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標(biāo)題: 熱處理變形問題的解決辦法 [打印本頁]
作者: 楊帥 時間: 2012-8-6 18:57
標(biāo)題: 熱處理變形問題的解決辦法
熱處理變形問題的解決辦法
本文基于熱處理變形的機(jī)理及其影響因素，淺談熱處理變形的預(yù)防控制及后期的機(jī)加工補(bǔ)救方法。
一，導(dǎo)致熱處理變形的因素
1，碳含量及其對熱處理變化量的影響
高碳鋼屈服強(qiáng)度的升高,其變形量要小于中碳鋼。對碳素鋼來說,在大多數(shù)情況下,以T7A鋼的變形量為最小。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.7％時,多趨向于縮小;但碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.7％時,內(nèi)徑、外徑都趨向于膨脹。
碳素鋼本身屈服強(qiáng)度相對較低,因而帶有內(nèi)孔(或型腔)類的碳素鋼件,變形較大,內(nèi)孔(或型腔)趨于脹大。合金鋼由于強(qiáng)度較高,Ms點較低,殘余奧氏體量較多,故淬火變形較小,并主要表現(xiàn)為熱應(yīng)力型的變形,其鋼件內(nèi)孔(或型腔)趨于縮小。因此,在與中碳鋼同樣條件下淬火時,高碳鋼和高合金鋼工件往往以內(nèi)孔收縮為主。
2，合金元素對熱處理變形的影響
合金元素對工件熱處理變形的影響主要反映在對鋼的Ms點和淬透性的影響上。大多數(shù)合金元素,例如,錳、鉻、硅、鎳、鉬、硼等，使鋼的Ms點下降,殘余奧氏體量增多,減小了鋼淬火時的比體積變化和組織應(yīng)力,因此,減小了工件的淬火變形。合金元素顯著提高鋼的淬透性,從而增大了鋼的體積變形和組織應(yīng)力,導(dǎo)致工件熱處理變形傾向的增大。此外,由于合金元素提高鋼的淬透性,使臨界淬火冷卻速度降低,實際生產(chǎn)中,可以采用緩和的淬火介質(zhì)淬火,從而降低了熱應(yīng)力,減小了工件的熱處理變形。硅對Ms點的影響不大,只對試樣變形起縮小作用;鎢和釩對淬透性和Ms點影響也不大,對工件熱處理變形影響較小。故工業(yè)上所謂微變形鋼,均含有較多量的硅、鎢、釩等合金元素。
3，原始組織和應(yīng)力狀態(tài)對熱處理變形的影響
工件淬火前的原始組織,例如,碳化物的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布,合金元素的偏析,鍛造和軋制形成的纖維方向都對工件的熱處理變形有一定影響。球狀珠光體比片狀珠光體比體積大,強(qiáng)度高,所以經(jīng)過預(yù)先球化處理的工件淬火變形相對要小。對于一些高碳合金工具鋼,例如,9Mn2V、CrWMn和GCr15鋼的球化等級對其熱處理變形開裂和淬火后變形的校正有很大影響,通常以2.5-5級球化組織為宜。調(diào)質(zhì)處理不僅使工件變形量的絕對值減小,并使工件的淬火變形更有規(guī)律,從而有利于對變形的控制。
條狀碳化物分布對工件的熱處理變形有很大影響。淬火后平行于碳化物條帶方向工件膨脹,與碳化物條帶相垂直的方向則收縮,碳化物顆檢愈粗大,條帶方向的膨脹愈大。對于Cr12類型鋼和高速鋼等萊氏體鋼來說,碳化物的形態(tài)和分布對淬火變形的影響尤為顯著。
總之,工件的原始組織愈均勻,熱處理變形愈小,變形愈有規(guī)律,愈易于控制。
4，淬火前工件本身的應(yīng)力狀態(tài)對變形有重要影響。特別是形狀復(fù)雜,經(jīng)過大進(jìn)給量切削加工的工件,其殘余應(yīng)力若未經(jīng)消除,對淬火變形有很大影響。
5，工件幾何形狀對熱處理變形的影響
幾何形狀復(fù)雜,截面形狀不對稱的工件,例如帶有鍵槽的軸,鍵槽拉刀、塔形工件等,淬火冷卻時,一個面散熱快,另一面散熱慢,是一種不均勻的冷卻。如果在Ms以上的不均勻冷卻引起的變形占優(yōu)勢,則冷卻快的一面是凹面, 若在Ms以下的不均勻冷卻引起的變形占優(yōu)勢,則冷卻快的一面是凸面,增加等溫時間,增長貝氏體轉(zhuǎn)變量,使殘余奧氏體更加穩(wěn)定,減小空冷中的馬氏體轉(zhuǎn)變量,可使工件的變形量顯著減小。
6，工藝參數(shù)對熱處理變形的影響
無論是常規(guī)熱處理還是特殊熱處理,都可能產(chǎn)生熱處理變形,分析熱處理工藝參數(shù)對熱處理變形的影響時,最重要的是分析加熱過程和冷卻過程的影響。加熱過程的主要參數(shù)是加熱的均勻性、加熱溫度和加熱速度。冷卻過程的主要參數(shù)是冷卻的均勻性和冷卻速度。不均勻冷卻對淬火變形的影響與工件截面形狀不對稱造成的不均勻冷卻情況相同,本節(jié)主要討論其它工藝參數(shù)的影響。
二，熱處理變形的預(yù)防與控制方法
1) 反向壓彎法：根據(jù)軸類零件的熱處理變形規(guī)律，可在淬火前預(yù)加一個應(yīng)力，即在零件彎曲方向的反向壓彎，以補(bǔ)償淬火后所產(chǎn)生的彎曲變形，可減小校直工作量。適用于截面明顯不均勻，變形嚴(yán)重的零件。
2) 靜態(tài)淬火法：要求淬火冷卻液的溫度要均勻，并且是在淬火前剛被攪勻后的靜止?fàn)顟B(tài)。將零件用鉗子夾住，淬入冷卻液中。這種方法可比用鉛絲吊扎懸掛淬入變形量要小得多。
3) 零件設(shè)計均勻?qū)ΨQ：零件的截面形狀設(shè)計應(yīng)盡量均勻?qū)ΨQ,必要時可開工藝用槽。例如，鏜桿上有兩條對稱的槽，實際上只用一條，另一條就是為了減小熱處理變形而設(shè)計的。
4)采用專用淬火夾具淬火：如果零件截面是對稱的，在出爐后可套入專用夾具，然后以垂直方向淬入冷卻液。由于零件變形受到夾具的限制，一般都可以控制在預(yù)留余量范圍以內(nèi)。
5)利用埋入式鹽浴爐加熱：插入式鹽浴爐加熱,零件單面受熱快,容易產(chǎn)生彎曲變形,而埋入式鹽浴爐則溫度較均勻，而且節(jié)能,也可采用流動粒子爐。
6)直吊橫放：對于長零件淬火前后的存放,應(yīng)注意不使零件因自重而彎曲,最好采用架子直吊。長途運輸時，可采用多個塑料氣墊包，這樣不但能使零件自動取得平衡,且有減震作用。
7)淬火前消除應(yīng)力：用于重要的容易變形的零件，例如精密長絲桿等。淬火前進(jìn)行退火或正火以細(xì)化晶粒并使組織均勻化，減少內(nèi)應(yīng)力。淬火加熱時嚴(yán)格控制加熱溫度。
三，熱處理變形的機(jī)加工糾正方法。
以滲碳淬火齒輪軸為例，在滲碳前和淬火后的加工余量按標(biāo)準(zhǔn)很大,直接磨齒即不經(jīng)濟(jì)又不方便,硬度大,有什么方法直接加工呢？
采用非金屬粘合劑HLCBN刀具BN-S20牌號可對淬硬工件，進(jìn)行大余量一次走刀加工完成，BN-S20牌號超硬刀具能夠大余量切除淬硬層，替代大余量粗磨加工，可省去退火后再進(jìn)行二次淬火的傳統(tǒng)加工方法，節(jié)約了加工費用和相應(yīng)的工序成本，并大幅度提高生產(chǎn)效率。
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作者: 十三不靠 時間: 2012-8-6 19:52
想提前預(yù)知變形方向和變形量還是比較困難的.
