冷卻速度帶橫跨3個(gè)區(qū)的淬火變形問題？某廠生產(chǎn)一種65Mn制的切割石材用的大圓鋸片基片，~1600mm，厚度8mm，如圖6所示。該工件要求的淬火硬度60HRC以上，片內(nèi)不同部位的硬度差異小于3HRC。開始，該廠采用全損耗系統(tǒng)用油(普通機(jī)油)淬火，不僅淬火硬度達(dá)不到要求，還有嚴(yán)重的淬火變形翹曲，好在還沒有發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。為提高板片的淬火硬度，決定改用有機(jī)聚合物水溶液來淬火。試生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，水溶液中淬火后，淬火變形更加嚴(yán)重。檢查發(fā)現(xiàn)，板片邊緣部分淬火硬度高達(dá)63HRC，而且齒口部多處淬裂。分析表明，片內(nèi)面硬度高低不均，最低處只有39HRC。這一淬火難題困擾了該企業(yè)好幾個(gè)月。后來采用一種快速淬火油，問題才得到完滿的解決。
 
現(xiàn)在，用下面介紹的冷卻速度帶法，來分析一下該鋸片的變形和開裂問題。65Mn淬透性不太好，鋸片又特別大，在全損耗系統(tǒng)用油中淬火，不容易達(dá)到要求的淬火硬度。結(jié)果，工件的冷卻速度帶落到了第Ⅲ區(qū)上，如圖6a所示。所用水溶性淬火液的冷卻速度比全損耗系統(tǒng)用油快得多，但它是以水為主的淬火液，不可避免地存在水的兩大缺點(diǎn)：低溫冷卻速度太快冷卻特性對水溫變化太敏感。垂直放在水中冷卻的大鋸片，就像一堵墻一樣限制了水的流動(dòng)。工件淬火冷卻中，接觸高溫而被加熱了的淬火介質(zhì)只能沿著鋸片往上升。在自動(dòng)上升過程中又進(jìn)一步被工件加熱，結(jié)果同一板片從下向上接觸的水溫是越來越高。水溫越高，水的冷卻能力越低，使得板片的下部邊緣附近獲得的冷卻速度很高；中問、特別是中偏上部分獲得的冷卻速度相當(dāng)?shù)?。結(jié)果，板片的邊緣、特別是下部和側(cè)面邊緣淬火硬度很高，并淬裂。這說明這些部位進(jìn)入了第1冷速區(qū)。而其板片中上部分，因冷卻速度較低，造成淬火硬度不足且高低不均，變形翹曲非常嚴(yán)重，表明這些部位進(jìn)入了第Ⅲ冷速區(qū)，如圖5b所示。這樣，工件的冷卻速度帶就橫跨了第1、第Ⅱ和第Ⅲ共三個(gè)冷卻速度區(qū)。結(jié)果，在一個(gè)工件上同時(shí)出現(xiàn)淬火變形、淬火開裂和硬度高低不均等問題。后來，的工程師改用了冷卻速度遠(yuǎn)高于全損耗系統(tǒng)用油的快速淬火油。該快速淬火油能使鋸片淬火到要求的硬度。由于淬火油的冷卻速度低于原來使用的水溶性淬火液，所以解決了淬火開裂問題。在鋸片的中上部，油溫升高使油的粘度降低而流動(dòng)性有所提高，可以抵消油溫升高使工件與介質(zhì)之間的溫差減小的不利影響。加上油的冷卻特性對使用范圍的油溫變化不敏感，其結(jié)果，板片中問部分獲得的冷卻速度與邊緣部分基本相同。這些情況都有利于獲得內(nèi)外基本一致的淬火硬度，因而也有利于減小板片的淬火變形。相對于全損耗系統(tǒng)用油和熱水，快速淬火油使工件冷卻速度帶的慢端從第Ⅲ冷速區(qū)向左收縮。相對于水性淬火液，快速淬火油使工件冷卻速度帶的快端向右收縮，其結(jié)果是冷卻速度帶從左、右兩個(gè)方向同時(shí)向第Ⅱ冷速區(qū)收縮，并完全落人第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。結(jié)果，用快速淬火油圓滿地解決了該類大圓鋸片的淬火變形問題。等溫分級淬火方法減小淬火變形的原因等溫分級淬火法是減小淬火變形的有效方法。關(guān)于這類方法能減小工件淬火變形的道理，當(dāng)前的國內(nèi)外書刊上都有相同的圖示解釋。目前，等溫分級淬火的介質(zhì)有兩類：第一類是等溫分級淬火油。實(shí)際生產(chǎn)中，等溫分級淬火油用得最多，中小模數(shù)齒輪的滲碳淬火大多采用等溫分級淬火油；另一類是等溫鹽浴(主要是硝鹽浴)。在我國熱處理設(shè)備行業(yè)，鹽浴在合金工具鋼類工件的熱處理中應(yīng)用較廣，而在結(jié)構(gòu)鋼類的基礎(chǔ)件的熱處理中用得很少。是否所有的淬火變形問題都可以改用通常的等溫分級淬火油而得到解決?生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，答案是否定的。下面，我們將用本文介紹的冷卻速度帶法，重新認(rèn)識用等溫分級淬火方法能控制工件淬火變形量的道理，并進(jìn)而說明它的適用范圍。圖7是當(dāng)前通用的解說示意圖，每個(gè)圖中快慢不同的兩條冷卻過程曲線，分別代表工件的表面和心部的冷卻過程曲線(有關(guān)的解釋是熱處理人共知的)。
 
