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分析和控制淬火变形的冷却速度带法（5） www.tool-tool.com

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七几个相关问题分析

7.1 局部加热淬火工件的变形问题

一般工件只要求有限几个特定部位的变形程度不超差，而对其它部分的变形则不加计较。因此可以说，决定工件淬火变形大小的不是整个工件的所有部分的冷却情况，而是工件上的参与了淬火变形部位的冷却情况。为此，在本文的第二部分提出了“工件上参与淬火变形部位”这个概念。但是，面对一个实际的工件，要回答“ 哪些部位参与了淬火变形？哪些部位没有参与淬火变形？”却很不容易。由于这样的原因，在前面对整体淬火变形问题的讨论中，我们实际上认为整个工件都参与了淬火变形。但是，感应局部加热淬火、火焰局部加热淬火以及激光局部加热淬火等热处理中，从加热到淬火冷却都不涉及整个工件。它们的参与淬火变形部位就不是整个工件，而是被加热和冷却的局部及其周围部分。为此，有必要讨论局部加热淬火工件的淬火变形问题。

按照讨论工件的形状大小与冷却速度带宽窄的思路，任何一个工件的冷却速度带，都可以看成是构成它的多个组成部分的冷却速度带（集合代数的）相加的结果。因此，局部加热淬火的工件，它的参与淬火变形部位的冷却速度带就一定比该工件整体淬火时的冷却速度带更窄。工件上同时加热和冷却的部分越小，跨越的界面越少，它的冷却速度带就越窄。

按照讨论工件的形状大小与其第II区的宽度的思路，任何一个工件的第II区，都可以看成是构成它的多个组成部分的第II区(集合代数的)交。因此，局部加热淬火的工件，它参与淬火变形部位的第II区的宽度就一定比该工件整体淬火时的第II区的要宽。它被同时加热冷却的部分越小，跨越的界面越少，它的第2区也就越宽。

感应加热淬火，特别是循序加热淬火中，同时被加热淬火的区域往往很窄小。相应地，它的淬火变形问题涉及的冷却速度带就非常的窄，同时，它的第II区却又非常之宽。无疑，它产生的淬火变形就非常之小。事实也是如此，与整体淬火相比，各类局部加热淬火方式的淬火变形都相当小。但是，随着被同时加热并冷却的区域的增大，加热淬硬层深度增加，特别是跨越的面增多，淬火变形程度就会迅速增大。

在淬火变形问题不难解决的情况下，一般说，感应加热工件的淬火质量问题，除了加热的问题外，主要是其冷却速度带的位置问题。这方面最容易出的问题是，因淬火介质选择不当而引起的淬火开裂问题和淬火硬度不够问题。通常，可以选择的淬火介质有清水、PAG淬火液，以及淬火油。如果用清水容易淬裂，可以改用 PAG淬火液。如果用PAG淬火液时有淬裂，可以通过提高PAG浓度和降低介质的流动速度来防止淬裂。对于要求更低淬火冷却速度的工件，可以再改用埋油淬火。

缩小参与淬火变形部位可以减小工件的淬火变形，这应当成为一项控制工件淬火变形的措施来加以利用。

7.2 参与淬火变形部位及其三维分布

工件都是实体。实际工件上的参与淬火变形部位都是三维的。因此，工件的冷却速度带和第2区也是三维分布的。本文之所以在一条直线上讨论冷却速度带和第II 区的关系，是因为本文提供的仅仅是分析和解决淬火变形问题的共性的思路。它的作用是，遇到实际工件的淬火变形问题，采用本文提供的思路，有可能使问题变得更简单和更容易解决。

7.3 关于评价淬火介质的变形试块

图17 一种典型的变形试块

一种叫做美国海军C形试块（ the U.S. Navy C test ）的试样，被用来评价淬火介质防止淬火变形的能力。图17是美国金属手册上介绍的这种试样的外形尺寸。在它的基础上对其形状大小稍做改动，又演绎出了多种相似的试样，习惯上统称为“变形试块”。国内外的一些书刊中，对这类试块及其应用常有介绍。但是，用这类试块评选的“较理想的淬火介质”，用于实际生产时，却常常“时灵时不灵”。不仅对不同的工件如此，对不同的变形试块也不例外。用本文所述的方法，很容易解释发生这种问题的原因。工件的形状大小、所用钢材和热处理要求，决定了它的设计第II区的位置和宽度。在一定生产条件下，不同的工件又有不同的冷却速度带（的位置和宽度）。变形试块的形状大小、所用钢种以及确定部位容许的变形程度确定之后，它也有自己的设计第II区。工件的第II区与选用的变形试块的第II区完全相同的可能性是很小的。即便第II区（的位置和宽度）完全相同，工件和变形试块又各有自己的冷却速度带。它们的冷却速度带完全相同的可能性也是很小的。因此，用变形试块去为另外的工件选择合适的淬火介质，实在是“张冠李戴”。

八工件群体的冷却速度带和第2区

在此之前，本文讨论的主要是单个工件的淬火变形问题。讨论内容是工件的第2区和冷却速度带。其中，我们把各因素的作用大小，都设想在其期望值上。然而，在大批量工件的生产中，热处理工作者面对的往往是相同钢种制造、性能指标相同、同一种工件的淬火变形问题。这就是工件群体的淬火变形问题，和单个工件相比，群体中不同工件的任何特性都不可能是完全一致。对每一个工件来说，众多生产工序的实际作用效果相对于所希望的目标效果的偏差，是引起这种差异的原因。比如，确定的冶金过程生产的相同品种的钢，其化学成分总有一定程度的波动；同样淬火冷却条件，不同工件的冷却效果总有一定的差异等。总之，这种偏差是不可避免的。现代大生产对工件的性能有四个层次上的均匀性要求：一是单个工件上的性能均匀性，二是同炉处理的不同工件的性能的均匀一致性，三是不同炉次的工件的性能均匀性，四是长年生产中，不同时期处理的工件的性能的均匀一致性。工件群体的淬火变形问题，讨论的就是有关因素的性能波动对工件群体的淬火变形的影响规律。本方法认为，任何因素对工件淬火变形的影响，都是通过它对工件的第II区和冷却速度带的影响来起作用的。因此，关于工件群体的淬火变形，我们也首先研究工件群体的第II区和冷却速度带的分布特点，然后再结合前面介绍的分析和解决单个工件淬火变形的基本思路和办法，来分析和解决工件群体的淬火变形问题。