作者: 武漢老虎 時間: 2012-8-6 21:33
生產(chǎn)中的淬火變形一直給工廠帶來大量的損失。淬火變形的產(chǎn)生，從理論上說，當(dāng)然與熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的影響有關(guān)，但是，在分析和解決實際工件的淬火變形時，這種理論卻很難做到具體應(yīng)用。至今，尚沒有用來分析和解決工件淬火變形問題的實用的系統(tǒng)方法。熱處理行業(yè)期待的是能用來分析和解決實際工件淬火變形的系統(tǒng)而實用的方法。以此為目標(biāo)，本文發(fā)展了一種以鋼的端淬曲線為依托，從檢測出發(fā)生變形的工件上的硬度差異入手去分析和解決工件淬火變形問題的方法，我們把它叫做"硬度差異法"，供熱處理行業(yè)采用并探討。
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一、本新方法的適用范圍4 U8 ]$ F1 E) b* `/ N) R; o
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工件發(fā)生了淬火變形，指的是工件上某些部位發(fā)生了超過圖樣公差的變形。本文把工件上發(fā)生變形的部分和與之相關(guān)連的部位合稱為該工件的參與淬火變形部位。參與淬火變形部位指的是工件上多個部位的總體，須根據(jù)實際工件的(變形)情況來確定。在已發(fā)生淬火變形的工件上，參與了淬火變形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明顯差異。硬度差異反應(yīng)出這些部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(即組織)之不同。由于不同的組織有不同的比容，比容差本身及其在淬火過程中的作用必然對淬火后的變形有直接的影響。由于這樣的原因，本文把最終發(fā)生了淬火變形的工件分為兩類。第一類:因裝爐時的沖撞，淬火加熱中工件的裝掛或堆放不當(dāng)，以及出爐轉(zhuǎn)移到淬火介質(zhì)過程中所受的外力或自重引起的變形。這類變形容易從操作方法和裝掛方式入手去解決。第二類：工件參與淬火變形部位有明顯或不明顯的硬度差異，也可能伴有淬火開裂。在第二類情況下，引起變形的原因既有淬火冷卻過程中的應(yīng)力作用，也有轉(zhuǎn)變產(chǎn)物比容差之最終的影響。3 g2 T+ N8 j u
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本文提出的概念和方法，僅限于用來分析和解決第二類淬火變形問題。% A) U. A* ?' [, h: y. f
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二、淬火變形工件的冷卻速度帶及減小變形的努力方向
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) n: \% U3 c* f" [作為本方法的基礎(chǔ)，先引進(jìn)淬火變形工件的硬度-冷速曲線、冷卻速度帶及其跨區(qū)等概念。$ ]# [, O6 p9 b- _! M
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１．硬度-冷速曲線的分區(qū)及其與淬火變形的關(guān)系# F, ]5 C. b+ P0 A
; g' o: J# k5 Y$ {+ D圖1是有代表性的頂端淬火曲線示意圖。為適應(yīng)本文的需要，我們將下方的橫座標(biāo)定為冷卻速度，并按冷卻速度大小和淬火態(tài)硬度分布，將端淬曲線分成四個區(qū)(如圖1所示)。這樣的曲線，我們把它叫作硬度-冷速曲線。
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& s6 }% H6 {; X! K( T在圖1劃出的第Ⅰ冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速過快，可能產(chǎn)生淬火變形或淬裂。
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6 T. B7 ~/ ?# I" B8 z7 _" @第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)淬火，冷卻速度適當(dāng)，工件可以充分淬硬。硬度均勻說明可能參與淬火變形部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物基本相同，因此，工件淬火冷卻中可能引起淬火變形的過程中的應(yīng)力也不會很大。結(jié)果，最終的淬火變形也就相當(dāng)小，通常能屬于控制變形的最佳壯態(tài)。故本文把第Ⅱ冷速區(qū)叫做微變形區(qū)。
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( k6 E% o0 Z/ v; v在第Ⅲ冷速區(qū)內(nèi)淬火，由于硬度-冷速曲線走勢很陡，如圖1所示，工件上參與變形部位之間的較小冷速差都會引起相當(dāng)大的硬度變化，也即轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相當(dāng)大的組織差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速區(qū)淬火時，可能引起淬火變形的因素既有過程中的，也有最終的。這就是在此區(qū)淬火變形大的原因�？偲饋碚f，在此區(qū)淬火后變形大，硬度高低不均，且硬度不足。
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在第Ⅳ冷速區(qū)，即過慢冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件上可能參與淬火變形部位獲得的冷速很低，各部位間溫差小，加上各部位都遠(yuǎn)未淬硬，最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也基本相同，故變形小。
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2．工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶, \& Z. Y' h$ D9 E4 r
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變形工件上參與變形的各部位之間得到的冷卻情況不同，是造成最終淬火變形的原因。實際工件是個實體，它上面參與變形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲線上一定范圍內(nèi)。本文把這些不同冷速所達(dá)到的范圍叫做該工件在所經(jīng)受的淬火條件下參與變形部位的冷卻速度帶，以下簡稱為該工件的冷卻速度帶。工件上參與變形部位間的冷卻速度相差小，它的冷卻速度帶就窄；相反，它的冷卻速度帶就寬。! G. ~$ ]3 Y8 E( G+ K; G
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冷卻速度帶的確定方法：拿到一個發(fā)生了淬火變形的工件，首先找到它上面發(fā)生了淬火變形的部位，再連同其相鄰或相關(guān)的部位，合而成為該工件上參與淬火變形部位。接著檢查參與變形部位內(nèi)外表面的硬度，并憑測出的最高和最低硬度值在所用鋼種的硬度-冷速曲線圖上找到兩個相應(yīng)的冷卻速度值，把這兩個冷卻速度值水平連接起來，即構(gòu)成該工件的冷卻速度帶。舉例來說，有一筒狀工件，50Cr材質(zhì)，經(jīng)770℃加熱后水淬1.5秒再轉(zhuǎn)油冷。淬火后未發(fā)現(xiàn)淬裂，但有明顯的變形:兩端孔徑增大，呈雙頭喇叭形，如圖2所示。因工件形狀簡單，且變形牽涉面大，可以把整個工件都看成參與變形部位。檢查該變形工件內(nèi)外表面的硬度后發(fā)現(xiàn)，筒兩端硬度約55HRC，而內(nèi)孔中部只有35HRC。從手冊上查出50Cr鋼的端淬火曲線，取其中線作出本工件的硬度-冷速曲線。由淬火硬度最高的端頭部位(B)之55HRC找到冷速點b。再由淬火硬度最低的筒內(nèi)中間部位(A)之35HRC找到冷速點a。連接a、b兩點的帶ab即為該工件的冷卻速度帶。按照相似的方法步驟，可以畫出其它淬火變形零件的冷卻速度帶。需要說明的是，如果工件上有內(nèi)孔(或凹陷部位)而且在該部位或鄰近部位發(fā)生了淬火變形，則該部位就屬于參與變形部位，在確定該工件的冷卻速度帶時，就需要將該工件的內(nèi)孔或凹陷部位剖切開，測量該部位的表面硬度。
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圖2 由參與變形部位的最高和最低淬火態(tài)硬度值確定工件的冷卻速度帶7 N/ s3 f% u2 n4 p
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3．冷卻速度帶的跨區(qū)情況
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實際生產(chǎn)中，不同工件的鋼種、形狀大小、熱處理條件以及工藝方法有很大差異，它們的冷卻速度帶必然有寬有窄。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較窄時，可能只落入某一個冷速區(qū)，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速區(qū)，相應(yīng)的變形情況如圖1所示。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較寬時，往往要跨越兩個甚至兩個以上的冷速區(qū)。比如，圖2所舉的例子，工件的冷速帶就跨越Ⅱ、Ⅲ兩個冷速區(qū)。又如，有一種65Mn制的大圓鋸片，直徑1600mm，厚8mm，在專用的槽式電阻爐中垂直懸掛加熱后，直接放入有循環(huán)攪動的淬火槽中淬火，淬火液為一種聚合物水溶液，水溫約25℃。淬火后工件有相當(dāng)嚴(yán)重的翹曲變形。出槽后檢查發(fā)現(xiàn),圓鋸片邊沿齒口部位有幾處淬裂。硬度檢查結(jié)果,邊沿部分(B)最高硬度62HRC，而近中間部位(A)的硬度最低為30HRC。對于這樣薄而大,變形嚴(yán)重的工件,也宜把工件之整體都看成參與變形部位。! G) ?, l7 f7 s Q- S9 A! u* ~
