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九 工件群体淬火变形问题的分类和解决办法

图21 全部（b1）和大部分（b2）以及少部分（c）工件发生了超差变形的位置关系图

工件群体与单个工件的差别是：单个工件的冷却速度带和第II区的边界是具有确定位置的边界；而群体的这些边界却形成了一定的分布。因此，工件群体的淬火变形问题中，既包含了单个工件具有的特点，也包含了与群体分布相关的特性。

根据其严重程度，本文把工件群体出现的淬火变形问题分成两大类来加以讨论。一类是淬火后，近半数或者大部分、甚至全部工件都发生了超差的淬火变形。另一类是大部分工件的变形不超差，而只有少部分工件发生了超差的淬火变形。按工件群体的冷却速度带和第II区的相对位置关系，可以把这两类情况表示在图21中。图21以冷却速度带从慢端超出了第II区的右边界的情形为代表，来说明它们的相对关系。其中a为工件群体的第II区的右边界，b1为全部工件发生了超差淬火变形时的相对位置关系，b2是大部分工件发生了超出淬火变形时的相对位置关系，c是少部分工件发生了超出淬火变形时的相对位置关系。

9.1 大多数工件发生了淬火变形时的解决办法

大部分甚至全部工件发生了超差淬火变形时，由于工件群体的冷却速度带的慢端伸出第II区较远，只用调整群体分布特性的办法，已不大能把群体的慢端移入其第II区内。因此，解决此类问题的办法首先不牵涉上述群体的分布特性。

如果钢材和其它生产环节没有明显的差错，首先关注的问题应当是：是否选错了淬火介质？。检查工件的淬火态硬度和淬裂情况。如果硬度普遍偏高，包括伴有淬火开裂。那就是错选了冷却速度过快的淬火介质。如果硬度偏低和淬硬层深度不够，那就是错选了冷却速度过慢的淬火介质。这些都属于冷却速度带的位置上的问题。改选一种更合适的淬火介质，使工件的冷却速度带向左移或者向右移动，并基本达到落到其第II区内的程度。变形问题就可能得到相当程度的解决。

如果采用改换淬火介质的办法行不通，或者更换淬火介质后仍然达不到使大部分工件淬火变形不超差的程度，那就得考虑采用更换钢种的办法了。如果冷却速度带是从快端超出了第II区的左边界，那就得改用碳含量更低，或者（和）淬透性更差的钢种。使其第II区的左边界向左扩展，以便把冷却速度带的快端框进第II区内。如果冷却速度带从慢端超出了第II区的右边界，那就得改用淬透性更好的钢种，使其第二区的右边界向右移并把工件群体的慢端框进其中。

如果改换钢种的办法仍然行不通，那就只有从设计上修改零件的形状尺寸了。

通过采取以上措施，问题可能得到全部解决；也可能变成只有少部分工件发生超差淬火变形的第2类变形问题。

9.2 少部分工件发生了超差淬火变形时的解决办法

在这类淬火变形问题中，虽然工件群体的冷却速度带超出第II区并不远，但问题却更复杂和更难解决。判明解决问题的方向性之后，可以采用两类办法来解决问题。第一类办法是有方向地对热处理工艺参数做一定程度的调整，目标是从发生问题的一端去移动或者收缩冷却速度带和扩大第II区，直至把群体的冷却速度带更大部分地框进其第II区内。第2类办法是减小有问题的端部的分散程度等，目标是使发生超差淬火变形的工件比例，降低到满足要求的程度。

如果最初确定的热处理工艺是合理的。在发现淬火变形后，又根据情况调整过工艺参数，问题仍然得不到解决。那么。继续改进热处理工艺参数，以求完全解决淬火变形问题的希望也就不大了。此时，应当把工作重点转到减小工件群体的特性波动上去。

9.3 减小群体特性分散性的效果预测

减小工件群体特性波动的目的，是减小工件群体的冷却速度带和第II区边界位置分布的分散程度。边界位置的分散特性对工件群体淬火变形的影响能有多大？我们将通过以下的讨论，来回答这个问题。一般说，减小产品特性的分散程度，其结果，产品品质总是提高的。性能分散程度减小，是这种提高的一个效果。同时，产品的其它性能也都会有一定程度的提高。在下面的分析讨论中，为了简化问题，我们忽略了后一类提高部分，而假定性能的平均值始终保持不变。

图22 减小第II区右边界的分散程度对减少超差变形工件数量的作用

图23 减小冷却速度带慢端的分散程度对减少超差变形工件数量的作用

某厂曾经有一种汽车齿轮，渗碳淬火后总有约30％的工件因超差变形而返工或者报废。发生超差变形的工件，它们的淬火态硬度虽然合格，但比其它工件的硬度还是稍稍偏低一些。直到该厂齿轮锻坯的等温正火线投入使用，改善了渗碳淬火之前的预备组织，发生超差淬火变形的工件才减少到2％左右。根据这一情况可以判定，原来的淬火变形是工件群体的冷却速度带从慢端伸出了它的第II区。因为问题的解决靠的是齿轮锻坯的等温正火。在本文的第八部分已经分析指出，等温正火的作用，是扩大工件群体的第II区。因此，可以把工件群体的冷却速度带，以及群体第II区右边界的关系，表示成图22所示的图形。因为采取的办法没有改动工件淬火冷却条件和方式，我们就不考虑群体冷却速度带慢端的分布情况，只把冷却速度带画成简单的方框图形。这样可以突出群体第II区右边界分布特性的影响。为了简化问题，我们假定：锻坯做等温正火并不改变第II区右边界位置的目标值。也就是等温正火前后两种分布的平均值相等。从正态分布数据表中容易查出，离开平均值1个标准差（S）以远的单边面积为34％，而离开2S以远的单边面积则为2 .3％。由此可以设想，对于发生超差淬火变形达34％的一个工件群体，如果设法把它们的第II区的右边界位置的分散程度降低，并达到标准差减小到原来的一半的程度，则工件群体的第II区就向右扩了一定的距离。后来的标准差（S₂）降低到原来的标准差（S₁）的一半时，冷却速度带的慢端正好落在距平均值2个S₂的位置上。于是，发生超差淬火变形的比例也就降低到2.3％了！图22中画出了两个平均值相等，而标准差正好相差一倍的正态分布曲线。其中，分布1的标准差S₁与分布2的标准差S₂的关系为：S₁ ＝ 2S₂。这与上述齿轮做等温正火前后，淬火变形超差的工件比例变化基本相同。因为分布的分散程度降低，相应地，等温正火后，工件群体的第II区的右边界就向右扩大了S₂的距离。这可以用来说明上述齿轮厂采用等温正火后，淬火变形问题能得到解决的原因。如果把问题的解决归功于使慢端位置分布的分散性减小一半，如图23所示。同样也能使变形工件从34％减少到2.3％。

