九．工件群體淬火變形問題的分類和解決辦法
        工件群體與單個(gè)工件的差別是：單個(gè)工件的冷卻速度帶和第Ⅱ區(qū)的邊界是具有確定位置的邊界；而群體的這些邊界卻形成了一定的分布。因此，在工件群體的淬火變形問題中，既包含了單個(gè)工件具有的特點(diǎn)，也包含了與群體分布相關(guān)的特性。根據(jù)其嚴(yán)重程度，本文把工件群體出現(xiàn)的淬火變形問題分成兩大類來加以討論：一類是淬火后，近半數(shù)或者大部分、甚至全部工件都發(fā)生了超差的淬火變形；另一類是大部分工件的變形不超差，而只有少部分工件發(fā)生了超差的淬火變形。按工件群體的冷卻速度帶和第Ⅱ區(qū)的相對位置關(guān)系，可以把這兩類情況表示在圖21中。圖21以冷卻速度帶從慢端超差了第Ⅱ區(qū)的右邊界的情形為代表，來說明它們的相對關(guān)系。其中。為工件群體的第Ⅱ區(qū)的右邊界，b．為全部工件發(fā)生了超差淬火變形時(shí)的相對位置關(guān)系，b2是大部分工件發(fā)生了超出淬火變形時(shí)的相對位置關(guān)系，c是少部分工件發(fā)生了超出淬火變形時(shí)的相對位置關(guān)系。
 
1．大多數(shù)工件發(fā)生淬火變形時(shí)的解決辦法
        大部分甚至全部工件發(fā)生了超差淬火變形時(shí)，由于工件群體的冷卻速度帶的慢端伸出第Ⅱ區(qū)較遠(yuǎn)，只用調(diào)整群體分布特性的辦法，已不大能把群體的慢端移入其第Ⅱ區(qū)內(nèi)。因此，解決此類問題的辦法 不牽涉上述群體的分布特性。如果鋼材和其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)沒有明顯的差錯(cuò)，首先應(yīng)關(guān)注問題：是否選錯(cuò)了淬火介質(zhì)。檢查工件的淬火態(tài)硬度和淬裂情況，如果硬度普遍偏高，包括伴有淬火開裂，那就是錯(cuò)選了冷卻速度過快的淬火介質(zhì)；如果硬度偏低和淬硬層深度不夠，那就是錯(cuò)選了冷卻速度過慢的淬火介質(zhì)。這些都屬于冷卻速度帶的位置上的問題。改選一種更合適的淬火介質(zhì)，使工件的冷卻速度帶向左移或者向右移動(dòng)，并基本達(dá)到落到其第Ⅱ區(qū)內(nèi)的程度。變形問題就可能得到相當(dāng)程度的解決。
        如果采用改換淬火介質(zhì)的辦法行不通，或者更換淬火介質(zhì)后仍然達(dá)不到使大部分工件淬火變形不超差的程度，那就得考慮采用更換鋼種的辦法了。如果冷卻速度帶是從快端超出了第Ⅱ區(qū)的左邊界，那就得改用碳含量更低，或者(和)淬透性更差的鋼種。使其第Ⅱ區(qū)的左邊界向左擴(kuò)展，以便把冷卻速度帶的快端框進(jìn)第Ⅱ區(qū)內(nèi)。如果冷卻速度帶從慢端超出了第Ⅱ區(qū)的右邊界，那就得改用淬透性更好的鋼種，使其第二區(qū)的右邊界向右移并把工件群體的慢端框進(jìn)其中。如果改換鋼種的辦法仍然行不通，那就只有從設(shè)計(jì)上修改零件的形狀尺寸了。通過采取以上措施，問題可能得到全部解決；也可能變成只有少部分工件發(fā)生超差淬火變形的第2類變形問題。
2．少部分工件發(fā)生超差淬火變形時(shí)的解決辦法
        在這類淬火變形問題中，雖然工件群體的冷卻速度帶超出第Ⅱ區(qū)并不遠(yuǎn)，但問題卻更復(fù)雜和更難解決。判明解決問題的方向性之后，可以采用兩類辦法來解決問題。第一類辦法是有方向地對熱處理工藝參數(shù)做一定程度的調(diào)整，目標(biāo)是從發(fā)生問題的一端去移動(dòng)或者收縮冷卻速度帶和擴(kuò)大第Ⅱ區(qū)，直至把群體的冷卻速度帶更大部分地框進(jìn)其第Ⅱ區(qū)內(nèi)。第2類辦法是減小有問題的端部的分散程度等，目標(biāo)是使發(fā)生超差淬火變形的工件比例降低到滿足要求的程度。如果最初確定的熱處理工藝是合理的。在發(fā)現(xiàn)淬火變形后，又根據(jù)情況調(diào)整過工藝參數(shù)，問題仍然得不到解決。那么，繼續(xù)改進(jìn)熱處理工藝參數(shù)，以求完全解決淬火變形問題的希望也就不大了。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)到減小工件群體的特性波動(dòng)上去。