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按前述方法，如圖3,確定該圓鋸片的冷卻速度帶ab。由于該圓鋸片邊沿齒口處已淬裂，說明該部位已進(jìn)入第Ⅰ冷速區(qū)。而在近中間部位淬火態(tài)硬度只有30HRC，未淬硬，說明該部位已進(jìn)入第Ⅲ冷速區(qū)。這樣,整個圓鋸片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個冷速區(qū)。對于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷卻中跨越三個冷速區(qū)，就很容易發(fā)生嚴(yán)重變形。" p6 D6 [, A/ ^; X
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圖3 65Mn大圓鋸片的冷卻速度帶跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)
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( Y2 P" G, U+ _3 ?0 B$ V; q4．減小工件淬火變形的努力目標(biāo)- ?0 i; u2 z P9 u# U' z0 Z/ R
% v7 {3 J: |% p/ s+ x通常，對工件淬火效果的要求是：獲得高而且均勻的淬火硬度、足夠的淬硬深度、不淬裂且無淬火變形。顯然，按本文的分析原理和方法，只有當(dāng)工件上參與變形部位的冷卻速度帶落入第Ⅱ冷速區(qū)，才能獲得這種淬火效果。據(jù)此本文減小工件淬火變形的措施和方法，均以使工件上參與變形部位的冷卻速度，即該工件的冷卻速度帶完全落入其第Ⅱ冷速區(qū)為努力目標(biāo)。實現(xiàn)這個目標(biāo)，就可以控制變形。以下歸納的做法都是以此為目標(biāo)的措施。7 D1 X4 m/ |9 B4 t- U' I+ M* z, [
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5．對硬度差異法的解釋6 A' u: E3 H- Q7 p. u" p! b1 i
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眾所周知，淬火變形是鋼件淬火冷卻中的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力共同作用的結(jié)果。這里所說的工件的冷卻速度帶的寬窄，反應(yīng)的正是這種共同作用的大小。共同作用力大的，其冷卻速度帶寬，該共同作用力就大，而冷卻速度帶窄的，該作用力就小。而工件的硬度-冷速圖線上第II區(qū)的寬窄，反應(yīng)的是該工件的變形要求。變形要求嚴(yán)的，第II區(qū)窄；變形要求松的，第II區(qū)寬。使工件的冷卻速度帶完全落入其第II區(qū)中，也就是把該工件淬火冷卻中的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的共同作用力的大小控制在不引起超差變形的范圍。硬度差異法從工件淬火態(tài)硬度差異入手去分析解決變形問題，其本質(zhì)上就是通過控制這種硬度差異的大小和范圍來控制工件淬火中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的復(fù)合作用大小，從而控制淬火變形。
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三、減小淬火變形的改進(jìn)方向
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# c( A; v$ u$ Q5 F& @- {& B1．整體移動冷卻速度帶/ j5 p3 G1 w4 W* G
. `$ z% [( U/ i }' y8 o$ z' x通過整個提高或降低淬火冷卻速度等措施，使工件的冷卻速度帶整體移入該工件的第Ⅱ冷速區(qū)。這種方法適用于工件的冷卻度帶比較窄，發(fā)生淬火變形的原因是其冷卻速度帶整個或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速區(qū)。- o; |: m2 B* M1 n s5 a C2 v# t
) r1 U2 v' o& j" W' N W; o$ U# n* x) k當(dāng)工件上有局部或全部參與變形部位淬火硬度偏低時，說明該部分淬火冷速進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)。按照上面提出的解決辦法，為消除這種淬火變形，可以采取提高整個工件的淬火冷卻速度，適當(dāng)提高淬火加熱溫度，以及改用淬透性更好的鋼種制做該工件等措施之中的一個或幾個，就可以使該工件的冷卻速帶發(fā)生移動并進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，從而消除該淬火變形。
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1 d Q5 {; F( r6 Q$ A% l' D當(dāng)工件發(fā)生變形且淬火硬度高或同時發(fā)現(xiàn)有淬裂，說明部分或全部參與淬火變形部位進(jìn)入了該工件的第Ⅰ冷速區(qū)。解決這類變形問題的措施有降低該工件的淬火加熱溫度，降低整個工件的淬火冷卻速度以及改用碳量及合金元素含量稍低的鋼種等，目的在使工件的冷卻速度帶整個移入第Ⅱ冷速區(qū)。
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+ a1 l* ^, O$ A4 u例如，某汽車板簧件采用13%的今禹8-20水溶液，在液溫25℃時淬11×75mm的60Si2Mn鋼板，出槽后發(fā)現(xiàn)有高達(dá)4mm的側(cè)彎變形和相當(dāng)大的弧高變化。起初，有關(guān)人員分析認(rèn)為，是淬火應(yīng)力(熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力)過大引起。因此,采取了降低淬火應(yīng)力的方法：適當(dāng)降低淬火加熱溫度，提高淬火液液溫，并停止淬火機(jī)的擺動以減小相對流速，甚至曾一度將今禹8-20的濃度提高到15%。所有這些措施，都在降低板簧片的淬火冷卻速度，都想減小淬火應(yīng)力來消除淬火變形。但結(jié)果與希望相反，板簧片的變形更大且仍然無規(guī)律可循，同時，鋼板的淬火硬度更低，根本不能滿足熱處理要求。
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后來，用本文所述的方法分析該批板簧的淬火變形，發(fā)現(xiàn)淬火硬度不足且高低不均，大約在28～52HRC之間，其冷卻速度帶正好落在第Ⅲ冷速區(qū)，如圖4所示。按前面提到的原則和方法，解決這一變形問題的措施就不是設(shè)法降低淬火冷卻速度,而是提高淬火冷卻速度，以便使該板簧片的冷卻速度帶整體向左移入其第Ⅱ冷速區(qū)。具體的做法是，向淬火槽中補(bǔ)加自來水，將今禹8-20的濃度降到10%，并在淬火過程中使淬火機(jī)不停地擺動，以便進(jìn)一步提高淬火冷卻速度。結(jié)果，在其它工藝方法保持不變的情況下，同批板簧片淬火后的變形(側(cè)彎和弧高變化)極小，同時淬火硬度都在59～61HRC內(nèi)，沒有淬裂，完全滿足了工藝要求。3 R5 Z# w1 _- Y' v
- t8 }8 ]. ~% y5 I1 s6 _+ K# W3 p圖4 移動冷卻速度帶消除板簧片的淬火變形
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2．使冷卻速度帶收縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)
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當(dāng)變形工件的冷卻速度帶跨越兩個以上冷速區(qū)時，解決淬火變形問題的辦法就是使工件上參與變形部位中原來冷速過快(因而發(fā)生淬裂、變形)的部分淬火冷速降低，相當(dāng)于使工件的冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)的左端部分向右收縮，達(dá)到左端頭也進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)；使工件上參與變形部位中硬度不足或硬度過低部位的淬火冷速提高，以使其冷卻速度帶向右伸出第Ⅱ區(qū)的部分向左收縮，也進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。
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; c6 Z v# I% \0 _例如，圖3所示的大圓鋸片，它的冷卻速度帶跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個冷速區(qū)，因此，采取的消除變形措施應(yīng)能使其冷卻速度帶的兩端同時向中間收縮，直至全部落入其第Ⅱ冷速區(qū)。經(jīng)分析，該圓鋸片外沿齒間底部發(fā)生淬裂，是在淬火冷卻中該部位受到過激的水流沖刷的緣故。解決這一部分(即冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)那一段)的淬裂變形的措施是設(shè)法使該部位不受水流沖擊，可以在淬火槽中安裝護(hù)板或改變淬火液循環(huán)流動的分配方式，其目標(biāo)都是使原來冷卻太快的外沿部分的冷卻速度降低至不發(fā)淬裂的程度。而對于圓鋸片上近中間部位，淬火硬度偏低說明其受到的冷卻不足。分析這些部位冷速不足的原因發(fā)現(xiàn)，在淬火冷卻過程中這些部位長期被流動緩慢的熱水包圍。由于鋸片很大，從下至上做上升流動的熱水達(dá)到鋸片中間部位時液溫已相當(dāng)高，使圓鋸片近中心部位有較長時間在蒸氣膜及熱水籠罩之下，加上該部位實際的有效厚度又遠(yuǎn)比邊沿部位大，使這些部位得不到足夠的淬火冷速，淬火硬度自然偏低。又由于上升過程中形成的熱水區(qū)的液溫分布相對于圓鋸片是不穩(wěn)定和不規(guī)律的，故淬火后圓鋸片的變形大而沒有規(guī)律性。解決這些部位淬火冷卻速度不足的辦法，是根據(jù)圓鋸片在槽中的位置，安設(shè)足以使其近中間部位獲得適當(dāng)水流沖擊來加快散熱，提高冷速，使這些部位對應(yīng)的冷速帶右端向左收縮，直至進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。由于這類大圓鋸片多是專業(yè)廠生產(chǎn)，生產(chǎn)裝置是專用的，通過適當(dāng)?shù)脑囼灨倪M(jìn)，最終實現(xiàn)使圓鋸片的冷速帶從左、從右同時收縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)，從而消除淬火開裂、變形和中間部剛度不足等問題，可以收到一勞永逸的效果。