第II区端部位置的分散程度降低一半，就可以使发生超差淬火变形的工件的比例从34％降低到2.3％！这是一个非常可观的效果。这说明，减小有关影响因素的波动程度，是控制工件群体淬火变形的一类有效途径。

图24 正态分布中，距平均值Z个标准差以远部分的单边面积示意图

按正态分布特性，以分布的标准差（S）为计量单位，距平均值一定距离Z（即Z个S）以远部分的单边面积（如图24所示），和该距离之间的对应关系，可作成表4。表中，设正态分布曲线以下的总面积为1，其部分面积则以百分比表示。用表列数据，可以进行这样的预测：要把工件群体的超差淬火变形比例从一定值降低到某个限度时，需要使分布的分散特性（S）减小到什么程度。具体的计算方法如下：

有一个超差淬火变形工件达20％的淬火变形问题，想通过减小问题端部的冷却速度带，或者第II区的端部的分散程度，来使变形比例降低到2％和5％。问需要使该端部分布的标准差各减小到什么程度？

设20％发生变形时的标准差为S₁，而能使变形比例降低到2％的标准差为S₂，则由0.84S₁＝2.06S₂，可以求出S₂＝（0.86/2.06）S₁＝0.41S₁。即需要把问题端部的分散程度降低到原来的41％。

表4 正态分布中，距离平均值Z个标准差以远的单边面积（P）

面积 P

20%

10%

5%

2%

1%

0.5%

距离Z（单位S）

0.84

1.28

1.96

2.06

2.33

2.57

而需要降低到5％时，由0.84S₁＝1.29S₂，可以算出，S₂＝0.65S₁。即需要把问题端部的分散程度降低到原来的65％。

再如，假定原来的变形比例是5％，希望降低到0.5％。则由1.96S₁＝2.57S₂，可以求出S₂＝0.762S₁。即需要把问题端部的分散程度降低到原来的76％。

人们不禁要问：如何去减小上述标准差，以及能减小到什么程度。

减小有关影响因素的波动程度。其通俗的说法就是提高工件群体的性能均匀一致性。这是当前大工业生产中很受关注的问题。2004年出台的国内“汽车齿轮用钢的市场准入条件”中，把钢材末端淬透性带（3mm处）的宽度从过去的12个HRC，减小到7个HRC。长春一汽的标准更高，定为6个HRC。与此同时，齿轮锻坯的等温正火已经在国内很多厂家推广开来。过去，齿轮生产厂采用传统正火方法时，齿轮锻坯的正火硬度差异常常高达40个HB。而良好的等温正火，可以把齿轮锻坯的正火硬度范围缩小到12个 HB之内。虽然我们很难知道控制钢材淬透性带宽度，以及控制锻坯正火组织等措施对控制工件群体第II区边界位置的分布的分散程度的定量关系，但从上面列举的特性波动的可控程度看，将后者的标准差减小约一半，应当是可能的。

除了控制钢材淬透性带宽度和淬火之前的预备组织之外，控制和消除液态冷却介质的特性温度问题的影响，也是减小工件群体特性波动的重要措施。在清水中淬火会发生超差淬火变形的有些工件，改用冷却速度更快的盐水，反而能控制它的淬火变形。其主要原因就是在盐水中淬火时，能大大缩短冷却的蒸汽膜阶段。另外，用低温硝盐浴代替快速淬火油能减小工件的淬火变形，其原因之一也是消除了特性温度问题的影响。它们所取得好效果，也说明了减小特性温度问题对减小上述分散程度的作用。

9.4 冷却速度带同时从两端超出第II区的淬火变形问题

实际生产中，这样的淬火变形问题很少，通常只发生在细长件和大而薄的工件上。在本文第四部分图6所示的大圆锯片用水性介质淬火，就是一个例子。它们的特点是：同一个工件上有的部位淬火硬度过高甚至淬火开裂，又有另外部分淬火硬度不足，并有严重的变形翘曲。解决这类淬火变形问题的关键是缩短工件的冷却速度带。对于细长件，宜用减小参与淬火变形部位的办法，最好是用循序加热淬火。对于大而薄的工件，可以从选用特性温度问题小的淬火介质，并辅以合适的装挂方式，以及采用压淬等办法来解决淬火变形问题。

十 诸多措施的协同作用形式探讨

按照本文提供的思路，在调整的目标确定之后，往往有多种措施可供选用。解决同一个问题，可以选用单个措施，也可以同时选用多个作用方向相同的措施。选用多个措施时，各措施之间必然有一定的协同作用方式。措施单独作用的效果和多个措施共同作用的效果之间存在什么样的关系？这是一个非常重要的问题。最理想的是，在物理学的水平上，采用数理方法，不加修正系数就能准确地计算出工件的淬火变形。但是，这恐怕是非常遥远的目标。在这之前，可以尝试建立一些方法，经过实际应用的检验来加以完善，再从中找出几种比较好用的形式。下面提出两种可能的作用形式，供验证和参考。

第一种形式：多项措施协同作用的效果，等于不同措施单个作用效果之和。我们把它称为算术相加关系。生产现场常采用多方面的措施来解决一个具体的淬火变形问题。这说明我们有意无意地是在应用算术相加关系。这种关系中，多项措施的作用效果很像我们使用天平时，各砝码质量之和就是所称物体的质量这种关系。如果这种关系成立，淬火变形问题应当不难解决。但实际情况是，这样的做法也是有时灵，有时不灵。因为有时灵，可以说这种关系有它的适用面。但是，不少工厂又有过这样的经历：同时采用多种措施，经过大量试验仍然找不到解决办法。后来，仅仅应用了另外一个单项措施，曾认为非常复杂的问题，就齐刷刷地解决了！这说明，还存在其它的作用形式。

