工件的淬火變形問題是當今熱處理行業，乃至機械制造行業的重大難題。說它“難”一是指變形問題“太復雜”和“牽涉面太廣”。從零件設計、鋼材品種及其質量、冷熱加工和人為因素到熱處理生產的各個細節，都可能成為淬火變形的影響因素；二是指它“幾乎無規律可循”。解決淬火變形問題的措施大多，且“時靈時不靈”，常常讓人無所適從。國外有人把眾多的影響因素歸納成圖1所示的魚骨架圖。為了把圖中所列分散在不同時間、不同地點、不同環節和不同性質的影響因素的作用都考慮進去，有人甚至采用系統工程的方法，來分析和解決工件的淬火變形問題。我們認為，不管淬火變形的影響因素如何多、關系如何復雜，所有這些因素的影響最終都只匯集到一個具體的工件上，并且只對工件的硬度高低、變形和開裂趨向起作用。因此，有理由認為，能夠建立一些簡單而又普遍適用的方法，用來匯總所有影響因素的作用，并能幫助我們比較容易地分析和解決淬火變形問題。本文介紹的“冷卻速度帶法”，就是一種這樣的方法。

 

圖1 匯總淬火變形影響因素的魚骨架圖

通常所說的淬火變形既包括工件在淬火冷卻過程中產生的變形，也包括工件淬火加熱中以及工件向淬火液轉移中發生的變形。后兩類原因引起的變形，一般可以稱為外力引起的變形。外力引起的變形原因比較簡單，問題比較容易解決。淬火冷卻過程中發生的變形，主要是冷卻過程中的內應力引起的。內應力引起變形的情況要復雜得多。本文所研究的就是這類淬火變形問題。

任何一種簡化復雜的淬火變形問題的通用方法，都必然有它簡化淬火變形問題的角度或者說思路。以不同的思路入手去簡化淬火變形問題，建立的方法也不會相同。

在此介紹的冷卻速度帶法認為，所有影響工件淬火變形的因素，都通過對工件兩個特性的作用而影響工件的淬火變形。第一個特性是，工件承受淬火冷卻速度快慢的能力。第二個特性是，工件在淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢。只有把工件獲得的冷卻速度的快慢程度完全控制在它所能承受的冷卻速度的快慢能力之內，才能獲得工件要求的淬火硬度、淬硬層深度、不淬裂，和淬火變形不超差的淬火結果。相反，工件淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢范圍，一旦超出了該工件所能承受的淬火冷卻速度快慢的能力范圍，不管是快了，還是慢了，都會使該工件發生超差的變形、淬裂、或者淬火硬度不足等問題。下面，將以此為基礎，建立和討論解決工件淬火變形問題的冷卻速度帶法。

我們用圖2 所示的方式來說明上述兩個特性的關系。圖中，橫坐標表示冷卻速度。由于后面將要說明的原因，我們約定：從左向右，冷卻速度是減小的。圖中把冷卻速度由快到慢劃分成三個區域，分別稱為第I，第II和第III冷卻速度區。冷卻速度坐標軸下面的長方形圖形，代表工件（嚴格說，應當是工件上參與淬火變形部位）在淬火冷卻中實際獲得的冷卻速度的快慢。我們把該長方形稱為工件的冷卻速度帶，即該工件在淬火冷卻中不同部位獲得的冷卻速度所覆蓋的冷卻速度范圍。長方形的左端稱為冷卻速度帶的快端，右端稱為冷卻速度帶的慢端。一般說，快端代表工件上有效厚度小，或者突出的部分獲得的冷卻速度。而慢端則代表工件上有效厚度大，或者凹進部分獲得的冷卻速度。實際生產中，工件的冷卻速度帶可能落在第I區，也可能落在第II區或者第III區內；還可能跨越兩個甚至三個區。按照前面的約定，可以把工件的冷卻速度帶落在圖中三個冷卻速度區的情況及其淬火效果作成表1。

 

a.三個冷卻速度區與工件的冷卻速度帶      b.鋼材的端淬曲線與分區的關系

圖2 把淬火變形問題轉換成冷卻速度的分區與冷卻速度帶的關系

表1 不同冷卻速度區的淬火效果
分區	名    稱	區內淬火效果
I區	過快冷速區	硬度過高、淬裂、也可能有超差的變形
II區	適度冷速區	硬度高而且均勻，無淬裂，且變形不超差
III區	不足冷速區	硬度不足且高低不均，變形大