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四、調(diào)節(jié)冷卻速度帶的基本措施
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從前面的討論中可以看出，解決變形問題的途徑，實質(zhì)上是針對具體情況，應(yīng)用一些能調(diào)節(jié)冷卻速度帶的措施，以實現(xiàn)工件冷卻速度帶的移動和收縮，使其完全進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)。在熱處理生產(chǎn)中，可以采取的基本措施大致有:改變淬火加熱溫度，改變工件局部冷卻狀況，改變淬火介質(zhì)的溫度、濃度和流動情況，改換淬火介質(zhì)，以及適應(yīng)鋼材化學(xué)成分和質(zhì)量波動情況，直至改換鋼種和改變工件外形設(shè)計等幾類。在生產(chǎn)中根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用其中的一類或幾類方法，通�？山鉀Q本文所指的淬火變形問題。以下對各類基本措施分別加以說明。
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' V7 S: l: j9 g" I1．改變淬火加熱溫度, q& j& |9 y* Y, t( b% C# k
O7 s Z& {3 K: E8 W- B% j當(dāng)工件的冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)時，適當(dāng)降低工件的淬火加熱溫度，可以使工件的冷卻速度帶的左端向右方發(fā)生一定量的收縮。這類措施中也包括局部降溫后淬火。當(dāng)工件的冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)時，適當(dāng)提高整個工件或工件上局部區(qū)域的淬火加熱溫度，可以使其冷卻速度帶的右端向左做一定量收縮。如果原來的淬火加熱保溫不足，則延長保溫時間，也有同樣效果。
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2．淬火冷卻介質(zhì)上的變換
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% M" P+ u3 {% U) c3 i# Z5 b3 U$ I從淬火介質(zhì)上想辦法，以求減小工件的淬火變形，早已為熱處理現(xiàn)場采用。本文采取的辦法與習(xí)慣辦法之不同，主要在兩點上。第一，本文改變淬火介質(zhì)使用狀況或改換淬火介質(zhì)品種等辦法，是以前面建立的原則和方法為指導(dǎo)來進(jìn)行的。第二，過去習(xí)慣的做法，調(diào)整淬火介質(zhì)及使用狀況的目標(biāo)，往往限于降低淬火冷卻速度，以求降低淬火冷卻過程的內(nèi)應(yīng)力。而本文的方法，是按工件冷卻速度帶的跨區(qū)情況而定的，既有以降低淬火中的應(yīng)力為目標(biāo)的降低淬火冷卻速度的措施，更有提高淬火冷卻速度的措施。事實上，工件的淬火變形，大多是工件上參與變形部位的冷卻速度不足即進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)引起的，因而需要以提高冷卻速度的辦法來解決這類工件的淬火變形問題。采用這種措施提高的是工件相對于淬火介質(zhì)的冷卻速度，即對外的冷卻速度，而在工件內(nèi)部參與變形部位之間卻因全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)而使相對差異減小，所以最終能減小工件的內(nèi)應(yīng)力，從而減小淬火變形。( X, Z0 l* q, [& w9 J
7 W# f: O1 o( w5 ?$ Z! P3 L在可以采用的淬火介質(zhì)中，自來水冷卻太快，會使許多鋼種淬裂并發(fā)生淬火變形。遇到這種情況，改換成機(jī)油，淬火冷速大大降低，通�？梢苑乐惯@類淬裂及變形。這是眾所周知的辦法。由于自來水與機(jī)油的冷卻速度相差很大，不少鋼件在水中淬裂、變形，而在機(jī)油中卻淬不硬且發(fā)生變形。
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在自來水中加入適量水溶性淬火劑，可以在一定程度上降低自來水的冷卻速度。而以礦物油(機(jī)油)為基礎(chǔ)做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。這些都為控制淬火變形提供了條件。
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有些水溶性淬火劑可以通過調(diào)節(jié)濃度來改變水溶液的冷卻速度。以PAG淬火液為例,15%時的300℃冷速約為20℃／s，相當(dāng)于某些超速淬火油。而濃度為9％時的300℃冷速約為50℃／s，相當(dāng)于飽和氯化鈣水溶液。而當(dāng)濃度降低至5～7％時，300℃冷速增大至70～80℃／s，就與所謂的三氯或三硝淬火液相當(dāng)了。于是，可以通過提高淬火液濃度使工件的冷速帶向右移，也可以通過降低淬火液濃度來使工件的冷速帶向左移。本文圖2所舉的淬火變形例，其產(chǎn)生淬火變形的原因是工件冷卻速度帶的右端伸入了第Ⅲ冷速區(qū)。具體的說，當(dāng)進(jìn)行水淬時，該工件的兩端冷得快而避開了其過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的"鼻尖"位置，隨后在油中繼續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變成了馬氏體。但是，筒體內(nèi)面近中間部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置對應(yīng)的溫度，因此，在隨后的油冷中產(chǎn)生了相當(dāng)量的非馬氏體組織。解決這一淬火變形的辦法，是改用6％的PAG淬火液做單液淬火，一冷到底，且在淬火冷卻中使淬火液做適當(dāng)循環(huán)流動，以提高筒體內(nèi)部的冷卻速度。這一解決辦法，實現(xiàn)的是使冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)的部位向左收縮進(jìn)其第Ⅱ冷速區(qū)。采用這種做法后，淬火操作簡化了，淬火硬度高而均勻，沒有淬裂，淬火變形消失了。 [5 w/ w3 n! K
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好的水溶性淬火液，其淬火冷卻的高溫冷速大多較高，即蒸氣膜階段較短且不穩(wěn)定。因此，評價水溶性淬火液的冷卻特性，主要看它的300℃冷卻速度。淬火油多有較長且相當(dāng)穩(wěn)定的的蒸氣膜階段，因此，評價油的冷卻特性應(yīng)當(dāng)看的是整個冷卻速度分布，包括蒸氣膜階段長短、最高冷速大小和出現(xiàn)最高冷速的溫度高低、以及對流開始溫度等。不能單以其最高冷速的大小來評價油的冷卻能力。從冷卻速度曲線上容易看出，所謂"最高冷卻速度"只存在一瞬間，對工件的淬硬效果作用不一定大。1 o( t/ E; B' q3 Q& T" \( c- i" i" p
9 R, v8 q- h& _1 `+ ^9 O普通機(jī)油的冷卻速度慢，因此，在其中淬火后有超差變形的工件，其淬火冷卻速度帶大多伸入甚至整個落入第Ⅲ冷速區(qū)。遇到這種情況，將原用的機(jī)油改換成有適當(dāng)冷卻速度分布的快速淬火油，或者在現(xiàn)有的機(jī)油中加入適當(dāng)?shù)挠透男蕴砑觿┇@得同樣的冷卻速度分布，以便工件在其中淬火時使冷卻速度帶發(fā)生左移或向左收縮，最終全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，便可以解決這類淬火變形問題。在決定是選用水性介質(zhì)還是淬火油時，還必須考慮液溫變化對淬火冷卻特性的影響。對淬火油而言，在一定范圍內(nèi)提高油溫，油的冷卻特性基本不變。在允許的使用溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高油溫，還會使油的蒸氣膜階段有所縮短，冷卻能力相應(yīng)有所增大。油溫過低，油的粘度增大，流動性變差，冷卻能力會降低。有些工廠有這樣的經(jīng)歷，冬季新開爐時，油溫很低，工件的淬火變形大且淬火硬度不足。這是工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)的緣故。遇到這種情況，設(shè)法提高油溫，比如使油溫升到50～80℃再淬同類工件，由于冷卻速度提高，工件的冷卻速度帶左移至全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，淬火變形就消失了，淬火硬度也達(dá)到了工藝要求。3 ]7 n: k4 N$ I; @( {( }. h* ~, c3 h
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與油相反，在水性介質(zhì)中淬火時，提高水溫會降低淬火冷卻速度。降低的程度與介質(zhì)的品種、使用的濃度和當(dāng)時的水溫有關(guān)。當(dāng)變形工件的冷速帶伸入其第Ⅰ冷速區(qū)時，適當(dāng)提高水溶液的液溫，可以使其冷卻速度帶稍向右移。又當(dāng)水溶液溫度過高，淬火冷卻速度不足，工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)而引起變形時，適當(dāng)降低水溫則有使其冷卻速度帶左移的作用。