8.1 用统计分布来描述工件群体的特性

一般说，不同工件之间，淬火冷却效果的差异大致可以分成两类。一类差异呈随机分布，看不出明显的变化规律。另一类差异按明显的规律性。比如，有的逐渐变大，或者逐渐变小；有的随季节而有规律地变化等等。后一类有规律的变化，一经发现，都可以按前面对待单个工件的淬火变形问题的解决办法加以纠正。在此，我们将重点讨论前一类变化对工件群体淬火变形的影响规律。

不管是工件的冷却速度带，还是工件的第2区，都可以用它们两端边界对应的冷却速度值来加以描述。在长期、大量生产中，工件群体的第2区和冷却速度带的任何边界的位置也不会是一个确定不变的值，而会形成有一种分布。为便于讨论，我们假定这些性能指标的测量值呈正态分布，如图18所示。正态分布是一种左右对称的分布。按正态分布的特点，图中，x表示所讨论的性能指标值，f表示测量值的出现频数。期望值（统计平均值），代表分布的集中特性。标准差s代表分布的分散特性。标准差越大，测量出的性能数据越分散。图18-a 中，曲线两端距平均值1.96s以远的尾部（无斜线部分）面积，都正好等于曲线以下总面积的2.5％。两端尾部面积之和等于曲线以下总面积的5％。而二者之间（即斜线部分）的面积就是95％。而曲线两端距平均值2.576s以远的尾部面积之和为总面积的1％，二者之间的面积就是99％。如图18-b所示。依次类推，当以距平均值±3.291s为界时,能使99.9％的面积落在中间，而只有0.1％的面积划在外面。当以距平均值±3.891s为界时，能使 99.99％的面积落在中间，而只有万分之一的面积落在其外。

a) 正态分布， ±1.96s划定概率为95％的区域
b) 正态分布， ±2.576s划定概率为 99％的区域
c) 具有相同期望值但标准差不同的两个正态分布

图18 正态分布及其分散特性的影响

图18-c对比了两个平均值相等而标准差不同的正态分布。其中，分布1比分布2更分散。它们的标准差相差一倍，即S₁＝2S₂。对于产品的性能分布，究竟是标准差大的好，还是标准差小的好？由于产品的有些性能值（x）是越大越好，就有人就认为，标准差大的一组数据中，有些产品可以达到更高的值，因此标准差大的更好。这种认识是错误的。一般说，在大量产品的生产中，平均值相同的情况下，产品标准差越小，即分散程度越小，产品的性能指标就越集中，产品的品质就越好。下面的讨论也将证明，对于控制工件群体的淬火变形，对于上述边界形成的分布，其分散程度也是越小越好。

8.2 工件群体的冷却速度带

图19 因两端位置、分布导致工件群体的冷却速度带加宽

一个工件的冷却速度带，是由它的参与淬火变形部位的冷却速度的快端和慢端的冷却速度值划定的。对于工件群体，冷却速度带的快端和慢端的冷却速度值都会形成自己的一个分布。如图19所示。假定完全不存在各种影响因素的波动，那么，所定生产工艺获得的冷却速度带的左右边界，正好是它们各自的希望值。我们把它称为所定生产工艺的目标值，分别以L₀和R₀表示。实际生产中影响因素的特性波动是不可避免的，因此，我们面对的只有形成了分布的快端和慢端。它们各有自己的分布特性。快端的希望值L₀，标准差S_L；；慢端的希望值R₀；标准差S_R。由于假定左右两端边界都呈正态分布，在工件群体中，冷却速度带落在L₀和R₀之间，也就是短于（L₀-R₀）的工件的数量，正好等于50％；而其余50％工件的冷却速度带的长度则大于（L₀-R₀）。按统计分布理论，测量值偏离平均值越远，出现的可能性就越小。我们不能保证工件群体中完全不出现某个偏离平均值较远的测量值，只能推算该数值出现的概率。为便于从图形上加以解释,仍然以左、右端都用2.5％的面积甩在外面的界限，作为工件群体的冷却速度带的左右边界。这时，工件群体的冷却速度带的左边界为（L₀+1.96S_L），右边界为（R₀-1.96S_R）。如果不考虑左右边界的不同时性，可以说，95%的工件的冷却速度带的长度不不超过（L₀-R₀）＋1.96（S_L+S_R）。99％的工件的冷却速度带的长度不超过（L₀-R₀）＋2.576（S_L+S_R）。根据工件的冷却速度带越宽，控制工件淬火变形越不容易的道理，控制工件群体的淬火变形会比单个工件更困难。容许发生超差变形的工件的比例越小，工件群体的冷却速度带就越宽。同时，冷却速度带两端的分散程度越大，即它们的标准差越大，越不利于控制淬火变形。相反，标准差越小，控制工件群体的淬火变形就越容易。

8.3 工件群体的第2区

图20 因两端位置是分布导致工件群体的第2区变窄

用T₁和T₂表示第2区的左右边界位置,S₁和S₂分别是它们的标准差。按上面采用的方式分析这个问题，50％工件的第2区宽度短于（T₁－T₂）；另外50％的工件的第2区的宽度则长于（ T₁－T₂）。和工件群体的冷却速度带的分析方法不同的是，为保证95%的工件具有更宽的第2区，就要从内部去切割曲线尾部，如图20所示。其结果，工件群体的第2区的宽度，就比工艺目标值的第2区要短。当要求包含95％的工件时，工件群体的第2区将比工艺目标值的第2区缩短1.96（S₁＋S₂）。当要求包含99％的工件时，工件群体的第2区将缩短2.57（S₁＋S₂）。当要求包含99.9％的工件时，将缩短3.29（S₁＋S₂）。当要求包含99.99％的工件时，将缩短3.89（ S₁＋S₂）。工件群体第2区端部的分散程度越大，也就是S₁和S₂的值越大。第2区缩短得就越多，控制工件的淬火变形就越困难。