图25 从多措施的并的协同关系，决定选取有效措施的方法

第二种形式：多项措施的作用效果以集合代数上的相加（并）或者交的关系协同作用。这里所说的“作用效果”指的是对冷却速度带或者第II区的作用效果。这里所说的并的关系，很像大家所说的‘人的知识面’。‘三个知识面相同的人的知识面之和，等于其中一个人的知识面’就是这种关系的特点。在前面的文章中，我们多次用到集合代数上的相加，来处理同类影响因素产生的效果的协同作用关系。现在，作为一种尝试，再把这种关系推广到不同类型的影响因素上。图25描述的是一种工件的冷却速度带从右边界伸出第II区，从而引起淬火变形问题的示意图。我们在第II区保持不变的前提下，讨论用调整冷却速度带的办法来解决该淬火变形问题的几种方案。图中，列举了四个影响工件的冷却速度带的因素。它们通过集合代数的并的关系，合成工件实际的冷却速度带。从前面的讨论可知，使工件冷却速度带的右端向左收缩，并进入第II区之内，就可以解决该淬火变形问题。方案一：同时选用第1、第3和第4三个措施。设法使它们的作用达到单独作用时的冷却速度带的右边界向左移动相当大的距离。由于它们的协同作用方式是并的关系，实施这一方案后，工件实际的冷却速度带将保持不变。结果，功夫都白花了。方案二：同时选用图中的四个措施。设法使它们单独作用时的冷却速度带的右边界都向左收缩；其中，保证措施2的右边界收缩进第II区。无疑，该变形问题能得到解决。但是，同时采取了四项措施，生产成本也必然很高。方案三：只选取第2个措施，并使其冷却速度带的右边界收缩到第II区以内，比如达到了图中所标虚线的位置。变形问题也能得到解决，且实施成本更低。如果今后还想进一步减小工件的淬火变形量或者变形工件的比例，因为措施2已经收缩到虚线的位置，就得在措施 4上下功夫了。

上面讨论了两种形式，如果把集合代数的交的关系独立出来，总共为三种协同作用形式。这三种形式是否成立，以及它们各自的适用范围，有待进一步的研究和验证。

结束语

本文是作者12年来研究解决淬火变形问题的共性方法的总结。由于篇幅太大，只能以讲座形式连载发表。本文提出的方法，可供工厂解决淬火变形时参考，也希望有志于此的同行共同来完善本方法。  

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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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发表于《机械工人》热加工2006年第1期

一 淬火变形问题应当有简单化的分析和解决办法

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

III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，冷却速度带法是一个定性的方法。这种定性的方法建立的是一套分析和解决淬火变形问题的原则思路。由于是原则思路，它的适用范围就相当宽。也由于是定性的方法，上面所谓的第II区的边界和工件冷却速度带的边界，都没有规定它们的具体数值。遇到实际工件的淬火变形问题，我们是按表1所列的淬火效果，来判断该工件的冷却速度带的跨区情况，再按它的跨区情况，设法使它完全落入第II区内，来解决该工件的淬火变形问题。

在这种思路框架下，本文主要包括两方面的研究内容。一是众多有关的因素对工件承受淬火冷却速度快慢的能力的影响规律，也就是对工件第二区的位置和宽度的影响规律。二是众多有关的影响因素对工件获得的淬火冷却速度快慢的影响规律，也就是对工件的冷却速度带的位置和宽度的影响规律。影响工件第二区的位置和宽度的因素，主要包括零件设计、钢材品种质量，以及淬火冷却之前的所有冷热加工过程的影响因素。而影响工件冷却速度带的因素，主要包括零件的形状大小、钢材品种等由零件设计所确定的因素，加上淬火冷却的方式和条件等可以由热处理工作者选择和确定的因素。而本文研究的具体内容则包括各影响因素的作用机理和作用规律，以及不同影响因素之间的相互关系及协调作用规律。考虑到许多相同工件是大量而成批生产的，在一定生产条件下，往往只有其中的部分工件才发生超差淬火变形；本文还研究了工件群体的淬火变形问题，并提出了减少工件群体淬火变形量的原则方法。

三 正确认识淬火变形的原因

按理说，找到了引起淬火变形的原因，问题就容易得到解决。但是，由于淬火变形问题的复杂性，找准原因可不是一件容易的事情。原因找错了，麻烦就大了。一旦发生了淬火变形，就不分青红皂白地认为“是工件的淬火冷却速度太快了”。这是经验不足的人最容易犯的错误。一般说，引起工件淬火变形的原因，既有淬火冷却之中的问题，也有淬火冷却之前的问题。在讨论影响第II区的宽度和位置的因素之前，我们暂时不涉及淬火冷却之前的原因，而只考虑与淬火冷却过程有关的问题。下面，将结合本文介绍的方法，分析几个淬火变形的原因。

1、北京某厂的热处理车间曾经遇到过一个奇怪事情。该厂淬火一批不算大的45钢齿轮。因为该类工件有比较严格的变形程度要求，决定在普通机油中淬火。但是，淬火后发现变形程度严重超差，而且淬火态硬度高低不均。经过研究，现场工作者认为“淬火变形是淬火时的内应力过大引起的。而淬火冷却速度过快是引起大的内应力的唯一原因”。于是，在后来的热处理中，采取了诸如降低淬火加热温度、停止在油中的摆动，以及在空气中预冷后再入油淬火等措施及其组合。经过很长一段时间摸索，问题始终得不到解决。生产试验中，有个技术人员一赌气，干脆把几个工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花费半天时间，检查发现所有油淬工件的变形仍然不合格之后，才有人想起水槽中还有几个工件。捞出来一检查，变形程度全部合格！但是，每个工件上都有几条小的淬火裂纹。这种结果让他们百思而不得其解 。

现在，用冷却速度带法来分析这种工件的淬火变形原因。45钢的淬透性较差，在普通机油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用图2的方法来分析，是工件的冷却速度带部分落入了第III冷速区而产生了超差的淬火变形。如果再采取降低淬火冷却速度的办法，还将使工件的冷却速度带更多，甚至全部落入第III冷速区。因此，不可能减小工件的淬火变形。作为淬火冷却介质，水的第一大缺点是低温冷却速度太快。所以，投入水中的几个工件都淬裂了。表1中看到，进入第I冷速区的淬火效果是硬度很高、可能发生淬裂，但变形不一超差。这说明，在水中淬火使工件进入了它的第一冷速区，即过快冷速区。如图3所示。

