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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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