8.4 影响工件群体变形特性的重要因素

引起上述两类边界波动的原因，是影响工件冷却速度带和第2区的因素的特性波动。其中包含生产加工设备、条件、原材料和工艺的特性波动，以及管理和操作水平等人为因素的不稳定形成的波动。其中，已经发现的重要影响因素有如下几个：

钢材的化学成分波动造成的淬透性特性波动、预备组织种类和均匀性的波动、所用液态淬火介质的特性温度问题、淬火冷却中工件的装挂方式和装挂密度。

其中，装挂方式和密度又常常与介质的特性温度问题结合在一起，而使问题变得更复杂和更严重。这几个重要因素中，除了液态淬火介质的特性温度问题之外，其它几个的影响因素都已得到相当的研究和重视，并正在加以控制。

另外的次要因素的特性波动，对工件群体的冷却速度带和第2区的影响，可以通过建立和实施标准化与质量管理来加以控制。无疑生产中各项工序的机械化和自动化，是减小这类特性波动的有效方法。

不管是重要影响因素还是次要影响因素，我们所施加的控制都不可能消除它们的波动，而只能尽可能稳定它们的目标值和减小它们的分散程度，从而减小工件淬火变形的程度和超差变形工件的量。完全消除工件的淬火变形是不可能的。（待续）（20060408）

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发表于《机械工人》热加工2006年第4期

图12 使工件的冷却速度带完全进入第2冷速区的两种方法

按照本文图2拟定的思路，不难得看出：可以有两种办法使工件的冷却速度带完全落在它的第II区内。办法之一是，通过移动或者缩短冷却速度带，使其完全落入第II区之内。办法之二是，通过移动第II区的边界，来把冷却速度带框进第II区内。图12是这两种方法的示意图。从第一种方法的作用途径可以推知，能缩短工件冷却速度带，以及能定向移动冷却速度带的方法都可能成为减小工件淬火变形趋势的措施。从第2种方法的作用途径又可以推知，能扩大工件第II区的方法，都可能成为减小工件淬火变形趋势的措施。，前面已经介绍了第一种方法及其相关的事项。下面接着对第2种方法进行讨论。

六影响第II区宽度和位置的主要因素分析

1 工件形状大小对第II区的影响

我们将在钢材和冷却条件相同的前提下，讨论工件形状大小对第II区的影响。一般说，同样的冷却速度差，在形状复杂的工件上引起的内应力总是比在形状简单工件上的要大。因此，工件的形状越简单，厚薄相差越小，它承受冷却速度快慢的能力就越强。它的第II区也就越宽。相反，形状复杂工件的第II区也就更窄，如图13（a）所示。在形状相似而尺寸较小的工件上，相同大小的冷却速度差引起的内应力，总是比尺寸更大的工件的要小。因此，大尺寸的工件的第II区要比小尺寸的工件的第II区更窄。如图13（b）所示。

a) 工件形状越复杂，它的第II区就越窄
b) 工件越厚大，它的第II区就越窄

图13 工件的形状大小与其第II区宽窄的关系

图14 形状复杂工件的第II区与其构成件的第II区的关系

形状复杂且壁厚相差较大的工件，通常都可以分划成几个形状简单的部分。今有一个形状复杂的工件，可以分割成3个形状简单的工件。把后者称为复杂件的构成件。每个构成件都有自己的第II区。那么，复杂件的第II区与其构成件的第II区有什么样的关系呢？。容易推知，要能同时满足3个构成部分的要求，复杂件的第II区必然是这3个构成件的第II区的共同部分，如图14所示。

如果用T1，T2和T3分别表示3个构成件的第II区，它们组成的复杂件的第II区记为T，则它们的关系就可以用集合代数表示成式（2）的形式。

T = T1 • T2 • T3 …… （2）

需要说明的是，式（2）中的相乘符号不是算术上的相乘关系，而是集合代数上的相交关系。图14中，构成件3的第II区的左边界成为复杂件的第II区的左边界，而构成件2的第II区的右边界则成为复杂件的第II区的右边界。因此复杂件的第II区总是小于（等于）任何构成件的第II区。由此可以得出这样的推论：工件的形状越复杂，厚薄相差越大，它的第II区就越窄。为了简化讨论内容，在此没有把各组成部分在复杂件中的结合部的影响考虑进去。

工件上的应力集中特性也值得关注。特定部位的应力集中系数大小会影响工件的第II区的左右边界的位置。应力集中系数越大，第II区的左边界就靠右，相应地，工件的第II区就越窄。相反，应力集中系数越小，第II区的右边界就越靠左。相应地，工件的第II区也就越宽。

归纳起来，从零件设计角度谈，零件形状越复杂、厚薄相差越大、对称性越差以及它上面的应力集中系数越大，工件的第II区就越窄。它的淬火变形就越难控制。相反，零件形状简单、厚薄相差小、对称性好，上面的应力集中系数越小，工件的第II区就越宽。它的淬火变形越容易控制。

2 钢材的淬透性高低

钢材的淬透性高低是影响工件第II区宽度和位置的重要因素。在形状大小一定的前提下，淬透性好的钢，可以用不太快的淬火冷却速度获得要求的淬硬效果；而淬透性差的钢，必须用更高的淬火冷却速度，才有可能把它淬硬。因此，可以说，淬透性好的钢制的工件，其第II区的右边界偏右；而淬透性差的钢制的工件，其第 II区的右边界这偏左。如以获得一定马氏体比例的冷却速度为第II区的右边界，从钢材的端淬曲线上比较，可以作成图15。图中，a）是淬透性好的钢的冷却速度分区图，b）是淬透性差的钢的这种分区图。容易看出，淬透性好的钢，其第II区较宽，而淬透性差的钢，其第II区则较窄。同时，由于淬透性好的钢容易淬裂，其第II区的左边界偏右，而淬透性差的钢的左边界则偏左。

