出現在淬火冷卻中的淬火變形問題，首先應當從熱處理環節，尤其是從淬火冷卻中去找原因。即便引起變形的主要原因在熱處理之前，首先找找熱處理方面的原因，也能幫助我們確定熱處理之前的原因所在的范圍。何況，不少熱處理之前留下的可能引起淬火變形的因素，也可以通過熱處理手段加以解決。因此，我們首先從淬火冷卻中尋找影響和控制工件淬火變形的因素，也就是影響工件的冷卻速度帶的位置和寬度的因素，并研究這些因素的特性和相互關系。

 

現場熱處理人日常的工作，是對已經送到熱處理車間來的工件做淬火處理。這時候，按冷卻速度帶法，工件的第II區的寬度和位置，也就是工件承受淬火冷卻速度快慢的能力已經基本確定了。我們要做的就是使工件在淬火冷卻中獲得的冷卻速度的快慢程度，既不超過它所能承受的上限，即第II區的左邊界的冷卻速度；也不慢過它容許的最慢冷卻速度，即第II區的右邊界的冷卻速度。做好了這一點，就能得到變形不超差等熱處理要求。

1、確定冷卻速度帶的方法

通過檢查工件的淬火變形、是否淬裂，以及淬火態的表面硬度值，有時候再加上工件某些部位的淬硬層深度，再依據本文表1所列的評判標準，就可以確定實際工件的冷卻速度帶及其跨區情況。如果再參照該工件的端淬曲線，還可以確定該工件的冷卻速度帶的寬度和左右邊界的位置。用這樣的方法確定的冷卻速度，是從最終的淬火組織來推測的“效果冷卻速度”，其中并不包括獲得該效果的實際冷卻過程的情況。或者說，不同的實際冷卻過程，也可能獲得相同的效果冷卻速度值。這是熱處理工藝方法的多樣性和不唯一性決定的。

有些情況下，用上述檢查淬火態表面硬度的辦法，不大容易找準快端的位置。比如，淬透性比較好的鋼、滲碳工件的淬火、或者工件的形狀比較復雜，加上沒有發生淬火開裂等情況。這是因為，淬透性好的鋼端淬曲線左端比較平緩，滲碳鋼件的表面硬度比較均勻，單憑表面硬度還不大容易找到曾經經受冷卻速度最快的部位。這時，更適宜用淬硬層深度來確定快端的位置。淬硬層最深的部位，就是曾經經受最快淬火冷卻的部位，也就是快端所在的部位。當然，如果采用檢查淬硬層深度來確定快端的位置，隨后也就應當改用控制淬硬層深度的辦法，來移動快端的冷卻速度值。

此外，由于不同工件的實際情況千差萬別，作為分析和解決淬火變形問題的通用方法，就只能是定性的方法。為此，本文所用圖線上大多只有說明大小的位置關系，而不標注具體數值。

2、工件的裝掛方式引起的淬火變形問題

工件淬火冷卻中，裝掛方式對它們的冷卻速度帶的位置和寬窄有較大的影響；尤其是在多個工件同爐淬火的場合。裝掛方式通過影響工件周圍的散熱條件，介質流動情況和介質的液溫分布，來影響不同部位的冷卻情況。和單件淬火相比，多件同時淬火時，工件的冷卻速度帶往往要向右（冷卻速度減慢）方偏移。而冷卻速度帶的慢端向右偏移通常更遠些。其結果，冷卻速度帶的寬度也隨之增大。如果采用的裝掛工具不當，或者工件的間距過小，冷卻速度帶向右偏移過多，就可能引起部分工件超差的淬火變形。

據報導，某廠大行星齒輪的滲碳淬火變形問題，就是裝掛方式引起淬火變形的典型例子。該廠生產直徑600mm的20Cr2Ni4A鋼大行星齒輪，要求齒面做滲碳淬火。開始采用的裝掛方式如圖5a所示。由于兩齒輪端面挨得很近，狹縫中淬火油流動不暢，不僅造成部分齒面淬火硬度偏低達52HRC，還引起了最大1.4mm的端平面度變化。后來，通過改變裝掛方式，加寬了兩個齒輪端面的間距，如圖5b所示，來保證端面更容易散熱和淬火油能順暢流動。結果，端面平面度變化降低到0.4mm以下，最小的平面度變化只有0.1mm。變形問題解決了，齒面硬度也整體提高到60～62HRC范圍。

如果用冷卻速度帶法來分析這一變形問題的解決過程，容易看出：開始時因為工件裝掛方式不當，降低了齒輪端平面部分的淬火冷卻速度。使該部位成為冷卻速度帶的慢端，并且向右伸入它們的第III冷速區內，以致工件超差變形和硬度高低不均。改變裝掛方式，提高了齒輪端面的淬火冷卻速度后，工件的冷卻速度帶的慢端向左收縮，達到完全進入其第II冷速區的程度。淬火變形就得到了解決 。

 

a）改進前      b）改進后

圖5 大行星齒輪滲碳淬火的裝掛方式改進前后

多個同樣的工件同批淬火時，由于各工件所處的位置和環境不同，不同工件的冷卻速度帶的位置和寬度，以及不同工件的快端和慢端的部位，都會有所不同。這兩方面的不同又將影響到不同工件的變形方式和變形程度。無疑，改變工件的裝掛方式和裝掛密度，可以改變不同工件的冷卻速度帶的位置和寬度，以及不同工件的變形方式和變形程度。因此，大生產中，工件淬火冷卻時的裝掛工具和裝掛密度是影響工件淬火變形情況的重要因素。