图3 45钢工件在不同介质中淬火时冷却速度带的位置对比

按照冷却速度带法，这一淬火变形问题应当采取使工件的冷却速度带向左移入第II冷速区的办法来解决。具体的办法是，改用冷却速度高于普通机油的淬火介质，比如快速淬火油，或者比自来水的低温冷却速度更慢的水溶性淬火液，比如5～8％的PAG淬火液。它们都能把工件的冷却速度带向左移入第2冷速区之内，从而获得较高的淬火硬度和较小的淬火变形。图3中，比较了普通机油、自来水和6％的PAG淬火液淬火时的冷却速度带的位置关系。可以看出，只有用6％的PAG 淬火液，才能使该工件的冷却速度带完全落入它的第二冷速区中。

2、某汽车板簧厂用13％的PAG淬火液，处理6～8mm厚的60Si2Mn板簧时，板簧硬度和变形情况都令人满意。但是，在处理10～12mm厚的 60Si2Mn板簧时，却发生了淬火硬度偏低且变形过大的热处理质量问题。反复检查生产工艺和操作方法，始终找不出任何疏漏。请来的专家分析认为：其变形大的原因是由于热处理应力过大，而热处理应力过大是由于淬火冷却速度过快。因此，提出了减小淬火冷却速度的几项措施：将PAG淬火液浓度提高到15％，把淬火液的使用温度升高20℃，并且把板簧的淬火加热温度降低20℃。令人不解的是，进行这样的改动后，不仅板簧的淬火变形进一步增大，连板簧的淬火态硬度也降低到30HRC！事后，这个问题的正确的解决办法不是降低工件的淬火冷却速度，而是提高工件的淬火冷却速度。具体做法是，在采用原来的淬火加热参数的同时，把PAG淬火液的浓度从13％降低到8～10％之间。其结果，所有问题一下子就都解决了。

图4 厚度12mm的60Si2Mn板簧在不同浓度的PAG淬火液中淬火时的冷却速度带

采用冷却速度带法来分析这一淬火变形问题，仅从变形大和硬度偏低，就可以确定工件的冷却速度带进入了第III冷速区。如图4所示。解决办法当然是提高工件的淬火冷却速度，而不是降低它。即便不用本方法分析这个问题，根据薄板簧用13％的淬火液能够满足热处理要求，加上已经发现厚板簧的淬火硬度偏低这两点，也容易发现问题在于淬火冷却速度偏低了。为什么现场技术人员和本专业教授都做出了错误的判断？为什么上一个例子中热处理技术人员对“工件油淬变形而水淬反而不变形”百思不得其解？这说明，在热处理行业，对淬火变形的产生原因，不少人有着简单而且僵化的错误认识。

冷却速度带法认为，工件的冷却速度带只要伸出了第II冷速区，不管是因为冷却速度过快，还是因为冷却速度过慢，淬火后，工件都可能发生超差的淬火变形。而且，因冷却速度过慢，也就是进入了第III冷速区而引起的变形更大。调查表明，一般结构钢工件发生的超差淬火变形，大部分是因为进入第III冷速区所至。因此，解决这类淬火变形问题的努力方向，主要是提高工件的淬火冷却速度。只有少数工件的超差淬火变形是因为工件的冷却速度带进入第I区而产生的。而解决这后一类淬火变形问题的改进方向，往往是向右移动或者缩短工件的冷却速度带，使其完全落入第II冷速区内。在后面的文章中，还将讨论这一类变形问题的具体解决办法。

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生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的麻烦和巨大的损失。淬火变形的产生，从理论上说，当然与热应力和组织转变应力的作用有关，但是，在分析和解决实际工件的淬火变形时，这种理论却很难做具体应用。至今，尚没有用来分析和解决工件淬火变形问题的实用的系统方法。热处理行业期待的是能用来分析和解决实际工件淬火变形的系统而实用的方法。以此为目标，本文发展了一种以钢的端淬曲线为依托，从检测出发生变形的工件上的硬度差异入手，去分析和解决工件淬火变形问题的方法，我们把它叫做“硬度差异法”，供行业相关人士采用并指正。

一、本新方法的适用范围

说工件发生了淬火变形，指的是工件上某些部位发生了超过图样公差的变形。本文把工件上发生变形的部分和与之相关连的部位合称为该工件的参与淬火变形部位。参与淬火变形部位指的是工件上多个部位的总体，须根据实际工件的(变形)情况来确定。在已发生淬火变形的工件上，参与了淬火变形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明显差异。硬度差异反应出这些部位的淬火转变产物(即组织)之不同。由于不同的组织有不同的比容，比容差本身及其在淬火过程中的作用必然对淬火后的变形有直接的影响。由于这样的原因，本文把最终发生了淬火变形的工件分为两类。第一类:因装炉时的冲撞，因淬火加热中工件的装挂或堆放不当，以及出炉转移到淬火介质过程中所受的外力或自重引起的变形。这类变形容易从操作方法和装挂方式入手去解决。第二类：工件参与淬火变形部位有明显或不明显的硬度差异，也可能伴有淬火开裂。在第二类情况下，引起变形的原因既有淬火冷却过程中的应力作用，也有转变产物比容差之最终的影响。

本文提出的概念和方法，仅限于用来分析和解决第二类淬火变形问题。

二、淬火变形工件的冷却速度带及减小变形的努力方向

作为本方法的基础，先引进淬火变形工件的硬度-冷速曲线、冷却速度带及其跨区等概念。

1．硬度-冷速曲线的分区及其与淬火变形的关系

图1是有代表性的顶端淬火曲线示意图。为适应本文的需要，我们将下方的横座标定为冷却速度，并按冷却速度大小和淬火态硬度分布，将端淬曲线分成四个区(如图1所示)。这样的曲线，我们把它叫作硬度-冷速曲线。