图15 淬透性好的钢第II区宽且偏右，淬透性差的钢第II区窄而偏左

由于淬透性差的钢的第II区较窄，通常就不适于制造形状较复杂的工件。原因很简单，复杂工件的冷却速度带宽，窄的第II区把“它装不下”。事实上，相当一部分形状复杂工件的淬火变形问题，最终是靠改换钢种，即从淬透性较差的钢，改换成淬透性更高的钢，才得到解决的。因为，常用的热处理手法，实在不可能把工件冷却速度带的宽度压缩到所用钢种窄小的第II区内！

到此，不难用冷却速度带法去解释零件设计上选择钢种的一些原则。比如，淬透性差的钢，只适合于制造形状简单的小工件。又如，在都能保证工件淬硬的钢种中，形状复杂的工件，应当选用淬透性偏高的钢种，只有形状简单的工件才适合选用其中淬透性偏低的钢种。

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，又确定了工件材质和热处理要求。二者结合在一起，该工件在淬火冷却种中基本的第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II区的右边界应当在端淬曲线上硬度降低最快部分的左边。本文提出的方法，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。不符合这一要求的工件，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，来解决它们的淬火变形问题。

在所用钢材的生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II区，并因此影响工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

图16 同种钢材的淬透性波动与不同批次钢材共同的第II区

由于不可避免的成分波动，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了合格钢材中淬透性最好的钢的淬透性曲线；而淬透性带的下边界，则代表了合格钢材中淬透性最差的钢的淬透性曲线。其它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。所有同一钢种制的工件共同的第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区就越窄，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，所制工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可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工件，不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变形，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，等温正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式体甚至马氏体。和珠光体相比，魏氏体、贝式体和马氏体属于非平衡组织。具有这类预备组织的工件，在随后的渗碳加热中，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。因不同的组织组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。或者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的问题。

淬火加热前，工件上的内应力过大，有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上的内应力大小，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，使某些部位的变形程度超差的结果。在机加工之前，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，已经发现，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更大些。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，一般的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，而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II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，装放在不同部位的工件获得的第II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II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，才能使不同部位的工件得到尽可能一致的冷却效果。（待续）

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发表于《机械工人》热加工2006年第3期

至此，在解决工件淬火变形方面，可以把热处理环节的工作简化成：移动与缩短冷却速度带，使其完全落在它的第II冷速区内。为了做好这项工作，应当对影响工件冷却速度带位置和宽度的主要因素做一番研究。调节某个影响因素，以求控制工件冷却速度带的位置和宽度，这就成为一项控制工件淬火变形的措施。由于诸多影响因素（也就是措施）最终都作用在同一个工件上，又有必要研究各因素之间的相互关系。

五影响工件冷却速度带位置和宽度的因素分析

1 影响冷却速度带宽度的主要因素

a 工件的形状大小

在相同冷却条件下，工件的大小不同，获得的冷却速度带是不一样的。今有材质相同、形状相似但厚薄不同的两个简单形状的钢件。在加热和冷却条件相同的情况小，小件获得的冷却速度总是比大件快，因此小件的冷却速度带偏左。又因小件不同部位的温度差较小，而大件的更大，因此小件的冷却速度带较窄，而大件的更宽，如图10所示。一个形状复杂的工件，总可以分割成是多个形状大小不同的简单工件。分出的每一个简单工件，都可以看成原形状复杂工件的组成部件。因此，可以粗略地认为，形状复杂工件，其冷却速度带的快端，即是其组成部件中最薄小件的快端；而其慢端则是其组成部件中最厚大件的慢端。只由两个组成部件a和b 组成的复杂工件c，它的冷却速度带的快端和慢端，就分别是小件a的快端和大件b的慢端，如图中所示。由此可以推定出这样的结论：工件的形状越复杂、厚薄相差越大，其冷却速度带也就越宽。相反，工件形状越简单、厚薄相差越小，其冷却速度带也就越窄。复杂件c的冷却速度带的宽度Lc与a 、b两个简单件的冷却速度带的宽度La和Lb的关系可以粗略地表示成：

Lc = La + Lb………………（1）

需要说明的是，式（1）中的相加关系是集合代数上的相加（并）关系，而不是算术上的简单相加关系。

i) 形状复杂的工件c可看成由a与b两个形状简单的工件组成

ii) a、b、c三个冷却速度带的相对大小和位置关系

图10 由简单工件的冷却速度带合并成复杂工件的冷却速度带

b 淬火冷却中工件的装挂方式

淬火冷却中，工件的装挂方式会直接影响到工件冷却速度带的宽窄。在每次只淬一个工件的场合，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装挂方式，它所形成的冷却速度带就窄。相反，如果采取的装挂方式使工件的薄小部分冷得更快，而厚大部分冷得更慢，它所形成的冷却速度带就宽。在多个工件同时淬火的生产方式中，如果采用的工装具和工件的装排方式能使装放在不同部位的工件都获得尽可能相同的冷却条件和冷却效果，就可以减小不同工件之间的冷却速度带的宽度差，从而缩短工件群体的冷却速度带（后续的文章将对工件群体的问题做专门讨论）。如果采取的装挂方式不仅能获得这种均匀性，同时还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，则其缩短工件群体和个体的冷却速度带的作用就更大些。在大量工件的淬火生产中，这是一个值得重视的大问题。

c 冷却介质的特性温度问题

液态冷却介质的特性温度问题对工件冷却速度带宽度的影响，可以用图11所示的例子加以说明。一个上小、下大的工件，在水中做淬火冷却。图中描绘的是工件的上半部分进入了沸腾冷却阶段，而下半部分尚在冷却的蒸汽膜阶段时的情形。在沸腾冷却区与蒸汽膜笼罩区的分界线上下，工件表面获得的冷却速度有很大差别。沸腾冷却区的冷却速度比蒸汽膜笼罩区的要快几倍到十几倍！本来，锥体上下一线之隔的厚度差异是很小的。但是，由于水的特性温度问题，使它们分别处于两个不同的冷却阶段，因此产生了很大的冷却速度差异。

