分析与控制淬火变形的冷却速度带法1.docVIP

分析和控制 淬火变形 的冷却速度带法 1 工件的淬火变形问题是当今热处理行业，乃至机械制造行业的重大难题。说它难一是指变形问题太复杂和牵涉面太广。从零件设计、钢材品种及其质量、冷热加工和人为因素到热处理生产的各个细节，都可能成为淬火变形的影响因素;二是指它几乎无规律可循。解决淬火变形问题的措施大多，且时灵时不灵，常常让人无所适从。国外有人把众多的影响因素归纳成图1所示的鱼骨架图。为了把图中所列分散在不同时间、不同地点、不同环节和不同性质的影响因素的作用都考虑进去，有人甚至采用系统工程的方法，来分析和解决工件的淬火变形问题。我们认为，不管淬火变形的影响因素如何多、关系如何复杂，所有这些因素的影响最终都只汇集到一个具体的工件上，并且只对工件的硬度高低、变形和开裂趋向起作用。因此，有理由认为，能够建立一些简单而又普遍适用的方法，用来汇总所有影响因素的作用，并能帮助我们比较容易地分析和解决淬火变形问题。本文介绍的冷却速度带法，就是一种这样的方法。 图1汇总淬火变形影响因素的鱼骨架图 通常所说的淬火变形既包括工件在淬火冷却过程中产生的变形，也包括工件淬火加热中以及工件向淬火液转移中发生的变形。后两类原因引起的变形，一般可以称为外力引起的变形。外力引起的变形原因比较简单，问题比较容易解决。淬火冷却过程中发生的变形，主要是冷却过程中的内应力引起的。内应力引起变形的情况要复杂得多。本文所研究的就是这类淬火变形问题。 任何一种简化复杂的淬火变形问题的通用方法，都必然有它简化淬火变形问题的角度或者说思路。以不同的思路入手去简化淬火变形问题，建立的方法也不会相同。 在此介绍的冷却速度带法认为，所有影响工件淬火变形的因素，都通过对工件两个特性的作用而影响工件的淬火变形。第一个特性是，工件承受淬火冷却速度快慢的能力。第二个特性是，工件在淬火冷却中获得的冷却速度的快慢。只有把工件获得的冷却速度的快慢程度完全控制在它所能承受的冷却速度的快慢能力之内，才能获得工件要求的淬火硬度、淬硬层深度、不淬裂，和淬火变形不超差的淬火结果。相反，工件淬火冷却中获得的冷却速度的快慢范围，一旦超出了该工件所能承受的淬火冷却速度快慢的能力范围，不管是快了，还是慢了，都会使该工件发生超差的变形、淬裂、或者淬火硬度不足等问题。下面，将以此为基础，建立和讨论解决工件淬火变形问题的冷却速度带法。 二冷却速度带法的基本思路 我们用图2所示的方式来说明上述两个特性的关系。图中，横坐标表示冷却速度。由于后面将要说明的原因，我们约定:从左向右，冷却速度是减小的。图中把冷却速度由快到慢划分成三个区域，分别称为第I，第II和第III冷却速度区。冷却速度坐标轴下面的长方形图形，代表工件(严格说，应当是工件上参与淬火变形部位)在淬火冷却中实际获得的冷却速度的快慢。我们把该长方形称为工件的冷却速度带，即该工件在淬火冷却中不同部位获得的冷却速度所覆盖的冷却速度范围。长方形的左端称为冷却速度带的快端，右端称为冷却速度带的慢端。一般说，快端代表工件上有效厚度小，或者突出的部分获得的冷却速度。而慢端则代表工件上有效厚度大，或者凹进部分获得的冷却速度。实际生产中，工件的冷却速度带可能落在第I区，也可能落在第II区或者第III区内;还可能跨越两个甚至三个区。按照前面的约定，可以把工件的冷却速度带落在图中三个冷却速度区的情况及其淬火效果作成表1。 a.三个冷却速度区与工件的冷却速度带 b.钢材的端淬曲线与分区的关系 图2把淬火变形问题转换成冷却速度的分区与冷却速度带的关系 表1不同冷却速度区的淬火效果 分区 名称 区内淬火效果 I区 过快冷速区 硬度过高、淬裂、也可能有超差的变形 II区 适度冷速区 硬度高而且均匀，无淬裂，且变形不超差 tdIII区 不足冷速区 硬度不足且高低不均，变形大 为了结合钢的热处理理论和热处理的实际生产经验，我们再把钢材的端淬曲线同时画进图2(a)所示的图线中，就得到图2(b)。由于第1冷却速度区的冷却速度太快，对一般的结构钢，虽然可以获得更高的淬火硬度，却可能引起淬火开裂和超差的淬火变形。第III冷却速度区的冷却速度不够快，不能获得足够的马氏体组织，因此工件的淬火硬度不足。由于第III区是淬火硬度对冷却速度差异特别敏感的区域。很小的冷却速度差，就能引起明显的淬火硬度变化。因此，工件的淬火硬度高低不均。因高低不均的硬度代表着马氏体和非马氏体组织的比例关系的迅速变化，不同组织的比容差异加上冷却的不均匀性，往往会引起较大的淬火变形。总之，工件获得的淬火冷却速度快了，即它的冷却速度带进入了第I冷速区，或者工件获得的冷却速度慢了，即它的冷却速度带进入了第III冷速区，都会引起热处理质量问题。只有使工件的冷却速度带完全落入它的第II冷速区内，才能获得满足热处理要求的淬火冷却效果。 需要说明的是，冷