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4 e7 X2 f q i" G' E1 t當(dāng)然，對于以水為基的淬火液，采取降低和升高水溫來調(diào)節(jié)工件的冷卻速度帶時，水溫的變化范圍是比較窄的。降溫以不發(fā)生凝固為限，而升溫以60～70℃為限。水溫太高，淬火冷卻的蒸氣膜階段過長，使水溶液冷卻能力大減，會使工件的淬火硬度不均勻。" t! g: {) R! M+ N. s5 [
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前面圖3所舉大圓鋸片的例子中,采用水溶液時邊沿齒口部淬裂，而近中間部位又淬不硬。邊沿部位水溫低，又受沖刷，冷卻速度過快，是邊沿缺口部位淬裂的原因。圓鋸片中間部位水溫遠(yuǎn)比邊沿部位高，相應(yīng)地淬火冷卻速度低，是這些部位淬不硬并從而引起變形的原因。對于這樣的淬裂與變形問題，除采取前述在邊沿部位加護(hù)板，降低冷速，同時在中間部位安設(shè)噴水管適當(dāng)分配水流來提高冷速外，還可以采用專配快速淬火油代替現(xiàn)用的水溶性介質(zhì)，也能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。專配快速淬火油可以解決該圓鋸片淬裂和變形問題的原因是，這種油的淬火冷卻速度比普通機(jī)油快,可以使8mm厚的65Mn圓鋸片中間部位淬硬。又由于專配淬火油的冷卻速度遠(yuǎn)比水和水溶液低，可以保證該工件不發(fā)生淬裂。關(guān)于中間部位的淬硬問題，由于油的冷卻速度隨油溫升高能有所提高，與接近中間部位的實際厚度比邊沿大正好相匹配，也能保證淬硬。從該圓鋸片的冷卻速度帶的跨區(qū)情況看，改用專配快速淬火油后，和用水溶液相比，鋸片的冷卻速度帶變窄了；邊沿部位對應(yīng)的冷卻速度帶從第Ⅰ冷速區(qū)縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)；而近中間部位對應(yīng)的冷速帶卻向左收縮進(jìn)入其第Ⅱ冷速區(qū)。最終獲得淬硬不裂且變形小的淬火效果。/ V3 T7 v; D+ e. C
; \2 I5 b) [% o- R9 K) ]$ y/ ?3．改善工件的局部冷卻狀況
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在工件上冷速過快的部分加冷的或熱的附板以減少這些部位的淬火冷卻速度，可以使工件冷卻速度帶伸入第Ⅰ冷速區(qū)的部分向右縮進(jìn)第Ⅱ冷速區(qū)。相反，當(dāng)工件上某些參與淬火變形部位冷速過慢時，又可以通過向這些部位多分配些液流，以增大冷速，使這些部位對應(yīng)的、伸入第Ⅲ冷速區(qū)的冷卻速度帶向左收縮，進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。本文圖3所舉大圓鋸片用水溶性淬火液淬火中，就是同時采取了在圓鋸片外沿加冷附板和向圓鋸片近中間部位多分配水流的方法來解決的淬裂、淬硬和變形問題。另外，有一種20Cr汽車后橋齒輪，滲碳后直接在機(jī)油中淬火，發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重變形；內(nèi)孔漲大、失圓，內(nèi)外圓翹曲，公法線長度變化，使產(chǎn)品合格率很低。剖切取樣測量其內(nèi)外表面的硬度發(fā)現(xiàn)，滲碳的齒面硬度58～61HRC,未滲碳的內(nèi)孔側(cè)面淬火硬度不均,壁厚處約20HRC,壁薄處約30HRC，如圖5所示。
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圖5 汽車后橋齒輪的淬火變形及未滲碳部分的冷卻速度帶
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5 C5 u" ]& C9 p8 s考慮到該齒面淬火硬度已足夠高，無淬裂，說明該工件滲層部位已落入第Ⅱ冷速區(qū)，因而把研究的目標(biāo)集中到齒輪的內(nèi)側(cè)面。內(nèi)側(cè)面未滲碳，取20Cr鋼的端淬曲線中間值，畫出其硬度-冷速分區(qū)圖，由于硬度曲線隨冷速降低變化很大，按本文后面將提到的原因，20Cr鋼屬易變形鋼種，其第II冷速區(qū)很窄。工件內(nèi)側(cè)對應(yīng)的冷卻速度帶大部分落入其第Ⅲ冷速區(qū)。& V! H3 d) a( a2 B
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根據(jù)這種分析可以判定，該齒輪發(fā)生淬火變形的原因，主要是淬火中內(nèi)側(cè)部位冷速不足。在生產(chǎn)中造成內(nèi)側(cè)冷速慢的原因是，滲碳中工件串堆太高，且掛具底板上無通孔，淬火時串堆的齒輪已相當(dāng)于一個平底杯子，底朝下淬入油中。由于"杯"內(nèi)油的流動性不好，"杯"的內(nèi)側(cè)散熱慢，內(nèi)側(cè)表面較長時間受蒸氣膜籠罩，結(jié)果造成齒輪內(nèi)外過大的冷速差，從相應(yīng)的冷速帶看，外面齒部在第Ⅱ冷速區(qū)，而內(nèi)面在第Ⅲ冷速區(qū)。, f4 d9 B; d! ]6 z
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又因串堆在一起的齒輪有的在"杯口"，有的在"杯中間"，有的在"杯底"，冷卻情況差別較大。結(jié)果，各個齒輪的變形情況又有不同，使得該工件的變形很不規(guī)律。串堆的齒輪越多，這種差別也越大。解決這種淬火變形的措施共三項：
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9 m' I S, N3 d# B7 e7 E0 C @⑴ 改用蒸氣膜階段較短的專用快速淬火油，以加快"杯"內(nèi)的冷卻速度；
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⑵ 適當(dāng)減少串堆齒輪件數(shù)(即"杯"的高度)，以減少串堆中不同部位的冷速差異；3 k M9 ]; S& W( G% L% `
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⑶ 在掛具底板上多開通孔，以加快"杯"內(nèi)淬火油的循環(huán)流動。采取這些措施后，該類齒輪的淬火變形問題得到了解決。& C" l, F- {& _* p3 d3 c
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4．馬氏體分級淬火控制淬火變形# D& r# g' R$ G1 Z" a1 c
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馬氏體分級淬火能控制淬火變形的原因，通常用圖6到圖8加以說明。圖6是普通淬火工藝的示意圖，由于是一冷到底，工件表面和心部的冷卻進(jìn)程相差很大，因此工件的內(nèi)應(yīng)力大，淬火變形也就大。6 R, S, L. u4 s
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圖7是高于Ms點的馬氏體分級淬火工藝的示意圖，由于經(jīng)過高于Ms點溫度的分級處理，工件表面和心部的溫度基本一致，再緩慢冷卻，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，工件內(nèi)外溫差大大減小，結(jié)果，淬火變形也小。圖8是低于Ms點的分級淬火工藝的示意圖，其減小淬火變形的原因與圖7的解釋基本相同。+ X* O& p. W* e8 _8 d$ g
; c& t8 f% J! S+ d" s按照本文提出的方法，馬氏體分級淬火控制淬火變形的原因，應(yīng)改用工件冷卻速度帶的位置和寬度來加以說明。圖9是對普通淬火的工藝的分析。1 B; Z n6 L9 U. p5 N" f% S2 g: I
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圖6 普通淬火的工藝示意圖
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圖7 高于Ms點的工藝示意圖& W f" n* {$ V% P
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圖8 低于Ms點的工藝示意圖
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9 N+ m6 p1 E* K/ ^4 y前面圖3所舉大圓鋸片的例子中,采用水溶液時邊沿齒口部淬裂，而近中間部位又淬不硬。邊沿部位水溫低，又受沖刷，冷卻速度過快，是邊沿缺口部位淬裂的原因。圓鋸片中間部位水溫遠(yuǎn)比邊沿部位高，相應(yīng)地淬火冷卻速度低，是這些部位淬不硬并從而引起變形的原因。對于這樣的淬裂與變形問題，除采取前述在邊沿部位加護(hù)板，降低冷速，同時在中間部位安設(shè)噴水管適當(dāng)分配水流來提高冷速外，還可以采用專配快速淬 1 g6 h1 }7 c) O7 C! D. J. n
+ R! K6 A9 H( O/ a/ u/ ?8 ~7 h圖9 普通淬火的工藝過程和相應(yīng)的冷卻速度帶位置+ I) G8 ~/ W, x6 X9 V7 W6 g/ C
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和前面的分析方法不同的是，圖9中的兩條冷卻曲線代表的不再是工件的"表面"和"心部"的冷卻過程，而是工件上參與淬火變形部位的"快端"和"慢端"的冷卻過程。由于是一冷到底，在對應(yīng)的硬度-冷速曲線上，冷卻速度帶的快端伸進(jìn)了第I區(qū)，這就引起了超差的淬火變形。快端向右退縮，至完全進(jìn)入第II冷速區(qū)，變形問題也就解決了。: N& L" G% g$ P, h# I% I
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按照這種分析方法，解決這類工件淬火變形問題的方法就是使冷卻速度帶的兩端向右縮進(jìn)到第II區(qū)。馬氏體分級淬火用以減小冷卻速度帶的寬度，并使其完全進(jìn)入適度冷速區(qū)。圖10中(a) 圖9.普通淬火的工藝過程(a)和 相應(yīng)的冷卻速度帶位置(b) 和(b)分別是用本文的方法對高于與低于Ms點的馬氏體分級淬火控制變形作用的分析�？梢钥闯觯R氏體分級淬火使冷卻速度帶的兩端向右退縮，至完全進(jìn)入第II冷速區(qū)，變形問題也就解決了。