3．減小群體特性分散性的效果預(yù)測
        減小工件群體特性波動(dòng)的目的，是減小工件群體的冷卻速度帶和第Ⅱ區(qū)邊界位置分布的分散程度。邊界位置的分散特性對工件群體淬火變形的影響能有多大?我們將通過以下的討論，來回答這個(gè)問題。一般說，減小產(chǎn)品特性的分散程度，其結(jié)果，產(chǎn)品品質(zhì)總是提高的。性能分散程度減小，是這種提高的一個(gè)效果。同時(shí)，產(chǎn)品的其他性能也都會(huì)有一定程度的提高。在下面的分析討論中，為了簡化問題，我們忽略了后一類提高部分，而假定性能的平均值始終保持不變。某廠曾經(jīng)有一種汽車齒輪，滲碳淬火后總有約30％的工件因超差變形而返工或者報(bào)廢。發(fā)生超差變形的工件，它們的淬火態(tài)硬度雖然合格，但比其他工件的硬度還是稍稍偏低一些。直到該廠齒輪鍛坯的等溫正火線投入使用，改善了滲碳淬火之前的預(yù)備組織，發(fā)生超差淬火變形的工件才減少到2％左右。根據(jù)這一情況可以判定，原來的淬火變形是工件群體的冷卻速度帶從慢端伸出了它的第Ⅱ區(qū)。因?yàn)閱栴}的解決靠的是齒輪鍛坯的等溫正火。在本文的第八部分已經(jīng)分析指出，等溫正火的作用，是擴(kuò)大工件群體的第Ⅱ區(qū)。因此，可以把工件群體的冷卻速度帶，以及群體第Ⅱ區(qū)右邊界的關(guān)系，表示成圖22所示的圖形。因?yàn)椴扇〉霓k法沒有改動(dòng)工件淬火冷卻條件和方式，我們就不考慮群體冷卻速度帶慢端的分布情況，只把冷卻速度帶畫成簡單的方框圖形。這樣可以突出群體第Ⅱ區(qū)右邊界分布特性的影響。為了簡化問題，我們假定：鍛坯做等溫正火并不改變第Ⅱ區(qū)右邊界位置的目值。也就是等溫正火前后兩種分布的平均值相等。從正態(tài)分布數(shù)據(jù)表中容易查出，離開平均值1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(．s)以遠(yuǎn)的單邊面積為34％ ，而離開2．s以遠(yuǎn)的單邊面積則為2．3％。由此可以設(shè)想，對于發(fā)生超差淬火變形達(dá)34％的一個(gè)工件群體，如果設(shè)法把它們的第Ⅱ區(qū)的右邊界位置的分散程度降低，并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)差減小到原來的一半的程度，則工件群體的第Ⅱ區(qū)就向右擴(kuò)了一定的距離。后來的標(biāo)準(zhǔn)差(．s2)降低到原來的標(biāo)準(zhǔn)差(．s．)的一半時(shí)，冷卻速度帶的慢端正好落在距平均值2個(gè)．s2的位置上。于是，發(fā)生超差淬火變形的比例也就降低到23％了。圖22中畫出了兩個(gè)平均值相等，而標(biāo)準(zhǔn)差正好相差一倍的正態(tài)分布曲線。其中，分布1的標(biāo)準(zhǔn)差．sl與分布2的標(biāo)準(zhǔn)差．s2的關(guān)系為：．sl=2．s2。這與上述齒輪做等溫正火前后，淬火變形超差的工件比例變化基本相同。因?yàn)榉植嫉姆稚⒊潭冉档停鄳?yīng)地，等溫正火后，工件群體的第Ⅱ區(qū)的右邊界就向右擴(kuò)大了．s2的距離。這可以用來說明上述齒輪廠采用等溫正火后，淬火變形問題能得到解決的原因。如果把問題的解決歸功于使慢端位置分布的分散性減小一半，如圖23所示。同樣也能使變形工件從34％減少到2．3％。
 