图11 特性温度问题引起了冷却速度突变

为了更直观地表述这种影响，我们把冷却速度上的差异设想成有效厚度上的差异。可以说，液态淬火介质的特性温度问题使工件上厚的部分变得更厚了。随着冷却的进行，上述分界线要逐步向下移。这样，对于它所扫过的表面来说，这种厚度差异只在短时间内存在。因此，我们把它称为“由特性温度问题引起的短时厚度差异 ”，简称“短时厚度差”。短时厚度差大多发生在工件温度比较高、塑性比较好的时候。

上面谈到，为减小工件的淬火变形，我们总是设法使工件上比较厚大的部分冷却得更快一些，使薄小的部分冷却得更慢一些，以求减小冷却速度带的宽度。然而，液态冷却介质的特性温度问题的存在，却引起了相反的效果：使厚的部分冷却得更慢，而使薄小的部分冷却得更快，其间的快慢差异非常之大。这必然加大工件冷却速度带的宽度。液态冷却介质的特性温度问题的危害就在于此。冷却过程中，上述分界线出现的位置、以及该分界线移动的方向和速度，都常常随工件的形状大小、生产中的装挂方式和工件所处的位置而变。其结果，因特性温度问题引起的淬火变形的一个重要特点就是“散乱而无规律”。

淬火油的特性温度问题比水性淬火介质的小。工件的淬火加热温度一般都低于所用盐浴的特性温度，因此，用低温盐浴作淬火冷却介质，往往没有特性温度问题。这是用低温盐浴淬火能减小工件的淬火变形的重要原因之一。在水中溶入10％以上的无机盐，可以提高水的特性温度，减小短时厚度差异的作用时间，从而减小工件的淬火变形程度。这方面的详细介绍可以查看《金属热处理》2005年第一期的有关文章。

d 等温分级淬火法

等温分级淬火法，通过分段冷却，让冷得快的薄小部分减慢冷却速度，去等待冷得慢的厚大部分赶上来，从而缩短工件的冷却速度带。工件冷却过程中分级（等待）的次数越多，冷却速度带就缩得越短。在前面图8的解说中，已经用冷却速度带法对等温分级淬火法做了相应的解说。需要指出的是，通常的分级等待，虽然能缩短冷却速度带，但是它同时又使工件的冷却速度带向右移。因此，只适用于较薄小工件，或者淬透性更好的材料所制的工件。

e 注意所用措施对冷却速度带左右边界的不同作用

所有措施都通过移动冷却速度带的左右边界来改变它的宽度。但是，不同的措施移动左右边界的程度是不相同的。比如，特性温度问题一般只使冷却速度带的右边界向右移，而很少改变其左边界的位置。改变工件的形状大小时，由薄小部分的有效厚度是否改变及其改变程度，来决定冷却速度带的快端的移动方向和大小；由厚大部分的有效厚度的改变情况，来决定慢端位置的移动方向和大小。其它措施的作用，也可以根据实际情况来分析确定。

2 影响冷却速度带位置的主要因素

a 淬火介质的冷却能力大小

决定冷却速度带的位置的最重要因素，是所用淬火冷却介质的冷却能力大小。一般说，冷却能力越强，它使工件的冷却速度带左移的程度越大。相反，冷却能力更弱的介质，往往使冷却速度带向右移。当前可用的冷却介质，按它们的冷却能力大小排序，可以列成下表：

表2 常用介质的冷却能力大小排序

一般说，按表中从左到右的次序，选择左边的冷却介质，获得的冷却速度带就靠左；选择右边的冷却介质，获得的冷却速度带就靠右。表中所列水溶性介质中，改变它的浓度、配方和使用参数，还可以在一定范围调节其冷却速度大小。选用的淬火冷却介质，首先要能使工件的冷却速度带落到它的第II区上。然后还要能缩短冷却速度带的宽度，使其完全落进第II区之内。所选介质不能使工件的冷却速度带落到第II区上；随后，不管如何缩短冷却速度带的宽度，都解决不了工件的淬火变形问题，也得满足不了淬火硬度、淬硬深度等热处理要求。

b 液温、浓度和搅拌烈度

在热处理生产现场，液温、浓度和使用中的搅拌烈度，是调节水和水溶性淬火介质冷却能力的三个重要参数。对于淬火用油，虽然没有浓度调节问题，油温和搅拌烈度对其冷却能力仍有不可忽视的影响。此外，工件淬火加热时，在合理的限度内，适当提高工件的淬火加热温度，也能获得一定程度的相当于提高淬火冷却速度的效果。按照本文的思路，我们把提高冷却效果的作用称为使工件的冷却速度带“向左移”的作用。相应地，把降低冷却效果的作用看成是使冷却速度带“向右移”的作用。按这种分类方法，可以把热处理现场用来调节冷却速度带位置的措施汇总成表3。