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) w; l6 ~* ]: M# q, k0 Y圖10 馬氏體分級淬火控制淬火變形原因分析8 `6 C. f3 s$ Z3 S) e& H9 |( ^
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這里用到的也是工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶的快端和慢端，而不是工件的表面和心部。實際上，淬火冷卻中，除標(biāo)準(zhǔn)的圓球并能完全均勻地冷卻球面各部分的情況外，工件表面各部分的冷卻速度相差是很大的，尤其是形狀復(fù)雜的工件。實際生產(chǎn)中很難找到相當(dāng)于圖6到圖8中"表面"的冷卻過程曲線。所謂冷卻速度相差很大，不少鋼件在水中淬裂、變形，而在機(jī)油中卻淬不硬且發(fā)生變形。( b/ B' }; Q1 t9 x1 ~" H4 z6 J+ l
$ g: v) I, J/ g7 k) I- K; l- |# v. k在自來水中加入適量水性淬火劑，可以在一定程度上降低自來水的冷卻速度。而以礦物油(機(jī)油)為基礎(chǔ)做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。這些都為控制淬火變形提供了條件。
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有些水性淬火劑可以通過調(diào)節(jié)濃度來改變水溶液的冷卻速度。以PAG淬火液為例,15%時的300℃冷速約為20℃／s，相當(dāng)于某些超速淬火油。而濃度為9％時的300℃冷速約為50℃／s，相當(dāng)于飽和氯化鈣水溶液。而當(dāng)濃度降低至5～7％時，300℃冷速增大至70～80℃／s，就與所謂的三氯或三硝淬火液相當(dāng)了。于是，可以通過提高淬火液濃度使工件的冷速帶向右移，也可以通過降低淬火液濃度來使工件的冷速帶向左移。本文圖2所舉的淬火變形例，其產(chǎn)生淬火變形的原因是工件冷卻速度帶的右端伸入了第Ⅲ冷速區(qū)。具體的說，當(dāng)進(jìn)行水淬時，該工件的兩端冷得快而避開了其過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的"鼻尖"位置，隨后在油中繼續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變成了馬氏體。但是，筒體內(nèi)面近中間部位在水淬中尚未冷到"鼻尖"位置對應(yīng)的溫度，因此，在隨后的油冷中產(chǎn)生了相當(dāng)量的非馬氏體組織。解決這一淬火變形的辦法，是改用6％的PAG淬火液做單液淬火，一冷到底，且在淬火冷卻中使淬火液做適當(dāng)循環(huán)流動，以提高筒體內(nèi)部的冷卻速度。這一解決辦法，實現(xiàn)的是使冷卻速度帶伸入第Ⅲ冷速區(qū)的部位向左收縮進(jìn)其第Ⅱ冷速區(qū)。采用這種做法后，淬火操作簡化了，淬火硬度高而均勻，沒有淬裂，淬火變形消失了。
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- g, L4 `: M. `3 \& Z/ e4 p好的水性淬火液，其淬火冷卻的高溫冷速大多較高，即蒸氣膜階段較短且不穩(wěn)定。因此，評價水性淬火液的冷卻特性，主要看它的300℃冷卻速度。淬火油多有較長且相當(dāng)穩(wěn)定的的蒸氣膜階段，因此，評價油的冷卻特性應(yīng)當(dāng)看的是整個冷卻速度分布，包括蒸氣膜階段長短、最高冷速大小和出現(xiàn)最高冷速的溫度高低、以及對流開始溫度等。不能單以其最高冷速的大小來評價油的冷卻能力。從冷卻速度曲線上容易看出，所謂"最高冷卻速度"只存在一瞬間，對工件的淬硬效果作用不一定大。
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]& H8 h( K1 C' u" x1 ?, F普通機(jī)油的冷卻速度慢，因此，在其中淬火后有超差變形的工件，其淬火冷卻速度帶大多伸入甚至整個落入第Ⅲ冷速區(qū)。遇到這種情況，將原用的機(jī)油改換成有適當(dāng)冷卻速度分布的快速淬火油，或者在現(xiàn)有的機(jī)油中加入適當(dāng)?shù)挠透男蕴砑觿┇@得同樣的冷卻速度分布，以便工件在其中淬火時使冷卻速度帶發(fā)生左移或向左收縮，最終全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，便可以解決這類淬火變形問題。在決定是選用水性介質(zhì)還是淬火油時，還必須考慮液溫變化對淬火冷卻特性的影響。對淬火油而言，在一定范圍內(nèi)提高油溫，油的冷卻特性基本不變。在允許的使用溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高油溫，還會使油的蒸氣膜階段有所縮短，冷卻能力相應(yīng)有所增大。油溫過低，油的粘度增大，流動性變差，冷卻能力會降低。有些工廠有這樣的經(jīng)歷，冬季新開爐時，油溫很低，工件的淬火變形大且淬火硬度不足。這是工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)的緣故。遇到這種情況，設(shè)法提高油溫，比如使油溫升到50～80℃再淬同類工件，由于冷卻速度提高，工件的冷卻速度帶左移至全部進(jìn)入第Ⅱ冷速區(qū)，淬火變形就消失了，淬火硬度也達(dá)到了工藝要求。
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與油相反，在水性介質(zhì)中淬火時，提高水溫會降低淬火冷卻速度。降低的程度與介質(zhì)的品種、使用的濃度和當(dāng)時的水溫有關(guān)。當(dāng)變形工件的冷速帶伸入其第Ⅰ冷速區(qū)時，適當(dāng)提高水溶液的液溫，可以使其冷卻速度帶稍向右移。又當(dāng)水溶液溫度過高，淬火冷卻速度不足，工件的冷卻速度帶向右伸入了第Ⅲ冷速區(qū)而引起變形時，適當(dāng)降低水溫則有使其冷卻速度帶左移的作用。
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當(dāng)然，對于以水為基的淬火液，采取降低和升高水溫來調(diào)節(jié)工件的冷卻速度帶時，水溫的變化范圍是比較窄的。降溫以不發(fā)生凝固為限，而升溫以60～70℃為限。水溫太高，淬火冷卻的蒸氣膜階段過長，使水溶液冷卻能力大減，會使工件的淬火硬度不均勻。; ?7 N$ `- Y* O: E5 `
+ t# Z1 W! S* M: ]( {1 [5 m工件的心部，一般也是不好確定的。前面談到，決定工件淬火變形大小的應(yīng)當(dāng)是冷卻速度帶相對于第II區(qū)的位置，而不是工件上無法確定的"表面"和"心部"。1 o7 m3 y6 B3 l7 g
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可以看出，能夠用分級淬火方法解決的往往是形狀較復(fù)雜，變形要求較嚴(yán)，因而其第II區(qū)較窄的工件，用普通一冷到底的方法，其冷卻速度帶的快端伸入了過快冷速區(qū)(第I區(qū))，而慢端在過快冷速區(qū)或在適度冷
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6 b2 t2 r1 {& k+ Q1 ^/ |9 I: O速區(qū)(第II區(qū))的淬火變形問題。由于馬氏體分級淬火冷速較慢，那些會使冷卻速度帶的慢端伸入了不足冷速區(qū)(第III區(qū))的淬火變形問題，通常不能用馬氏體分級淬火方法得到解決。這就是馬氏體分級淬火只適用于尺寸較小的工件和淬透性較好的鋼種的原因�？梢酝浦�，選用淬火冷卻速度更快的分級淬火介質(zhì)，可以成功地控制尺寸較大和淬透性更低鋼種制件的淬火變形。
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5．鋼材品種和材質(zhì)的因素
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- {7 c5 e, Q3 }7 S# [) g鋼種不同，頂端淬火曲線的形狀也不同。淬透性好的鋼，其硬度隨距離的變化較平緩，淬透性差的鋼，變化比較陡。在硬度-冷速分區(qū)圖上，淬透性好的鋼種，第Ⅱ冷速區(qū)比較寬，而淬透性差的鋼種，第Ⅱ冷速區(qū)則比較窄。淬透性好的鋼，其第Ⅲ冷速區(qū)較寬，即硬度-冷速曲線變化速率不大；相反，淬透性差的鋼的第Ⅲ冷速區(qū)變化陡，硬度隨冷速變化較大，如圖11所示。根據(jù)前面的道理，可以推知，鋼種的淬透性越好，越容易控制工件的淬火變形。當(dāng)然，隨著鋼的淬透性提高，其第Ⅰ冷速區(qū)也隨之變寬，因而需要采用更緩慢的淬火介質(zhì)來防止淬裂。/ G1 d! k* f0 [: W- U& y) _' q
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圖11 硬度-冷速曲線形狀與鋼材淬透性高低的關(guān)系% X" n S" d3 b) d
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再看同一鋼種的淬透性帶圖線，如圖12所示。當(dāng)成分波動使鋼材的淬透性取圖中上限時，其硬度-冷速關(guān)系成圖中上面一條曲線。而當(dāng)成分波動取下限時，分區(qū)情況如圖中下方曲線所示。上端曲線的第Ⅰ冷速區(qū)稍寬些，第Ⅱ、Ⅲ冷速區(qū)則進(jìn)一步加寬；下端曲線則相反。按前述道理推知，若同一鋼種發(fā)生成分波動引起淬透性波動時，淬透性偏高的鋼，比較容易控制工件的淬火變形，淬透偏低時，則較難控制工件的淬火變形。當(dāng)然，淬透性偏高，尤其是因碳含量偏高所致時，工件淬火的第Ⅰ冷速區(qū)較寬，比較容易淬裂。 U0 G1 Y6 R( E% A: f
1 a ?7 ?% ^- F8 \% f2 |$ R6 M上述鋼材方面的因素對工件淬火變形和開裂的影響規(guī)律，可以用來指導(dǎo)預(yù)防或解決淬火變形。有時候，可以通過改用 圖12 淬透性波動對冷速分區(qū)的影響8 O% e$ X% s5 B