按照本文介紹的方法，我們對圖7做了一些改動(dòng)，使它變成了圖8。改動(dòng)之處是：圖8中用“冷卻速度帶的快端”代替圖7中的“工件表面”，用“冷卻速度帶的慢端”代替圖7中的“工件的心部”。做這種改動(dòng)的理由是：①除了組織和成分均勻的標(biāo)準(zhǔn)圓球外，實(shí)際工件上都找不出哪個(gè)部位是它的“表面”，也找不出工件的“心部”。②工件上參與淬火變形部位的冷卻情況，也就是冷卻速度帶的“快端”和“慢端”的位置，決定了工件的淬火變形大??；而與根本找不到的“表面”和“心部”關(guān)系不大。③只有少數(shù)種類的零件要求將心部淬透，而多數(shù)零件只要求一定的淬硬層深度，過淺和過深的淬硬層都是有害的。
        圖8a表示一冷到底的普通淬火方法。由于采用的淬火油冷卻速度過高，冷卻過程中，工件的冷卻速度帶部分或者全部進(jìn)入了該工件的第工冷速區(qū)。也由于淬火冷卻速度過快，工件的冷卻速度帶也比較寬。淬火的結(jié)果，工件淬火變形超差，但同時(shí)淬火硬度也一定很高。這種情況下，改用等溫分級淬火的辦法，比如采用一種等溫分級淬火油來做等溫分級淬火，既可能使工件的冷卻速度帶向右移，又可能減小工件的冷卻速度帶的寬度，從而使它完全落人其第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)。如圖8b所示。完成這種右移的淬火油，其效果冷卻速度一定比原來采用的淬火油的更低。由于油性等溫分級淬火介質(zhì)的效果冷卻速度低，因此只適用于壁厚較小的結(jié)構(gòu)鋼類工件，以及淬透性較高的合金鋼件。需要說明的是，圖8中所畫快端和慢端的冷卻過程曲線相對于TTT曲線的位置，只可以看成是某特定工件在一定冷卻條件下的特例，不具有普遍的代表性。
 
但是，如果引起淬火變形的原因是所用淬火介質(zhì)的，冷卻速度不夠快，以致使淬火工件的冷卻速度帶部分甚至全部落入其第Ⅲ冷速區(qū)。對這樣的淬火變形問題，改用等溫分級淬火油，就得不到解決。只有改用淬火冷卻速度更快的冷卻介質(zhì)，來使工件的冷卻速度帶向左移入第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)，變形問題才能得到解決。許多模數(shù)較大的齒輪，特別是那些從動(dòng)錐形齒輪(所謂大盤齒)，用全損耗系統(tǒng)用油淬火引起的淬火變形問題，都不是用等溫分級淬火油，而是改用快速淬火油來解決的，原因就在這里。此外，還有一些壁厚更大，而且第Ⅱ冷速區(qū)又較窄的結(jié)構(gòu)鋼制工件，比如一些形狀復(fù)雜、壁厚相差大，以及要求嚴(yán)格控制淬火變形程度的較厚大工件，因?yàn)殡y以達(dá)到要求的淬火硬度，或者窄小的第Ⅱ冷速區(qū)裝不下過寬的冷卻速度帶，用水性介質(zhì)、全損耗系統(tǒng)用油和快速淬火油都不能解決它們的淬火變形問題。神光電爐為了控制這類工件的淬火變形，需要選用冷卻速度比油快的等溫分級淬火介質(zhì)。當(dāng)前能解決這類問題的，只有低溫鹽浴。圖9中對比了160~C硝鹽浴與冷卻速度特別快的快速淬火油的冷卻特性?？梢钥闯?，該硝鹽浴的冷卻速度在從高到低的溫度范圍都比快速淬火油要快。一般工件在低溫鹽浴中做淬火冷卻，由于工件的淬火加熱溫度低于鹽浴的特性溫度，冷卻過程沒有蒸汽膜階段。這一特點(diǎn)既可以提高工件在鹽浴中的冷卻速度，又可以避免特性溫度所引起的冷卻速度帶加長。因此，用低溫鹽浴做等溫分級淬火，既能把工件的冷卻速度帶向左移到第Ⅱ冷速區(qū)
 
上，又因等溫分級作用和沒有蒸汽膜階段而縮短工件的冷卻速度帶，使它容易落入第Ⅱ冷速區(qū)之內(nèi)。這是更厚大的工件特別適合用低溫鹽浴做等溫分級淬火的原因。