表3 热处理现场常用控制措施的作用方向表

基本措施

作用方向

左移

右移

淬火加热温度

提高

√

降低

√

淬火油温度

提高

√

降低

√

水及水溶液液温

提高

√

降低

√

工件与介质的相对流速

增大

√

减小

√

改变今禹8-20浓度

增大

√

降低

√

自来水改成今禹8-20

√

自来水改成机油

√

机油中加入专配添加剂

√

普通油改成快速油

√

快速油改成等温分级淬火油

√

在生产现场，热处理工作者要做的事，是合理调用表中的措施，来移动冷却速度带的位置，以求解决工件的淬裂、淬硬和淬火变形问题。

3 影响因素之间的相互关系

有些人收集了许多解决淬火变形问题的经验。随后，遇到淬火变形问题时，常常设法把它们尽可能多地同时用在同一个工件的热处理中。结果，淬火变形程度时而减小，时而增大。无奈之下，只能认为这些措施“时灵时不灵”，和淬火变形“无规律可循”。这说明，在研究解决工件的淬火变形问题时，很有必要对诸多措施之间的关系做一番研究。

按照建立冷却速度带法的思路和图1划定的框架，我们把影响工件冷却速度带的位置和宽度的因素之间的关系归纳成以下四个：

(1)作用的方向性任何一个影响因素（如果加以控制，就成为一个措施），它对工件的冷却速度带（或者其边界）的作用都具有方向性，不是使冷却速度带向左移，就是使它向右移。既不使其向左移，也不使其向右移的措施，就不是调节冷却速度带的措施。

(2)作用的加和性有了作用的方向性，自然就会产生相同作用同方向的措施共同用在同一个工件上时，最终表现出来的作用与各个单独因素的作用之间的关系问题。根据我们的研究，现在初步把它们的关系确定为加和性。假定：措施a的作用为A。措施b的作用为B。措施c的作用为C。当共同使用在同一工件上时，它们的总的作用P可以用式（2）来表述：

P ＝ A ＋ B ＋ C ……………… （2）

但是，这里的相加应当是集合代数中的加（并），而不是算术上的相加关系。因为，只有用集合论中的相加关系，才能解释淬火变形问题中遇到的诸多问题。

(3)作用的相消性有了作用的方向性，作用方向相反的措施共同用在同一工件上时，它们的作用会相互抵消。我们把它叫做相消性。不了解所用措施的方向性和不同作用方向的措施之间的相消性，在解决工件的淬火变形问题时，把作用相反的措施用在同一工件上，这些措施就都不灵了！

有了前面提出的相同方向的作用的加和性，不难推测出这样的结果：不同方向的措施，只在它们的（集合代数的）相交部分，才有相消性。

(4)作用的可替代性把大家知道的抗淬火变形的措施按各自的作用方向分了类，又了解了同类措施的加和性，自然就产生了这里所说的可替代性：一套由一到几个措施组成的移动或者收缩冷却速度带的方案，可以用另一套措施组合的方案来加以替代，并得到几乎相同的效果。在热处理生产中，处理同一种工件时，不同的工厂采取的工艺参数组合往往各不相同，原因就是它们之间有可替代性。

4 是位置上的问题，还是宽度上的问题

在淬火加热或转移过程中，因相互叠压或因自重，以及受到摔碰引起的变形，属于外力引起的变形。细长或者大而薄的工件，容易发生外力引起的变形。一般说，从工件装挂与转移操作方面找原因，并加以改进，比较容易解决这类变形问题。

在分析解决内应力引起的淬火变形问题时，首先应当确定问题出在工件的冷却速度带的位置不对，还是宽度过大上。过去，不少人在解决工件的淬火变形问题时遇到过多的挫折和走了很长的弯路，原因多在没有把这个问题搞清楚。这个问题搞不清楚，不知道解决变形问题的方向，也就无法正确选择解决具体问题的措施。本文前面所举的例子中，图3的45钢齿轮的淬火变形问题、图4的60Si2Mn较厚板簧的淬火变形问题，以及图5的大行星齿轮的淬火变形问题，都属于冷却速度带的位置问题，也就是位置不当引起的问题。而图6和图8所涉及的问题，则主要是冷却速度带的宽度过大引起的问题。由于不知道问题所在，和当时不知道抗淬火变形的措施的方向性，走了弯路也是可以理解的。

按照本文表1部分所述的办法，比较容易回答这个问题。判断出问题所在后，通过调用有关的措施来移动冷却速度带的位置或者调节其宽度，使它完全落入其第II 冷速区，淬火变形问题就能得到解决。通过上面的讨论，知道了哪些是移动冷却速度带的措施，和哪些是收缩冷却速度带的措施，并且知道了各措施之间的相互关系，热处理工作者分析和解决工件的淬火变形问题就可能快捷得多了。

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发表于《机械工人》热加工2006年第2期

出现在淬火冷却中的淬火变形问题，首先应当从热处理环节，尤其是从淬火冷却中去找原因。即便引起变形的主要原因在热处理之前，首先找找热处理方面的原因，也能帮助我们确定热处理之前的原因所在的范围。何况，不少热处理之前留下的可能引起淬火变形的因素，也可以通过热处理手段加以解决。因此，我们首先从淬火冷却中寻找影响和控制工件淬火变形的因素，也就是影响工件的冷却速度带的位置和宽度的因素，并研究这些因素的特性和相互关系。

四 确定冷却速度带及其跨区情况的方法

现场热处理人日常的工作，是对已经送到热处理车间来的工件做淬火处理。这时候，按冷却速度带法，工件的第II区的宽度和位置，也就是工件承受淬火冷却速度快慢的能力已经基本确定了。我们要做的就是使工件在淬火冷却中获得的冷却速度的快慢程度，既不超过它所能承受的上限，即第II区的左边界的冷却速度；也不慢过它容许的最慢冷却速度，即第II区的右边界的冷却速度。做好了这一点，就能得到变形不超差等热处理要求。

1、确定冷却速度带的方法

通过检查工件的淬火变形、是否淬裂，以及淬火态的表面硬度值，有时候再加上工件某些部位的淬硬层深度，再依据本文表1 所列的评判标准，就可以确定实际工件的冷却速度带及其跨区情况。如果再参照该工件的端淬曲线，还可以确定该工件的冷却速度带的宽度和左右边界的位置。用这样的方法确定的冷却速度，是从最终的淬火组织来推测的“效果冷却速度”，其中并不包括获得该效果的实际冷却过程的情况。或者说，不同的实际冷却过程，也可能获得相同的效果冷却速度值。这是热处理工艺方法的多样性和不唯一性决定的。