5 h8 n8 E, P* y' w3 o淬透性更好的鋼種，在相同條件下淬火，來控制工件的淬火變形。
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2 Y$ L$ p& C7 G; t# U5 ]' ]而當(dāng)鋼材成分波動使淬透性降低并因此發(fā)生淬火變形時，可以改用冷卻速度更快的淬火介質(zhì)來控制變形。為了預(yù)防鋼材成分波動引起淬火變形，當(dāng)用油淬火時，可以改用快速油或在現(xiàn)有的機(jī)油中加專配淬火油添加劑使其變成適合的快速淬火油，以覆蓋可能的成分波動的影響。能這樣做的另一個原因是，絕大多數(shù)鋼種在油中(包括在快速油中)不會淬裂。對于多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼工件，使用合適的水溶性淬火劑，往往可以消除變形和開裂，其原因也在于淬火冷速更快，可以保證工件的冷卻速度帶不會伸入第Ⅲ冷速區(qū)' k( \0 R6 |6 N) O3 m" M5 l0 |2 k6 Q
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五、基本措施的應(yīng)用次序- W: ?8 r9 V, h6 J4 Z2 R3 m
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上面介紹的四類調(diào)節(jié)冷卻速度帶基本措施，也就是控制淬火變形的四類基本方法。在熱處理生產(chǎn)中，解決工件淬火變形問題時，如果有足夠的實際經(jīng)驗，則可以判定直接采取某一類或幾類措施；如果經(jīng)驗尚不足，則又可以按下面介紹的基本措施應(yīng)用次序，逐一試用，直至解決問題為止。
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e& i: K) h* s7 _( N第一條措施：改變熱處理工藝參數(shù)
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首先，可以根據(jù)淬火變形工件的冷卻速度帶的跨區(qū)情況，采取以下熱處理工藝措施:
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$ E/ c: f8 K4 M8 V5 c/ ]; p-提高或降低工件(或其局部)的淬火加熱溫度；
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y! G/ e* x. q6 C# _; L0 x8 H-升高或降低淬火液液溫；+ t3 f- ?$ i8 j# u$ N0 q! s
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-增大或減小淬火冷卻過程中工件(或其局部)對淬火液的相對流速。
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采取一項或幾項這類措施，通�？梢越鉀Q不少淬火變形問題。0 ?; g8 Y! i0 D
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第二條措施：改變淬火液使用濃度
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: ]$ m- O9 }; C+ [% j濃度易測易控的水溶性淬火劑配成的淬火液，適于采用這類措施。由于濃度變化后較難還原，因此，是在采取第1條措施尚不能解決問題時，才可考慮用第2條。
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第三條措施：改換淬火介質(zhì)品種或加入專配添加劑& Z8 j. R- L" A; a1 d- O7 A
1 Z. m6 B3 F3 ]' [9 H- f: H改換介質(zhì)包括:由自來水換成某種水溶性淬火液；-由一種水溶性淬火液改成另一種水溶性淬火液；由自來水或水溶性淬火液改成油性介質(zhì)；由普通機(jī)油改成某種淬火油；-由一種淬火油改成另一種淬火油；由冷油改成熱油；在普通機(jī)油中加入專配添加劑。
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這都要根據(jù)工廠的情況和變形問題的特點來選定。由于這類改造是不可回復(fù)的，費用也較大，應(yīng)當(dāng)慎重些。為避免改換上的失誤，事先應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)用淬火液的冷卻特性以及需要改成什么樣的冷卻特性的淬火液才能完成所希望的冷卻速度帶的變動有充分的了解。對于水性淬火液，主要考慮它的"300℃冷速"，可以根據(jù)淬火劑的級別(或可以調(diào)節(jié)到的級別)來選用。對于淬火油，由于淬裂傾向相當(dāng)小，需要考慮的是它在淬火過程中的蒸氣膜階段長短，低溫冷卻速度高低，以及其出現(xiàn)最高冷速的溫度和最高冷速值(淬火油的冷卻速度分布)。工件的鋼種、形狀、有效厚度和熱處理要求不同，需要相適應(yīng)的冷卻特性分布的油,才可以保證其冷卻速度帶全部落入第Ⅱ冷速區(qū)。但有一項經(jīng)驗對選用淬火油(或舊油作油改性)有幫助：對于多數(shù)鋼種，當(dāng)淬火油的蒸氣膜階段較短，低溫冷速較大,以及最高冷速較高時，對保證淬硬和防止變形都很有效。, |* A! @9 M5 {. s, R& w1 k' v4 k
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第四條措施：改換鋼種
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按傳統(tǒng)的防止淬火變形措施，換鋼種是工件在自來水中淬火發(fā)生變形后，改換成淬透性好的鋼種，在機(jī)油中淬火來控制變形。對這種做法的習(xí)慣性解釋為：原鋼種在自來水中淬火，冷速太快，內(nèi)應(yīng)力過大引起了超差的淬火變形。改換成淬透性更好的鋼種，由于油中冷得更慢些，內(nèi)應(yīng)力減小，因此可以減小淬火變形。這種做法通常有效。而對這種做法的解釋則不盡全面。按本文方法做解釋，換鋼種用油淬火，首先是淬透性更好的鋼種有更寬的第Ⅱ冷速區(qū)，可以使該工件在油中淬火時的冷卻速度帶全部落入第Ⅱ冷速區(qū)。說那種解釋片面，是因為在自來水中淬火發(fā)生了超差變形，其原因可能有兩種，一是工件的冷卻速度帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅰ冷速區(qū)，二是工件的冷速帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅲ冷速區(qū)。當(dāng)為第一種可能時，可以首先采取第1條措施去解決,如果解決不了，可采取第2條、第3條措施，以至再采取換鋼種的措施。改換成淬透性更好的鋼種成本高，從生產(chǎn)經(jīng)營和節(jié)省合金元素資源上說，都不宜首先采用。當(dāng)此類工件發(fā)生變形的原因是其冷卻速度帶進(jìn)入或部分伸入了其第Ⅲ冷速區(qū)時，除可以采用第1步驟外,還可以采取改換成碳量稍高、淬透性稍高的鋼種，仍然在原自來水中淬火，同樣可以解決淬火變形問題。# Q9 g3 J" Q/ c$ ]. p0 }
% Q7 |1 `5 s( L說那種解釋法較片面，還可以從以下情況加以說明。當(dāng)某工件在普通機(jī)油中淬火發(fā)生超差變形時，如果變形原因是工件的冷卻速度帶伸入了第Ⅰ冷速區(qū)，再采取那種改用淬透性更好的鋼種顯然會使問題更嚴(yán)重，而還想找比普通機(jī)油冷卻更慢的介質(zhì)，恐怕就只有分級淬火或空冷了。當(dāng)變形原因是工件的冷卻速度帶進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)時，解決變形問題的方法就應(yīng)當(dāng)是改用快速淬火油，對原用的機(jī)油做油改性添加，以及采用合適的水性淬火液。, J6 n$ c3 R5 E+ i/ k
# g& ]) J" a6 v綜上分析，根據(jù)原淬火變形工件的冷卻速度帶的跨區(qū)情況，在采取前3步措施仍不能解決問題時才可考慮改換鋼種，可以是改成淬透性更好的鋼，也可以改用淬透性更差的鋼。通常，改換鋼種的同時應(yīng)改換淬火介質(zhì)。" X- T: x7 q, Y) C: i: B! u( r
1 w6 f. l$ p; N0 P- M3 g6 |# r第五條措施：改變零件結(jié)構(gòu)設(shè)計# \/ t! C% m3 s
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當(dāng)采取上述四條措施仍無效后，可以考慮用這一種方法。改變零件設(shè)計的作用是可以改變零件第II區(qū)的左右分界線的位置，如減少凹、凸部的尖銳度，使第II區(qū)的左邊界向左移而防止淬火變形或開裂；也可以是減小工件不同部位的厚度差使其冷卻速度帶變窄而完全進(jìn)入第II冷速區(qū)；還有將一個復(fù)雜的零件分成幾個形狀簡單、厚度比較均勻的零件(即變成幾個冷卻速度帶容易完全進(jìn)入第II冷速區(qū)的零件)等等……。( V7 k/ d/ k/ O
8 P/ D2 e ?9 C+ B% q6 {; r六．淬火變形問題"復(fù)雜"的原因7 r8 b* u( y8 |- l+ u4 n1 y
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熱處理界通常認(rèn)為"淬火變形問題很復(fù)雜"，"解決變形問題的措施和方法時靈時不靈。即便把多項措施一起用上去，也不見得就行"。在不少地方，問題確實如此。變形問題搞得這樣復(fù)雜，原因在哪里呢？/ ~% `# `+ p! h0 g r, ^
. s# c, o5 o6 T7 Y5 p% p& W用本文前面提出的方法和列出的移動冷卻速度帶的熱處理工藝參數(shù)措施，制成控制淬火變形基本措施的作用方向簡表如表1。表中列出了常見熱處理工藝參數(shù)變化對冷卻速度帶的作用方向。比如，淬火加熱溫度升高，通常使工件淬火硬度升高，相當(dāng)于使冷卻速度帶左移；而降低淬火加熱溫度的作用相反，是使冷卻速度帶右移。又如，增大工件與介質(zhì)的相對流速，就會使冷卻速度增加，其作用就是使冷卻速度帶左移，而減小相對流速的作用相反，是使冷卻速度帶右移……等等。* c; ~& w' }. u