分区

名称

区内淬火效果

I区

过快冷速区

硬度高、淬裂、变形

II区

适度冷速区

硬度高而均匀、无淬裂、变形小

III区

不足冷速区

硬度不足且高低不均，变形大

IV区

过慢冷速区

完全未淬硬，变形小

图1 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区

在图1划出的第Ⅰ冷速区内淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速过快，可能产生淬火变形，也可能伴有淬裂。

在第Ⅱ冷速区内淬火，冷却速度适当，工件可以充分淬硬。硬度均匀说明可能参与淬火变形部位的淬火转变产物基本相同，因此，工件淬火冷却中可能引起淬火变形的过程中的应力也不会很大。结果，最终的淬火变形也就相当小，通常能在允许的公差之内。故本文把第Ⅱ冷速区叫做小变形区。

在第Ⅲ冷速区内淬火，由于硬度-冷速曲线走势很陡，如图1所示，工件上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化，也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速区淬火时，可能引起淬火变形的因素既有过程中的，也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。总起来说，在此区淬火后变形大，硬度高低不均，且硬度不足。

在第Ⅳ冷速区，即过慢冷速区内淬火，工件上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低，各部位间温差小，加上各部位都远未淬硬，最终转变产物也基本相同，故变形小。

2．工件上参与淬火变形部位的冷却速度带

变形工件上参与变形的各部位之间得到的冷却情况不同，是造成最终淬火变形的原因。实际工件是个实体，它上面参与变形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲线上一定范围内。本文把这些不同冷速所达到的范围叫做该工件在所经受的淬火条件下参与变形部位的冷却速度带，以下简称为该工件的冷却速度带。工件上参与变形部位间的冷却速度相差小，它的冷却速度带就窄；相反，它的冷却速度带就宽。

冷却速度带的确定方法：

拿到一个发生了淬火变形的工件，首先找到它上面发生了淬火变形的部位，再连同其相邻或相关的部位，合而成为该工件上参与淬火变形部位。接着检查参与变形部位内外表面的硬度，并凭测出的最高和最低硬度值(HRC)在所用钢种的硬度-冷速曲线图上找到两个相应的冷却速度值，把这两个冷却速度值水平连接起来，即构成该工件的冷却速度带。举例来说，有一筒状工件，50Cr材质，经770℃加热后水淬1.5秒再转油冷。淬火后未发现淬裂，但有明显的变形:两端孔径增大，呈双头喇叭形，如图2所示。因工件形状简单，且变形牵涉面大，可以把整个工件都看成参与变形部位。检查该变形工件内外表面的硬度后发现，筒两端硬度约55HRC，而内孔中部只有35HRC。从手册上查出50Cr钢的端淬曲线，取其中线作出本工件的硬度-冷速曲线。由淬火硬度最高的端头部位(B)之55HRC找到冷速点b。再由淬火硬度最低的筒内中间部位(A)之35HRC找到冷速点a。连接a、b两点的带ab即为该工件的冷却速度带。按照相似的方法步骤，可以画出其它淬火变形零件的冷却速度带。需要说明的是，如果工件上有内孔(或凹陷部位)而且在该部位或邻近部位发生了淬火变形，则该部位就属于参与变形部位，在确定该工件的冷却速度带时，就需要将该工件的内孔或凹陷部位剖切开，测量该部位的表面硬度。

图2 由参与变形部位的最高和最低淬火态硬度值确定工件的冷却速度带

3．冷却速度带的跨区情况

实际生产中，不同工件的钢种、形状大小、热处理条件以及工艺方法有很大差异，它们的冷却速度带必然有宽有窄。当工件的冷却速度带比较窄时，可能只落入某一个冷速区，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速区，相应的变形情况如图1所示。当工件的冷却速度带比较宽时，往往要跨越两个甚至两个以上的冷速区。比如，图2所举的例子，工件的冷速带就跨越Ⅱ、Ⅲ两个冷速区。又如，有一种65Mn制的大圆锯片，直径1600mm，厚8mm，在专用的槽式电阻炉中垂直悬挂加热后，直接放入有循环搅动的淬火槽中淬火，淬火液为一种聚合物水溶液，水温约25℃。淬火后工件有相当严重的翘曲变形。出槽后检查发现,圆锯片边沿齿口部位有几处淬裂。硬度检查结果,边沿部分(B)最高硬度62HRC，而近中间部位(A)的硬度最低为30HRC。对于这样薄而大,变形严重的工件,也宜把工件之整体都看成参与变形部位。

按前述方法，如图3,确定该圆锯片的冷却速度带ab。由于该圆锯片边沿齿口处已淬裂，说明该部位已进入第Ⅰ冷速区。而在近中间部位淬火态硬度只有30HRC，未淬硬，说明该部位已进入第Ⅲ冷速区。这样,整个圆锯片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区。对于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷却中跨越三个冷速区，就很容易发生严重变形。

图3 65Mn大圆锯片的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区

4．减小工件淬火变形的努力目标

通常，对工件淬火效果的要求是：获得高而且均匀的淬火硬度、足够的淬硬深度、不淬裂且无淬火变形。显然，按本文的分析原理和方法，只有当工件上参与变形部位的冷却速度带落入第Ⅱ冷速区，才能获得这种淬火效果。据此本文减小工件淬火变形的措施和方法，均以使工件上参与变形部位的冷却速度，即该工件的冷却速度带完全落入其第Ⅱ冷速区为努力目标。实现这个目标，就可以控制变形。后面归纳的做法都是以此为目标的措施。

5．对硬度差异法的解释

众所周知，淬火变形是钢件淬火冷却中的热应力和组织转变应力共同作用的结果。这里所说的工件的冷却速度带的宽窄，反应的正是这种共同作用的大小。共同作用力大的，其冷却速度带宽，该共同作用力就大，而冷却速度带窄的，该作用力就小。而工件的硬度-冷速图线上第 II区的宽窄，反应的是该工件的变形要求。变形难以控制的，第II区窄；变形容易控制的，第II区宽。使工件的冷却速度带完全落入其第II区中，也就是把该工件淬火冷却中的热应力和组织转变应力的共同作用力的大小控制在不引起超差变形的范围。硬度差异法从工件淬火态硬度差异入手去分析解决变形问题，其本质上就是通过控制这种硬度差异的大小和范围来控制工件淬火中的热应力和组织应力的复合作用大小，从而控制淬火变形。