有些情况下，用上述检查淬火态表面硬度的办法，不大容易找准快端的位置。比如，淬透性比较好的钢、渗碳工件的淬火、或者工件的形状比较复杂，加上没有发生淬火开裂等情况。这是因为，淬透性好的钢端淬曲线左端比较平缓，渗碳钢件的表面硬度比较均匀，单凭表面硬度还不大容易找到曾经经受冷却速度最快的部位。这时，更适宜用淬硬层深度来确定快端的位置。淬硬层最深的部位，就是曾经经受最快淬火冷却的部位，也就是快端所在的部位。当然，如果采用检查淬硬层深度来确定快端的位置，随后也就应当改用控制淬硬层深度的办法，来移动快端的冷却速度值。

此外，由于不同工件的实际情况千差万别，作为分析和解决淬火变形问题的通用方法，就只能是定性的方法。为此，本文所用图线上大多只有说明大小的位置关系，而不标注具体数值。

2、工件的装挂方式引起的淬火变形问题

工件淬火冷却中，装挂方式对它们的冷却速度带的位置和宽窄有较大的影响；尤其是在多个工件同炉淬火的场合。装挂方式通过影响工件周围的散热条件，介质流动情况和介质的液温分布，来影响不同部位的冷却情况。和单件淬火相比，多件同时淬火时，工件的冷却速度带往往要向右（冷却速度减慢）方偏移。而冷却速度带的慢端向右偏移通常更远些。其结果，冷却速度带的宽度也随之增大。如果采用的装挂工具不当，或者工件的间距过小，冷却速度带向右偏移过多，就可能引起部分工件超差的淬火变形。

据报导，某厂大行星齿轮的渗碳淬火变形问题，就是装挂方式引起淬火变形的典型例子。该厂生产直径600mm的20Cr₂Ni₄A 钢大行星齿轮，要求齿面做渗碳淬火。开始采用的装挂方式如图5a所示。由于两齿轮端面挨得很近，狭缝中淬火油流动不畅，不仅造成部分齿面淬火硬度偏低达 52HRC，还引起了最大1.4mm的端平面度变化。后来，通过改变装挂方式，加宽了两个齿轮端面的间距，如图5b所示，来保证端面更容易散热和淬火油能顺畅流动。结果，端面平面度变化降低到0.4mm以下，最小的平面度变化只有0.1mm。变形问题解决了，齿面硬度也整体提高到60～62HRC范围。

如果用冷却速度带法来分析这一变形问题的解决过程，容易看出：开始时因为工件装挂方式不当，降低了齿轮端平面部分的淬火冷却速度。使该部位成为冷却速度带的慢端，并且向右伸入它们的第III冷速区内，以致工件超差变形和硬度高低不均。改变装挂方式，提高了齿轮端面的淬火冷却速度后，工件的冷却速度带的慢端向左收缩，达到完全进入其第II冷速区的程度。淬火变形就得到了解决。

a）改进前
b）改进后

图5 大行星齿轮渗碳淬火的装挂方式改进前后

多个同样的工件同批淬火时，由于各工件所处的位置和环境不同，不同工件的冷却速度带的位置和宽度，以及不同工件的快端和慢端的部位，都会有所不同。这两方面的不同又将影响到不同工件的变形方式和变形程度。无疑，改变工件的装挂方式和装挂密度，可以改变不同工件的冷却速度带的位置和宽度，以及不同工件的变形方式和变形程度。因此，大生产中，工件淬火冷却时的装挂工具和装挂密度是影响工件淬火变形情况的重要因素。

3、冷却速度带横跨3个区的淬火变形问题

某厂生产一种65Mn制的切割石材用的大圆锯片基片，直径1600mm，厚度8mm，如图6所示。该工件要求的淬火硬度60HRC以上，片内不同部位的硬度差异小于3HRC。开始，该厂采用普通机油淬火，不仅淬火硬度达不到要求，还有严重的淬火变形翘曲。好在还没有发现淬火裂纹。为了提高板片的淬火硬度，决定改用有机聚合物水溶液来淬火。试生产发现，水溶液中淬火后，淬火变形更加严重。检查发现，板片边缘部分淬火硬度高达63HRC。但是，齿口部多处淬裂。片内面硬度高低不均，最低处只有39HRC。这一淬火难题困扰了该企业好几个月。后来，采用一种快速淬火油，问题才得到完满的解决。

图6 采用不同淬火介质时，大型圆锯片的冷却速度带的跨区情况

现在，用本文介绍的冷却速度带法，来分析一下该锯片的变形和开裂问题。65Mn淬透性不太好，锯片又特别大，在普通机油中淬火，不容易达到要求的淬火硬度。结果，工件的冷却速度带落到了第III区上，如图6a所示。所用水溶性淬火液的冷却速度比普通机油快得多，但它是以水为主的淬火液，不可避免地有水的两大缺点：低温冷却速度太快，和冷却特性对水温变化太敏感。垂直放在水中冷却的大锯片，就像一堵墙一样限制了水的流动。工件淬火冷却中，接触高温而被加热了的淬火介质只能沿着锯片往上升。在自动上升过程中又进一步被工件加热。结果同一板片从下向上接触的水温是越来越高。水温越高，水的冷却能力越低，使得板片的下部边缘附近获得的冷却速度很高；中间、特别是中偏上部分获得的冷却速度相当低。结果，板片的边缘、特别是下部和侧面边缘淬火硬度很高，并淬裂。这说明这些部位进入了第1冷速区。而其板片中上部分，因冷却速度较低，造成淬火硬度不足且高低不均，变形翘曲非常严重，表明这些部位进入了第III冷速区，如图5b。这样，工件的冷却速度带就横跨了I、第II和第III共三个冷却速度区。结果，在一个工件上同时出现淬火变形、淬火开裂和硬度高低不均等问题。后来，该厂改用了冷却速度远高于普通机油的快速淬火油。该快速淬火油能使锯片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷却速度低于原来使用的水溶性淬火液，又解决了淬火开裂问题。

