這也就是裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)(CTQP)的基本控制思路。

　　其效果是減少了工件的整體熱容量，為增加下一階段(快速冷卻階段)的冷卻速率提供了條件；同時在該區(qū)間的緩慢冷卻對次表層和心部的珠光體轉(zhuǎn)變孕育期影響不大。對有些表面組織和硬度沒有特殊要求的工件，還可以通過這一階段的預冷在表層獲得一定量的珠光體組織，這一過程可以增加工件的淬硬層深度。

　　淬火冷卻的第二階段是采用快冷(水冷)與緩冷(空冷)裓-環(huán)交替的方式進行?？焖倮鋮s(水冷)時，當工件表層冷卻到Ms點附近或以下的某一溫度后，停止快速冷卻，轉(zhuǎn)為緩冷處理；在采用緩冷(空冷)時，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉(zhuǎn)變的馬氏體發(fā)生自回火，并使表層的塑性、應力狀態(tài)得到調(diào)整，避免了開裂的發(fā)生。不斷重復這樣的快冷與緩冷的交替工藝(時間比例需視實際情況而調(diào)整)，直到工件某一部位的溫度達到冷卻工藝要求的溫度后停止冷卻。

　　二、裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)的特點

　　由于CTQP技術(shù)可以通過多個浸液(或噴液)與空冷裓-環(huán)冷卻步驟完成，因而該技術(shù)特別適用于大尺寸合金鋼工件的淬火加工應用。具有以下幾個特點：

　　(1)采用水作為主要淬火介質(zhì)，代替了水溶性介質(zhì)(PAG)、油等介質(zhì)。適用范圍廣(理論上通過調(diào)節(jié)水空處理時間比，其冷卻能力可以達到介于水和空氣之間的任意值)。冷卻能力強，通過增加簡單的噴射過程，可以顯著提高水冷時的換熱能力；且其處理過程安全，使用成本低，無環(huán)境污染。

　　(2)處理對象主要為合金鋼工件和形狀復雜形態(tài)的工件。由于CTQP技術(shù)是由多個裓-環(huán)冷卻步驟組成，因而可以適用于形狀復雜工件的淬火冷卻，可以在不同的淬火冷卻環(huán)節(jié)有針對的實現(xiàn)工件對應部分的淬火冷卻要求。

　　(3)淬火冷卻工藝的制定標準是基于綜合考慮工件各個部分的組織分量、應力應變狀態(tài)。因而無法簡單的通過試驗和綷-驗來規(guī)劃工件的處理工藝，必須采用數(shù)值模擬方法，通過模擬計算結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來獲取工藝。工藝制定是裓-環(huán)控時淬火冷卻技術(shù)中的核心和難點。

　　(4)必須采用滿足工藝處理要求的配套設備，通過計算機控制實現(xiàn)淬火冷卻過程。裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的實現(xiàn)需要精確，靈敏的轉(zhuǎn)換水空冷卻模式和調(diào)節(jié)水空冷卻時間比，這些都是傳統(tǒng)淬火冷卻設備無法提供的，因而必須采用重新設計的配套設備來完成；同時CTQP過程的工藝往往相對復雜且控制要求嚴格，因此必須采用專業(yè)的計算機控制軟硬件來加以保證。

三、裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的制定

　　裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝要綜合考慮工件形狀、大小、材質(zhì)以及淬火要求的組織、力學性能、應力應變狀態(tài)。因而必須以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎，結(jié)合試驗驗證的方式來實現(xiàn)。

　　通過數(shù)值模擬計算的方法，可以對預設的工藝進行全面的預測和分析。在模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果可以達到淬火處理預期要求的前提下，進一步通過少量的試驗驗證，修正工藝參數(shù)就可以得到相對有效可行的實際處理工藝內(nèi)容。

　　四、裓-環(huán)控制淬火冷卻設備的設計與實現(xiàn)

　　傳統(tǒng)的淬火設備無法滿足裓-環(huán)控時淬火冷卻工藝的需要。特別是對于大型復雜工件，如果采用傳統(tǒng)的水槽和吊車吊掛淬火冷卻，既無法適應工件快速、頻繁的水淬空冷轉(zhuǎn)換，也不能實現(xiàn)冷卻時間的精確控制，因而需要設計專門的設備來滿足工藝對設備的要求。

　　例如大型曲軸，大型模具鋼等工件的淬火處理，上海交通大學開發(fā)了具有相應功能的淬火槽設備滿足工藝要求。

　　這種設計的最大特點是：用快速注水代替了傳統(tǒng)的工件吊裝浸液方式實現(xiàn)浸液淬火，特別適合于大尺寸工件的處理，同時設備的可靠性和穩(wěn)定性也較升降臺式的淬火設備大為提高。由于注水系統(tǒng)采用了多點噴射陣列的設計，因此注水系統(tǒng)還可以提供噴水、噴霧等多種冷卻手段，這就使得該淬火槽還可以實施對工件的多種復合處理。

　　五、裓-環(huán)控制淬火冷卻的控制

　　要實現(xiàn)裓-環(huán)控制淬火冷卻工藝，除了設計具有上述的功能淬火槽外，還需要有相應的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。

　　這種控制模式從結(jié)構(gòu)上講需要包含3個層次。自下而上依次為電氣驅(qū)動層、PLC控制層和軟件管理層。

　　(1)電氣驅(qū)動層 這一層面主要包括了：電機驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動各類電機、風機、泵機；觸發(fā)器模塊，用于輔助驅(qū)動其他非強電機構(gòu)，如電磁閥等設備；傳感器模塊，連接設備上的各種傳感器元件，收集整個加工中的各類數(shù)據(jù)參數(shù)。

　　(2)PLC控制層 這個層面的核心就是PLC(可編程序控制器)。它向下控制和衆(zhòng)-調(diào)電氣驅(qū)動層的各項運作，向上返回各種數(shù)據(jù)信息，并接受軟件管理層發(fā)送的管理信息，加以執(zhí)行。目前普遍采用的PLC(可編程序控制器)，控制周期都可達毫秒數(shù)量級，其控制能力與精度都遠遠超出了傳統(tǒng)的控制儀表，因而可以為淬火過程提供更為可靠和精密的控制能力。

　　(3)軟件管理層 這個層面主要是提供人機界面與高級管理功能。前面我們已綷-論述過，裓-環(huán)控制淬火冷卻的工藝制定需要通過復雜的數(shù)值模擬和試驗驗證來完成，在實際的操作過程中，需要通過大量的預先模擬計算和試驗來建立必要的工藝數(shù)據(jù)庫，以便于為工件的實際工藝生成提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，因而工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是軟件管理層的核心內(nèi)容。

　　六、結(jié)語

　　以上分析了裓-環(huán)控制淬火冷卻的診-理和相應的淬火設備，該診-理和設備已綷-在企業(yè)得到了成功的應用。希望通過該技術(shù)的推廣為企業(yè)解決更多用傳統(tǒng)方法無法解決的難題。