為了結合鋼的熱處理理論和熱處理的實際生產經驗，我們再把鋼材的端淬曲線同時畫進圖2（a）所示的圖線中，就得到圖2（b）。由于第1冷卻速度區的冷卻速度太快，對一般的結構鋼，雖然可以獲得更高的淬火硬度，卻可能引起淬火開裂和超差的淬火變形。第III冷卻速度區的冷卻速度不夠快，不能獲得足夠的馬氏體組織，因此工件的淬火硬度不足。由于第III區是淬火硬度對冷卻速度差異特別敏感的區域。很小的冷卻速度差，就能引起明顯的淬火硬度變化。因此，工件的淬火硬度高低不均。因高低不均的硬度代表著馬氏體和非馬氏體組織的比例關系的迅速變化，不同組織的比容差異加上冷卻的不均勻性，往往會引起較大的淬火變形。總之，工件獲得的淬火冷卻速度快了，即它的冷卻速度帶進入了第I冷速區，或者工件獲得的冷卻速度慢了，即它的冷卻速度帶進入了第III冷速區，都會引起熱處理質量問題。只有使工件的冷卻速度帶完全落入它的第II冷速區內，才能獲得滿足熱處理要求的淬火冷卻效果。

需要說明的是，冷卻速度帶法是一個定性的方法。這種定性的方法建立的是一套分析和解決淬火變形問題的原則思路。由于是原則思路，它的適用范圍就相當寬。也由于是定性的方法，上面所謂的第II區的邊界和工件冷卻速度帶的邊界，都沒有規定它們的具體數值。遇到實際工件的淬火變形問題，我們是按表1所列的淬火效果，來判斷該工件的冷卻速度帶的跨區情況，再按它的跨區情況，設法使它完全落入第II區內，來解決該工件的淬火變形問題。

在這種思路框架下，本文主要包括兩方面的研究內容。一是眾多有關的因素對工件承受淬火冷卻速度快慢的能力的影響規律，也就是對工件第二區的位置和寬度的影響規律。二是眾多有關的影響因素對工件獲得的淬火冷卻速度快慢的影響規律，也就是對工件的冷卻速度帶的位置和寬度的影響規律。影響工件第二區的位置和寬度的因素，主要包括零件設計、鋼材品種質量，以及淬火冷卻之前的所有冷熱加工過程的影響因素。而影響工件冷卻速度帶的因素，主要包括零件的形狀大小、鋼材品種等由零件設計所確定的因素，加上淬火冷卻的方式和條件等可以由熱處理工作者選擇和確定的因素。而本文研究的具體內容則包括各影響因素的作用機理和作用規律，以及不同影響因素之間的相互關系及協調作用規律�？紤]到許多相同工件是大量而成批生產的，在一定生產條件下，往往只有其中的部分工件才發生超差淬火變形；本文還研究了工件群體的淬火變形問題，并提出了減少工件群體淬火變形量的原則方法。

 

按理說，找到了引起淬火變形的原因，問題就容易得到解決。但是，由于淬火變形問題的復雜性，找準原因可不是一件容易的事情。原因找錯了，麻煩就大了。一旦發生了淬火變形，就不分青紅皂白地認為“是工件的淬火冷卻速度太快了”。這是經驗不足的人最容易犯的錯誤。一般說，引起工件淬火變形的原因，既有淬火冷卻之中的問題，也有淬火冷卻之前的問題。在討論影響第II區的寬度和位置的因素之前，我們暫時不涉及淬火冷卻之前的原因，而只考慮與淬火冷卻過程有關的問題。下面，將結合本文介紹的方法，分析幾個淬火變形的原因。

1、北京某廠的熱處理車間曾經遇到過一個奇怪事情。該廠淬火一批不算大的45鋼齒輪。因為該類工件有比較嚴格的變形程度要求，決定在普通機油中淬火。但是，淬火后發現變形程度嚴重超差，而且淬火態硬度高低不均。經過研究，現場工作者認為“淬火變形是淬火時的內應力過大引起的。而淬火冷卻速度過快是引起大的內應力的唯一原因”。于是，在后來的熱處理中，采取了諸如降低淬火加熱溫度、停止在油中的擺動，以及在空氣中預冷后再入油淬火等措施及其組合。經過很長一段時間摸索，問題始終得不到解決。生產試驗中，有個技術人員一賭氣，干脆把幾個工件先后投入淬火水槽中，算破罐子破摔了。等花費半天時間，檢查發現所有油淬工件的變形仍然不合格之后，才有人想起水槽中還有幾個工件。撈出來一檢查，變形程度全部合格！但是，每個工件上都有幾條小的淬火裂紋。這種結果讓他們百思而不得其解。