在锯片的中上部，油温升高使油的黏度降低而流动性有所提高，可以抵消油温升高使工件与介质之间的温差减小的不利影响。加上油的冷却特性对使用范围的油温变化不敏感，其结果，板片中间部分获得的冷却速度与边缘部分基本相同。这些情况都有利于获得内外基本一致的淬火硬度，因而也有利于减小板片的淬火变形。相对于普通机油和热水，快速淬火油使工件冷却速度带的慢端从第III冷速区向左收缩。相对于水性淬火液，快速淬火油使工件冷却速度带的快端向右收缩。其结果，冷却速度带从左、右两个方向同时向第II冷速区收缩，并完全落人第II冷速区内。结果，用快速淬火油完满地解决了该类大圆锯片的淬火变形问题。

4、重新认识等温分级淬火方法减小淬火变形的原因

等温分级淬火法是减小淬火变形的有效方法。关于这类方法能减小工件淬火变形的道理，当前的国内外书刊上都有相同的图示解释。当前，等温分级淬火的介质有两类。第一类是等温分级淬火油。实际生产中，等温分级淬火油用得最多。中小模数齿轮的渗碳淬火大多采用等温分级淬火油。另一类是等温盐浴（主要是硝盐浴）。在我国热处理行业，盐浴在合金工具钢类工件的热处理中应用较广；而在结构钢类的基础件的热处理中用得很少。是不是所有的淬火变形问题都可以改用通常的等温分级淬火油而得到解决？生产经验告诉我们，答案是否定的。下面，我们将用本文介绍的冷却速度带法，重新认识等温分级淬火方法能控制工件淬火变形量的道理，并进而说明它的适用范围。

图7是当前通用的解说示意图。每个图中快慢不同的两条冷却过程曲线，分别代表工件的表面和心部的冷却过程曲线。有关的解释是热处理人共知的。

a）普通一冷到底的淬火法
b）等温分级淬火法

图7 常见的等温分级淬火法能控制淬火变形的道理分析法

按照本文介绍的方法，我们对图7做了一些改动，使它变成了图8。改动之处是：图8中用“冷却速度带的快端”代替图7中的“工件表面”，用“冷却速度带的慢端”代替图7中的“工件的心部”。作这种改动的理由是：（1）除了组织和成分均匀的标准圆球外，实际工件上都找不出哪个部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。（2）工件上参与淬火变形部位的冷却情况，也就是冷却速度带的“快端”和“慢端”的位置，决定了工件的淬火变形大小；而与根本找不到的“表面”和“心部”关系不大。（3）只有少数种类的零件要求将心部淬透。而多数零件只要求一定的淬硬层深度，过浅和过深的淬硬层都是有害的。

a）普通一冷到底的淬火法

b）等温分级淬火法

图8 冷却速度带法的分析法

图8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷却速度过高，冷却过程中，工件的冷却速度带部分或者全部进入了该工件的第I冷速区。也由于淬火冷却速度过快，工件的冷却速度带也比较宽。淬火的结果，工件淬火变形超差，但同时淬火硬度也一定很高。这种情况下，改用等温分级淬火的办法，比如采用一种等温分级淬火油来做等温分级淬火，既可能使工件的冷却速度带向右移，又可能减小工件的冷却速度带的宽度，从而使它完全落入其第II冷速区内。如图8b所示。完成这种右移的淬火油，其效果冷却速度一定比原来采用的淬火油的更低。由于油性等温分级淬火介质的效果冷却速度低，因此只适用于壁厚较小的结构钢类工件，以及淬透性较高的合金钢件。

需要说明的是，图8中所画快端和慢端的冷却过程曲线相对于TTT曲线的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷却条件下的特例，不具有普遍的代表性。

但是，如果引起淬火变形的原因是所用淬火介质的冷却速度不够快，以致使淬火工件的冷却速度带部分甚至全部落入其第 III冷速区。对这样的淬火变形问题，改用等温分级淬火油，就得不到解决。只有改用淬火冷却速度更快的冷却介质，来使工件的冷却速度带向左移入第II冷速区内，变形问题才能得到解决。许多模数较大的齿轮，特别是那些从动锥形齿轮（所谓大盘齿），用普通机油淬火引起的淬火变形问题，都不是用等温分级淬火油，而是改用快速淬火油来解决的，原因就在这里。

图9 快速淬火油与160℃硝盐浴的冷却特性对比

此外，还有一些壁厚更大，而且第II冷速区又较窄的结构钢制工件，比如一些形状复杂、壁厚相差大，以及要求严格控制淬火变形程度的较厚大工件，因为难以达到要求的淬火硬度，或者窄小的第II冷速区装不下过宽的冷却速度带，用水性介质、普通机油和快速淬火油都不能解决它们的淬火变形问题。为了控制这类工件的淬火变形，需要选用冷却速度比油快的等温分级淬火介质。当前能解决这类问题的，只有低温盐浴。图9中对比了160℃硝盐浴与冷却速度特别快的快速淬火油的冷却特性。可以看出，该硝盐浴的冷却速度在从高到低的温度范围都比快速淬火油要快。一般工件在低温盐浴中做淬火冷却，由于工件的淬火加热温度低于盐浴的特性温度，冷却过程没有蒸汽膜阶段。这一特点既可以提高工件在盐浴中的冷却速度，又可以避免特性温度所引起的冷却速度带加长。因此，用低温盐浴做等温分级淬火，既能把工件的冷却速度带向左移到第2冷速区上，又因等温分级作用和没有蒸汽膜阶段而缩短工件的冷却速度带，使它容易落入第II冷速区之内。这是更厚大的工件特别适合用低温盐浴做等温分级淬火的原因。

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