第Ⅱ區(qū)端部位置的分散程度降低一半，就可以使發(fā)生超差淬火變形的工件的比例從34％降低到2．3％ ，這是一個(gè)非常可觀的效果。這說明，減小有關(guān)影響因素的波動(dòng)程度，是控制工件群體淬火變形的一類有效途徑。按正態(tài)分布特性，以分布的標(biāo)準(zhǔn)差(s)為計(jì)量單位，距平均值一定距離z(即z個(gè)|s)以遠(yuǎn)部分的單邊面積(如圖24所示)和該距離之間的對應(yīng)關(guān)系，可作成表4。表中，設(shè)正態(tài)分布曲線以下的總面積為1，其部分面積則以百分比表示。用表列數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行這樣的預(yù)測：要把工件群體的超差淬火變形比例從一定值降低到某個(gè)限度時(shí)，需要使分布的分散特性(|s)減小到什么程度。具體的計(jì)算方法如下：
   
 
今有一個(gè)超差淬火變形工件達(dá)20％ 的淬火變形問題，想通過減小問題端部的冷卻速度帶，或者第Ⅱ區(qū)的端部的分散程度，來使變形比例分別降低到2％和5％。問需要使該端部分布的標(biāo)準(zhǔn)差各減小到什么程度?設(shè)20％發(fā)生變形時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差為|s ，而能使變形比例降低到2％的標(biāo)準(zhǔn)差為s2，則由0．84S1=2．06S2，可以求出S2= (0．86／2．06)Sl：0．41S1。即需要把問題端部的分散程度降低到原來的41％。而需要降低到5％時(shí)，由0．84S1=1。29S2，可以算出，S2=0．65S1。即需要把問題端部的分散程度降低到原來的65％。再如，假定原來的變形比例是5％，希望降低到0．5％。則由1．96S1=2．57S2，可以求出S2=0．762Sl。即需要把問題端部的分散程度降低到原來的76％。人們不禁要問：如何去減小上述標(biāo)準(zhǔn)差，以及能減小到什么程度?減小有關(guān)影響因素的波動(dòng)程度，其通俗的說法就是提高工件群體的性能均勻一致性。這是當(dāng)前大工業(yè)生產(chǎn)中很受關(guān)注的問題。2004年出臺(tái)的國內(nèi)“汽車齒輪用鋼的市場準(zhǔn)入條件” 中，把鋼材末端淬透性帶(3mm處)的寬度從過去的12個(gè)HRC，減小到7個(gè)HRC。寧波神光電爐有限公司的標(biāo)準(zhǔn)更高，定為6個(gè)HRC。與此同時(shí)，齒輪鍛坯的等溫正火已經(jīng)在國內(nèi)很多廠家推廣開來。過去，齒輪生產(chǎn)廠采用傳統(tǒng)正火方法時(shí)，齒輪鍛坯的正火硬度差異常常高達(dá)40個(gè)HBS。而良好的等溫正火，可以把齒輪鍛坯的正火硬度范圍縮小到12個(gè)HBS之內(nèi)。雖然我們很難知道控制鋼材淬透性帶寬度，以及控制鍛坯正火組織等措施對控制工件群體第Ⅱ區(qū)邊界位置的分布的分散程度的定量關(guān)系，但從上面列舉的特性波動(dòng)的可控程度看，將后者的標(biāo)準(zhǔn)差減小約一半，應(yīng)當(dāng)是可能的。
        除了控制鋼材淬透性帶寬度和淬火之前的預(yù)備組織之外，控制和消除液態(tài)冷卻介質(zhì)的特性溫度問題的影響，也是減小工件群體特性波動(dòng)的重要措施。在清水中淬火會(huì)發(fā)生超差淬火變形的有些工件，改用冷卻速度更快的鹽水，反而能控制它的淬火變形。其主要原因就是在鹽水中淬火時(shí)，能大大縮短冷卻的蒸汽膜階段。另外，用低溫硝鹽浴代替快速淬火油能減小工件的淬火變形，其原因之一也是消除了特性溫度問題的影響。它們所取得好效果，也說明了減小特性溫度問題對減小上述分散程度的作用。
4．冷卻速度帶同時(shí)從兩端超出第Ⅱ區(qū)的淬火變形問題
        實(shí)際生產(chǎn)中，這樣的淬火變形問題很少，通常只發(fā)生在細(xì)長件和大而薄的工件上。在本文第四部分圖6所示的大圓鋸片用水性介質(zhì)淬火，就是一個(gè)例子。它們的特點(diǎn)是：同一個(gè)工件上有的部位淬火硬度過高甚至淬火開裂，又有另外部分淬火硬度不足，并有嚴(yán)重的變形翹曲。解決這類淬火變形問題的關(guān)鍵是縮短工件的冷卻速度帶。對于細(xì)長件，宜用減小參與淬火變形部位的辦法，最好是用循序加熱淬火。對于大而薄的工件，可以從選用特性溫度問題小的淬火介質(zhì)，并輔以合適的裝掛方式，以及采用壓淬等辦法來解決淬火變形問題。