三、减小淬火变形的改进方向

1．整体移动冷却速度带

通过整个提高或降低淬火冷却速度等措施，使工件的冷却速度带整体移入该工件的第Ⅱ冷速区。这种方法适用于工件的冷却度带比较窄，发生淬火变形的原因是其冷却速度带整个或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速区。

例子，某汽车板簧厂采用13%的今禹8-20水溶液，在液温25℃时淬11×75mm的60Si2Mn钢板，出槽后发现有高达4mm的侧弯变形和相当大的弧高变化。起初，有关人员分析认为，是淬火应力(热应力和组织转变应力)过大引起。因此,采取了降低淬火应力的方法：适当降低淬火加热温度，提高淬火液液温，并停止淬火机的摆动以减小相对流速，甚至曾一度将今禹8-20的浓度提高到15%。所有这些措施，都在降低板簧片的淬火冷却速度，都想减小淬火应力来消除淬火变形。但结果与希望相反，板簧片的变形更大且仍然无规律可循，同时，钢板的淬火硬度更低，根本不能满足热处理要求。

后来，用本文所述的方法分析该批板簧的淬火变形，发现淬火硬度不足且高低不均，大约在 28～52HRC之间，其冷却速度带正好落在第Ⅲ冷速区，如图4所示。按前面提到的原则和方法，解决这一变形问题的措施就不是设法降低淬火冷却速度,而是提高淬火冷却速度，以便使该板簧片的冷却速度带整体向左移入其第Ⅱ冷速区。具体的做法是，向淬火槽中补加自来水，将今禹8-20的浓度降到10%，并在淬火过程中使淬火机不停地摆动，以便进一步提高淬火冷却速度。结果，在其它工艺方法保持不变的情况下，同批板簧片淬火后的变形(侧弯和弧高变化)极小，同时淬火硬度都在59～61HRC内，没有淬裂，完全满足了工艺要求。

图4 移动冷却速度带消除板簧片的淬火变形

2．使冷却速度带收缩进第Ⅱ冷速区

当变形工件的冷却速度带跨越两个以上冷速区时，解决淬火变形问题的办法就是使工件上参与变形部位中原来冷速过快(因而发生淬裂、变形)的部分淬火冷速降低，相当于使工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的左端部分向右收缩，达到左端头也进入第Ⅱ冷速区；使工件上参与变形部位中硬度不足或硬度过低部位的淬火冷速提高，以使其冷却速度带向右伸出第Ⅱ区的部分向左收缩，也进入第Ⅱ冷速区。

例子，图3所示的大圆锯片，它的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区，因此，采取的消除变形措施应能使其冷却速度带的两端同时向中间收缩，直至全部落入其第Ⅱ冷速区。经分析，该圆锯片外沿齿间底部发生淬裂，是在淬火冷却中该部位受到过激的水流冲刷的缘故。解决这一部分(即冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区那一段)的淬裂变形的措施是设法使该部位不受水流冲击，可以在淬火槽中安装护板或改变淬火液循环流动的分配方式，其目标都是使原来冷却太快的外沿部分的冷却速度降低至不会发生淬裂的程度。而对于圆锯片上近中间部位，淬火硬度偏低说明其受到的冷却不足。分析这些部位冷速不足的原因发现，在淬火冷却过程中这些部位长期被流动缓慢的热水包围。由于锯片很大，从下至上做上升流动的热水达到锯片中间部位时液温已相当高，使圆锯片近中心部位有较长时间在蒸气膜及热水笼罩之下，加上该部位实际的有效厚度又远比边沿部位大，使这些部位得不到足够的淬火冷速，淬火硬度自然偏低。又由于上升过程中形成的热水区的液温分布相对于圆锯片是不稳定和不规律的，故淬火后圆锯片的变形大而没有规律性。解决这些部位淬火冷却速度不足的办法，是根据圆锯片在槽中的位置，安设足以使其近中间部位获得适当水流冲击来加快散热，提高冷速，使这些部位对应的冷却速度带右端向左收缩，直至进入第Ⅱ冷速区。由于这类大圆锯片多是专业厂生产，生产装置是专用的，通过适当的试验改进，最终实现使圆锯片的冷速带从左右两个方向同时收缩进第Ⅱ冷速区，从而消除淬火开裂、变形和中间部刚度不足等问题，可以收到一劳永逸的效果。关于解决这类圆锯片淬火变形、开裂问题，本文在后面还将提出另一种解决办法。

四、调节冷却速度带的基本措施

从前面的讨论中可以看出，解决变形问题的途径，实质上是针对具体情况，应用一些能调节冷却速度带的措施，以实现工件冷却速度带的移动和收缩，使其完全进入第Ⅱ冷速区。在热处理生产中，可以采取的基本措施大致有:改变淬火加热温度，改变工件局部冷却状况，改变淬火介质的温度、浓度和流动情况，改换淬火介质，以及适应钢材化学成分和质量波动情况，直至改换钢种和改变工件外形设计等几类。在生产中根据具体情况灵活应用其中的一类或几类方法，通常可解决本文所指的淬火变形问题。以下对各类基本措施分别加以说明。

1．改变淬火加热温度

当工件的冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区时，适当降低工件的淬火加热温度，可以使工件的冷却速度带的左端向右方发生一定量的收缩。这类措施中也包括局部降温后淬火。当工件的冷却速度带伸入第Ⅲ冷速区时，适当提高整个工件或工件上局部区域的淬火加热温度，可以使其冷却速度带的右端向左做一定量收缩。如果原来的淬火加热保温不足，则延长保温时间，也有同样效果。

2．淬火冷却介质上的变换

从淬火介质上想办法，以求减小工件的淬火变形，早已为热处理现场采用。本文采取的办法与习惯办法之不同，主要在两点上。第一，本文改变淬火介质使用状况或改换淬火介质品种等办法，是以前面建立的原则和方法为指导来进行的。第二，过去习惯的做法，调整淬火介质及使用状况的目标，往往限于降低淬火冷却速度，以求降低淬火冷却过程的内应力。而本文的方法，是按工件冷却速度带的跨区情况而定的，既有以降低淬火中的应力为目标的降低淬火冷却速度的措施，更有提高淬火冷却速度的措施。事实上，工件的淬火变形，大多是工件上参与变形部位的冷却速度不足即进入了第Ⅲ冷速区引起的，因而需要以提高冷却速度的办法来解决这类工件的淬火变形问题。采用这种措施提高的是工件相对于淬火介质的冷却速度，即对外的冷却速度，而在工件内部参与变形部位之间却因全部进入第Ⅱ冷速区而使相对差异减小，所以最终能减小工件的内应力，从而减小淬火变形。