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表1 控制淬火變形基本措施的作用方向簡表
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+ v5 }( t G- A# m基本措施: s8 ~4 q' z C+ p
# W5 T1 P6 \ {2 c* m1 G作用方向
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右移
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/ g0 t# q; k. V8 _1 N2 Z) U淬火加熱溫度; [" u0 G9 ~% G: ?, i5 z
$ S E% }3 O G$ c, z7 q, L$ S提高
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( V- m9 O# v# C* {6 x3 m淬火油溫度7 E5 L. G2 I `. _ }
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水及水溶液液溫
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3 r$ T+ _4 e1 i提高
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P6 O2 F7 J% Q0 z! K2 ?1 ^' S工件與介質(zhì)的相對流速
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, R! i8 u; F$ y ^) F. D H. J6 O! k改變今禹8-20濃度: G8 t. S9 @5 e& {& ^+ ~
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自來水改成今禹8-20
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自來水改成機(jī)油6 b0 [% C, a. \3 u
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機(jī)油改成專用淬火油* ]# [1 u. w( G5 b6 w. w+ R
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所有表列參數(shù)的增減引起冷卻速度帶的變化都分左移和右移兩種。由于這些參數(shù)可以用來改變工件的淬火變形，也就都是解決變形問題的措施。顯然，需要同時采取幾種措施來解決工件的淬火變形問題時，只能把作用方向一致的措施用上。把作用方向相反的幾種措施同時用于解決一個變形問題，其結(jié)果就很難說了，或許能解決變形問題、或許無效果、也或許會使工件的變形進(jìn)一步增大。過去認(rèn)為變形問題很復(fù)雜，解決問題的措施不靈等，原因是不明白各措施的作用方向，也不知道如何有方向地移動工件的冷卻速度帶。按本文提出的分析方法，找到所解決的變形問題需要向哪個方向移動冷卻速度帶，再根據(jù)具體情況，由簡單到復(fù)雜，由成本低到成本高地把同方向的措施加上去，直到使冷卻速度帶完全進(jìn)入其第II冷速區(qū)，問題也就解決了。7 J/ x# t$ q7 w" y$ Y5 c
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七．解決淬火變形問題的途徑和措施匯總表
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在說明了解決淬火變形問題的思路、目標(biāo)、措施之后，為增強(qiáng)理解，便于靈活應(yīng)用，有必要再做一次匯總。6 ^+ a' x: |2 Y: P
7 o! I5 o/ f/ q# E; p+ E1．解決問提的途徑7 ^5 z1 x0 x4 C* \ ]1 v1 g5 M
) X* O) ~$ ?; E y# F$ L本文解決淬火變形的途徑不外兩類。一類是移動或收縮冷卻速度帶，使其完全落入該工件的第II冷速區(qū)，如圖13所示。另一類途徑是移動第II區(qū)的邊界，直到把工件的冷卻速度帶框進(jìn)去，如圖14所示; Z/ t( n% ?" E# ]
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圖13 移動或收縮冷卻速度帶使其完全落入第II區(qū)
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圖14 移動第II區(qū)的邊界把冷卻速度帶框進(jìn)去
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( Q+ H- E3 j$ t/ V+ f2．解決問題的措施
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討論過的措施可以如表2所示分成三類。
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表2 解決變形的措施分類表" W$ e4 C8 a) k7 h8 o1 {) |, d. `
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類 別* U: a0 t' D: E0 w
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性 質(zhì)+ {3 A3 `- T- q; W) @0 w
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作 用/ d( ]3 ?) [. f9 ^+ W
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一類- t4 A3 B1 @: m ?
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熱處理工藝
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8 `! b7 h2 ]/ Y N, I. _$ D- X) L移動和收縮冷卻速度帶使完全落入第II區(qū)中1 j0 u. z: |9 |- @/ `, r
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! ]1 q" x7 e d; g+ T二類1 N3 E4 x& m8 s1 t) X" X
! s6 n% |! _( ?+ J# b) |鋼材成分控制和鋼種改換
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移動第II區(qū)邊界把工件的冷卻速度帶框進(jìn)去% N) \) n7 ]0 `- x# W# j
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三類
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修改零件設(shè)計1 D* Y% ]' a& E# b1 q( X' A* [# C
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同時改變第II區(qū)分界線和移動收縮冷卻速度帶使其框入或進(jìn)入第II區(qū)中7 V2 J8 v/ `: X3 B( e
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其中，第一類措施是整體或局部移動冷卻速度帶的措施，主要是熱處理工藝方法有關(guān)的條件和參數(shù)變化，如表1所示。
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; n/ }. ]% z( y/ {* J8 l第二類措施是能移動第II區(qū)邊界的措施。通過有目的和方向的移動邊界，直到把工件的冷卻速度帶完全框進(jìn)其第II冷速區(qū)中。屬于這類的具體措施包括:a．改善鋼的預(yù)備組織；b．控制鋼的化學(xué)成分；c．改換鋼種；d．消除內(nèi)應(yīng)力等。
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' u0 Y5 H* R- A# x& u第三類措施是可能同時起到移動冷卻速度帶和第II區(qū)邊界的措施，主要包括改變零件設(shè)計方面的措施。這些措施有:a．減小零件上的應(yīng)力集中，使I、II區(qū)分界線向左移；b．減小不同部位的厚度差，使冷卻速度帶變窄；c．改善零件的對稱性，使II區(qū)變寬；d．做成分體式，把問題簡單化。
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作者: achun11 時間: 2012-8-7 10:02
{:soso_e142:}
作者: hnxxh97211 時間: 2012-8-7 11:48
呵呵太深奧了
作者: cicim 時間: 2012-9-1 13:05
本帖最后由 cicim 于 2012-9-1 13:06 編輯
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請問LZ如果淬火后的工件線切割出來內(nèi)孔尺寸變大了的，是硬度過硬嗎？ 反之呢？
作者: 三腳貓 時間: 2012-9-5 18:50
本帖最后由 三腳貓 于 2012-9-5 18:55 編輯 % e. I |% h& i! e& K4 H
武漢老虎 發(fā)表于 2012-8-6 21:33 
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生產(chǎn)中的淬火變形一直給工廠帶來大量的損失。淬火變形的產(chǎn)生，從理論上說，當(dāng)然與熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的影 ...
謝謝老虎提供的好資料
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