3、冷卻速度帶橫跨3個區的淬火變形問題

某廠生產一種65Mn制的切割石材用的大圓鋸片基片，直徑1600mm，厚度8mm，如圖6所示。該工件要求的淬火硬度60HRC以上，片內不同部位的硬度差異小于3HRC。開始，該廠采用普通機油淬火，不僅淬火硬度達不到要求，還有嚴重的淬火變形翹曲。好在還沒有發現淬火裂紋。為了提高板片的淬火硬度，決定改用有機聚合物水溶液來淬火。試生產發現，水溶液中淬火后，淬火變形更加嚴重。檢查發現，板片邊緣部分淬火硬度高達63HRC。但是，齒口部多處淬裂。片內面硬度高低不均，最低處只有39HRC。這一淬火難題困擾了該企業好幾個月。后來，采用一種快速淬火油，問題才得到完滿的解決。

 

圖6 采用不同淬火介質時，大型圓鋸片的冷卻速度帶的跨區情況

現在，用本文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，在普通機油中淬火，不容易達到要求的淬火硬度。結果，工件的冷卻速度帶落到了第III區上，如圖6a所示。所用水溶性淬火液的冷卻速度比普通機油快得多，但它是以水為主的淬火液，不可避免地有水的兩大缺點：低溫冷卻速度太快，和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。工件淬火冷卻中，接觸高溫而被加熱了的淬火介質只能沿著鋸片往上升。在自動上升過程中又進一步被工件加熱。結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；中間、特別是中偏上部分獲得的冷卻速度相當低。結果，板片的邊緣、特別是下部和側面邊緣淬火硬度很高，并淬裂。這說明這些部位進入了第1冷速區。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，變形翹曲非常嚴重，表明這些部位進入了第III冷速區，如圖5b。這樣，工件的冷卻速度帶就橫跨了I、第II和第III共三個冷卻速度區。結果，在一個工件上同時出現淬火變形、淬火開裂和硬度高低不均等問題。后來，該廠改用了冷卻速度遠高于普通機油的快速淬火油。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，又解決了淬火開裂問題。

在鋸片的中上部，油溫升高使油的黏度降低而流動性有所提高，可以抵消油溫升高使工件與介質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，其結果，板片中間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。相對于普通機油和熱水，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。其結果，冷卻速度帶從左、右兩個方向同時向第II冷速區收縮，并完全落人第II冷速區內。結果，用快速淬火油完滿地解決了該類大圓鋸片的淬火變形問題。

4、重新認識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。關于這類方法能減小工件淬火變形的道理，當前的國內外書刊上都有相同的圖示解釋。當前，等溫分級淬火的介質有兩類。第一類是等溫分級淬火油。實際生產中，等溫分級淬火油用得最多。中小模數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）。在我國熱處理行業，鹽浴在合金工具鋼類工件的熱處理中應用較廣；而在結構鋼類的基礎件的熱處理中用得很少。是不是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？生產經驗告訴我們，答案是否定的。下面，我們將用本文介紹的冷卻速度帶法，重新認識等溫分級淬火方法能控制工件淬火變形量的道理，并進而說明它的適用范圍。

圖7是當前通用的解說示意圖。每個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。有關的解釋是熱處理人共知的。

         

a）普通一冷到底的淬火法      b）等溫分級淬火法

圖7 常見的等溫分級淬火法能控制淬火變形的道理分析法

按照本文介紹的方法，我們對圖7做了一些改動，使它變成了圖8。改動之處是：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”。作這種改動的理由是：（1）除了組織和成分均勻的標準圓球外，實際工件上都找不出哪個部位是它的“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小；而與根本找不到的“表面”和“心部”關系不大。（3）只有少數種類的零件要求將心部淬透。而多數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。

 

a） 普通一冷到底的淬火法

 

b）等溫分級淬火法

圖8 冷卻速度帶法的分析法

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入了該工件的第I冷速區。也由于淬火冷卻速度過快，工件的冷卻速度帶也比較寬。淬火的結果，工件淬火變形超差，但同時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，從而使它完全落入其第II冷速區內。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的效果冷卻速度低，因此只適用于壁厚較小的結構鋼類工件，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。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，來使工件的冷卻速度帶向左移入第II冷速區內，變形問題才能得到解決。許多模數較大的齒輪，特別是那些從動錐形齒輪（所謂大盤齒），用普通機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。

 

圖9 快速淬火油與160℃硝鹽浴的冷卻特性對比

此外，還有一些壁厚更大，而且第II冷速區又較窄的結構鋼制工件，比如一些形狀復雜、壁厚相差大，以及要求嚴格控制淬火變形程度的較厚大工件，因為難以達到要求的淬火硬度，或者窄小的第II冷速區裝不下過寬的冷卻速度帶，用水性介質、普通機油和快速淬火油都不能解決它們的淬火變形問題。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。當前能解決這類問題的，只有低溫鹽浴。圖9中對比了160℃硝鹽浴與冷卻速度特別快的快速淬火油的冷卻特性。可以看出，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2冷速區上，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冷速區之內。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。