在可以采用的淬火介质中，自来水冷却太快，会使许多钢种淬裂并发生淬火变形。遇到这种情况，改换成机油，淬火冷速大大降低，通常可以防止这类淬裂及变形。这是众所周知的办法。由于自来水与机油的冷却速度相差很大，不少钢件在水中淬裂、变形，而在机油中却淬不硬且发生变形。

在自来水中加入适量水性淬火剂，可以在一定程度上降低自来水的冷却速度。而以矿物油(机油)为基础做添加配成的淬火油，又可以使油的冷速增大。这些都为控制淬火变形提供了条件。

普通机油的冷却速度慢，因此，在其中淬火后有超差变形的工件，其淬火冷却速度带大多伸入甚至整个落入第Ⅲ冷速区。遇到这种情况，将原用的机油改换成有适当的快速淬火油，以便使冷却速度带发生左移或向左收缩，最终全部进入第Ⅱ冷速区，便可以解决这类淬火变形问题。在决定是选用水性介质还是淬火油时，还必须考虑液温变化对淬火冷却特性的影响。对淬火油而言，在一定范围内提高油温，油的冷却特性基本不变。在允许的使用温度范围内，进一步提高油温，还会使油的蒸气膜阶段有所缩短，冷却能力相应有所增大。油温过低，油的粘度增大，流动性变差，冷却能力会降低。有些工厂有这样的经历，冬季新开炉时，油温很低，工件的淬火变形大且淬火硬度不足。这是工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区的缘故。遇到这种情况，设法提高油温，比如使油温升到50～80℃再淬同类工件，由于冷却速度提高，工件的冷却速度带左移至全部进入第Ⅱ冷速区，淬火变形就消失了，淬火硬度也达到了工艺要求。

与油相反，在水性介质中淬火时，提高水温会降低淬火冷却速度。降低的程度与介质的品种、使用的浓度和当时的水温有关。当变形工件的冷速带伸入其第Ⅰ冷速区时，适当提高水溶液的液温，可以使其冷却速度带稍向右移。又当水溶液温度过高，淬火冷却速度不足，工件的冷却速度带向右伸入了第Ⅲ冷速区而引起变形时，适当降低水温则有使其冷却速度带左移的作用。

前面图3所举大圆锯片,采用快速淬火油代替现用的水性介质，也能生产出合格产品。快速淬火油可以解决该圆锯片淬裂和变形问题的原因是，这种油的淬火冷却速度比普通机油快得多,可以使8mm厚的65Mn圆锯片中间部位淬硬。又由于快速淬火油的冷却速度远比自来水低，可以保证该工件不发生淬裂。关于中间部位的淬硬问题，由于油的冷却速度随油温升高能有所提高，与接近中间部位的实际厚度比边沿大正好相匹配，也能保证淬硬。从该圆锯片的冷却速度带的跨区情况看，改用快速淬火油后，和用水溶液相比，锯片的冷却速度带变窄了：边沿部位对应的冷却速度带从第Ⅰ冷速区缩进第 Ⅱ冷速区；而近中间部位对应的冷速带也向左收缩进入其第Ⅱ冷速区。结果，就获得淬硬、不裂、且变形小的淬火效果。

3．改善工件的局部冷却状况

在工件上冷速过快的部分加冷的或热的附板以减少这些部位的淬火冷却速度，可以使工件冷却速度带伸入第Ⅰ冷速区的部分向右缩进第Ⅱ冷速区。相反，当工件上某些参与淬火变形部位冷速过慢时，又可以通过向这些部位多分配些液流，以增大冷速，使这些部位对应的、伸入第Ⅲ冷速区的冷却速度带向左收缩，进入第Ⅱ冷速区内。另外，有一种20Cr汽车后桥齿轮，渗碳后直接在机油中淬火，发现有较严重变形：内孔涨大、失圆，内外圆翘曲，公法线长度变化，使产品合格率很低。剖切取样测量其内外表面的硬度发现，渗碳的齿面硬度58～61HRC,未渗碳的内孔侧面淬火硬度不均,壁厚处约20HRC,壁薄处约30HRC，如图5所示。

图5 汽车后桥齿轮的淬火变形及未渗碳部分的冷却速度带

考虑到该齿面淬火硬度已足够高，无淬裂，说明该工件渗层部位已落入第Ⅱ冷速区，因而把研究的目标集中到齿轮的内侧面。内侧面未渗碳，取20Cr钢的端淬曲线中间值，画出其硬度-冷速分区图，由于硬度曲线随冷速降低变化很大，按本文后面将提到的原因，20Cr钢属易变形钢种，其第II冷速区很窄。工件内侧对应的冷却速度带大部分落入其第Ⅲ冷速区。在生产中造成内侧冷速慢的原因是，渗碳中工件串堆太高，且挂具底板上无通孔，淬火时串堆的齿轮已相当于一个平底杯子，底朝下淬入油中。由于"杯"内油的流动性不好，"杯"的内侧散热慢，内侧表面较长时间受蒸气膜笼罩，结果造成齿轮内外过大的冷速差，从相应的冷速带看，外面齿部在第Ⅱ冷速区，而内面在第Ⅲ冷速区。又由于串堆在一起的齿轮有的在"杯口"，有的在"杯中间"，有的在"杯底"，冷却情况差别较大。结果，各个齿轮的变形情况又有不同，使得该工件的变形很不规律。串堆的齿轮越多，这种差别也越大。解决这种淬火变形的措施共三项:⑴改用蒸气膜阶段较短的专用快速淬火油，以加快"杯"内的冷却速度；⑵适当减少串堆齿轮件数(即"杯"的高度)，以减少串堆中不同部位的冷速差异；⑶在挂具底板上多开通孔，以加快"杯"内淬火油的循环流动。采取这些措施后，该类齿轮的淬火变形问题得到了解决。