現在，用冷卻速度帶法來分析這種工件的淬火變形原因。45鋼的淬透性較差，在普通機油淬火，稍厚的工件就淬不硬。用圖2的方法來分析，是工件的冷卻速度帶部分落入了第III冷速區而產生了超差的淬火變形。如果再采取降低淬火冷卻速度的辦法，還將使工件的冷卻速度帶更多，甚至全部落入第III冷速區。因此，不可能減小工件的淬火變形。作為淬火冷卻介質，水的第一大缺點是低溫冷卻速度太快。所以，投入水中的幾個工件都淬裂了。表1中看到，進入第I冷速區的淬火效果是硬度很高、可能發生淬裂，但變形不一超差。這說明，在水中淬火使工件進入了它的第一冷速區，即過快冷速區。如圖3所示。

 

圖3 45鋼工件在不同介質中淬火時冷卻速度帶的位置對比

按照冷卻速度帶法，這一淬火變形問題應當采取使工件的冷卻速度帶向左移入第II冷速區的辦法來解決。具體的辦法是，改用冷卻速度高于普通機油的淬火介質，比如快速淬火油，或者比自來水的低溫冷卻速度更慢的水溶性淬火液，比如5～8％的PAG淬火液。它們都能把工件的冷卻速度帶向左移入第2冷速區之內，從而獲得較高的淬火硬度和較小的淬火變形。圖3中，比較了普通機油、自來水和6％的PAG淬火液淬火時的冷卻速度帶的位置關系。可以看出，只有用6％的PAG淬火液，才能使該工件的冷卻速度帶完全落入它的第二冷速區中。

2、某汽車板簧廠用13％的PAG淬火液，處理6～8mm厚的60Si2Mn板簧時，板簧硬度和變形情況都令人滿意。但是，在處理10～12mm厚的60Si2Mn板簧時，卻發生了淬火硬度偏低且變形過大的熱處理質量問題。反復檢查生產工藝和操作方法，始終找不出任何疏漏。請來的專家分析認為：其變形大的原因是由于熱處理應力過大，而熱處理應力過大是由于淬火冷卻速度過快。因此，提出了減小淬火冷卻速度的幾項措施：將PAG淬火液濃度提高到15％，把淬火液的使用溫度升高20℃，并且把板簧的淬火加熱溫度降低20℃。令人不解的是，進行這樣的改動后，不僅板簧的淬火變形進一步增大，連板簧的淬火態硬度也降低到30HRC！事后，這個問題的正確的解決辦法不是降低工件的淬火冷卻速度，而是提高工件的淬火冷卻速度。具體做法是，在采用原來的淬火加熱參數的同時，把PAG淬火液的濃度從13％降低到8～10％之間。其結果，所有問題一下子就都解決了。

 

圖4 厚度12mm的60Si2Mn板簧在不同濃度的PAG淬火液中淬火時的冷卻速度帶

采用冷卻速度帶法來分析這一淬火變形問題，僅從變形大和硬度偏低，就可以確定工件的冷卻速度帶進入了第III冷速區。如圖4所示。解決辦法當然是提高工件的淬火冷卻速度，而不是降低它。即便不用本方法分析這個問題，根據薄板簧用13％的淬火液能夠滿足熱處理要求，加上已經發現厚板簧的淬火硬度偏低這兩點，也容易發現問題在于淬火冷卻速度偏低了。為什么現場技術人員和本專業教授都做出了錯誤的判斷？為什么上一個例子中熱處理技術人員對“工件油淬變形而水淬反而不變形”百思不得其解？這說明，在熱處理行業，對淬火變形的產生原因，不少人有著簡單而且僵化的錯誤認識。

冷卻速度帶法認為，工件的冷卻速度帶只要伸出了第II冷速區，不管是因為冷卻速度過快，還是因為冷卻速度過慢，淬火后，工件都可能發生超差的淬火變形。而且，因冷卻速度過慢，也就是進入了第III冷速區而引起的變形更大。調查表明，一般結構鋼工件發生的超差淬火變形，大部分是因為進入第III冷速區所至。因此，解決這類淬火變形問題的努力方向，主要是提高工件的淬火冷卻速度。只有少數工件的超差淬火變形是因為工件的冷卻速度帶進入第I區而產生的。而解決這后一類淬火變形問題的改進方向，往往是向右移動或者縮短工件的冷卻速度帶，使其完全落入第II冷速區內。在后面的文章中，還將討論這一類變形問題的具體解決辦法。