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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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