4．马氏体分级淬火控制淬火变形

马氏体分级淬火能控制淬火变形的原因，通常用图6到图8加以说明。图6是普通淬火工艺的示意图，由于是一冷到底，工件表面和心部的冷却进程相差很大，因此工件的内应力大，淬火变形也就大。

图 7是高于Ms点的马氏体分级淬火工艺的示意图，由于经过高于Ms点温度的分级处理，工件表面和心部的温度基本一致，再缓慢冷却，发生马氏体转变时，工件内外温差大大减小，结果，淬火变形也小。图8是低于Ms点的分级淬火工艺的示意图，其减小淬火变形的原因与图7的解释基本相同。

按照本文提出的方法，马氏体分级淬火控制淬火变形的原因，应改用工件冷却速度带的位置和宽度来加以说明。图9是对普通淬火的工艺的分析。

图6 普通淬火的工艺示意图

图7 高于Ms点的工艺示意图

图8 低于Ms点的工艺示意图

图9 普通淬火的工艺过程和相应的冷却速度带位置

和前面的分析方法不同的是，图9中的两条冷却曲线代表的不再是工件的"表面"和"心部"的冷却过程，而是工件上参与淬火变形部位的"快端"和"慢端"的冷却过程。由于是一冷到底，在对应的硬度-冷速曲线上，冷却速度带的快端伸进了第I区，这就引起了超差的淬火变形。如果使快端向右退缩，至完全进入第II冷速区，变形问题就可以解决了。

按照这种分析方法，解决这类工件淬火变形问题的方法就是使冷却速度带的两端向右缩进到第II区。马氏体分级淬火用以减小冷却速度带的宽度，并使其完全进入适度冷速区。图10中(a) 和(b)分别是用本文的方法对高于与低于Ms点的马氏体分级淬火控制变形作用的分析。可以看出，马氏体分级淬火使冷却速度带的两端向右退缩，至完全进入第 II冷速区，变形问题也就解决了。

图10 马氏体分级淬火控制淬火变形原因分析

这里用到的也是工件上参与淬火变形部位的冷却速度带的快端和慢端，而不是工件的表面和心部。实际上，淬火冷却中，除标准的圆球并能完全均匀地冷却球面各部分的情况外，工件表面各部分的冷却速度相差是很大的，尤其是形状复杂的工件。实际生产中很难找到相当于图6到图8中"表面"的冷却过程曲线。所谓工件的心部，一般也是不好确定的。前面谈到，决定工件淬火变形大小的应当是冷却速度带相对于第II区的位置，而不是工件上无法确定的"表面"和"心部"。

可以看出，能够用分级淬火方法解决的往往是形状较复杂，变形要求较严，因而其第II区较窄的工件，用普通一冷到底的方法，其冷却速度带的快端伸入了过快冷速区(第I区)，而慢端在过快冷速区或在适度冷速区(第II区)的淬火变形问题。由于马氏体分级淬火冷速较慢，那些会使冷却速度带的慢端伸入了不足冷速区 (第III区)的淬火变形问题，通常不能用马氏体分级淬火方法得到解决。这就是马氏体分级淬火只适用于尺寸较小的工件和淬透性较好的钢种的原因。可以推知，选用淬火冷却速度更快的分级淬火介质，可以成功地控制尺寸较大和淬透性更低钢种制件的淬火变形。

5．钢材品种和材质的因素

钢种不同，顶端淬火曲线的形状也不同。淬透性好的钢，其硬度随距离的变化较平缓，淬透性差的钢，变化比较陡。在硬度-冷速分区图上，淬透性好的钢种，第Ⅱ冷速区比较宽，而淬透性差的钢种，第Ⅱ冷速区则比较窄。淬透性好的钢，其第Ⅲ冷速区较宽，即硬度-冷速曲线变化速率不大；相反，淬透性差的钢的第Ⅲ冷速区变化陡，硬度随冷速变化较大，如图11所示。根据前面的道理，可以推知，钢种的淬透性越好，越容易控制工件的淬火变形。当然，随着钢的淬透性提高，其第Ⅰ冷速区也随之变宽，因而需要采用更缓慢的淬火介质来防止淬裂。

图11 硬度-冷速曲线形状与钢材淬透性高低的关系

图12 钢的淬透性波动对冷速分区情况的影响

再看同一钢种的淬透性带图线，如图12所示。当成分波动使钢材的淬透性取图中上限时，其硬度-冷速关系成图中上面一条曲线。而当成分波动取下限时，分区情况如图中下方曲线所示。上端曲线的第Ⅰ冷速区稍宽些，第Ⅱ、Ⅲ冷速区则进一步加宽；下端曲线则相反。按前述道理推知，若同一钢种发生成分波动引起淬透性波动时，淬透性偏高的钢，比较容易控制工件的淬火变形，淬透偏低时，则较难控制工件的淬火变形。当然，淬透性偏高，尤其是因碳含量偏高所致时，工件淬火的第Ⅰ 冷速区较宽，比较容易淬裂。

上述钢材方面的因素对工件淬火变形和开裂的影响规律，可以用来指导预防或解决淬火变形。有时候，可以通过改用淬透性更好的钢种，在相同条件下淬火，来控制工件的淬火变形。而当钢材成分波动使淬透性降低并因此发生淬火变形时，可以改用冷却速度更快的淬火介质来控制变形。为了预防钢材成分波动引起淬火变形，当用油淬火时，可以改用快速淬火油，以覆盖可能的成分波动的影响。能这样做的另一个原因是，绝大多数钢种在油中(包括在快速油中)不会淬裂。对于多数结构钢工件在油中淬火的变形问题，使用合适的水溶性淬火剂，往往可以消除变形和开裂，其原因也在于淬火冷速更快，可以保证工件的冷却速度带不会伸入第Ⅲ冷速区。

五、基本措施的应用次序

上面介绍的四类调节冷却速度带基本措施，也就是控制淬火变形的四类基本方法。在热处理生产中，解决工件淬火变形问题时，如果有足够的实际经验，则可以判定直接采取某一类或几类措施；如果经验尚不足，则又可以按下面介绍的基本措施应用次序，逐一试用，直至解决问题为止。

第一条措施：改变热处理工艺参数

首先，可以根据淬火变形工件的冷却速度带的跨区情况，采取以下热处理工艺措施: