一、本新方法的適用范圍
工件發(fā)生了淬火變形，指的是工件上某些部位發(fā)生了超過圖樣公差的變形。本文把工件上發(fā)生變形的部分和與之相關(guān)連的部位合稱為該工件的參與淬火變形部位。參與淬火變形部位指的是工件上多個部位的總體，須根據(jù)實際工件的(變形)情況來確定。在已發(fā)生淬火變形的工件上，參與了淬火變形的不同部位的硬度可能基本相同，也可能有明顯差異。硬度差異反應(yīng)出這些部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(即組織)之不同。由于不同的組織有不同的比容，比容差本身及其在淬火過程中的作用必然對淬火后的變形有直接的影響。由于這樣的原因，本文把最終發(fā)生了淬火變形的工件分為兩類。第一類:因裝爐時的沖撞，淬火加熱中工件的裝掛或堆放不當(dāng)，以及出爐轉(zhuǎn)移到淬火介質(zhì)過程中所受的外力或自重引起的變形。這類變形容易從操作方法和裝掛方式入手去解決。第二類：工件參與淬火變形部位有明顯或不明顯的硬度差異，也可能伴有淬火開裂。在第二類情況下，引起變形的原因既有淬火冷卻過程中的應(yīng)力作用，也有轉(zhuǎn)變產(chǎn)物比容差之最終的影響。
本文提出的概念和方法，僅限于用來分析和解決第二類淬火變形問題。
二、淬火變形工件的冷卻速度帶及減小變形的努力方向
作為本方法的基礎(chǔ)，先引進淬火變形工件的硬度-冷速曲線、冷卻速度帶及其跨區(qū)等概念。
1.硬度-冷速曲線的分區(qū)及其與淬火變形的關(guān)系
圖1是有代表性的頂端淬火曲線示意圖。為適應(yīng)本文的需要，我們將下方的橫座標(biāo)定為冷卻速度，并按冷卻速度大小和淬火態(tài)硬度分布，將端淬曲線分成四個區(qū)(如圖1所示)。這樣的曲線，我們把它叫作硬度-冷速曲線。
區(qū)域 名稱 內(nèi)淬火效果
I 過快冷速區(qū) 硬度高、淬裂、變形
II 適度冷速區(qū) 硬度高而均勻、無淬裂、變形小
Ⅲ 不足冷速區(qū) 硬度不足且高低不均，變形大
Ⅳ 過慢冷速區(qū) 完全未淬硬，變形小
圖1 按淬火冷卻速度大小將端淬曲線分成四個區(qū)
在圖1劃出的第Ⅰ冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件可以完全淬硬，但因冷速過快，可能產(chǎn)生淬火變形或淬裂。
第Ⅱ冷速區(qū)內(nèi)淬火，冷卻速度適當(dāng)，工件可以充分淬硬。硬度均勻說明可能參與淬火變形部位的淬火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物基本相同，因此，工件淬火冷卻中可能引起淬火變形的過程中的應(yīng)力也不會很大。結(jié)果，最終的淬火變形也就相當(dāng)小，通常能屬于控制變形的最佳壯態(tài)。故本文把第Ⅱ冷速區(qū)叫做微變形區(qū)。
在第Ⅲ冷速區(qū)內(nèi)淬火，由于硬度-冷速曲線走勢很陡，如圖1所示，工件上參與變形部位之間的較小冷速差都會引起相當(dāng)大的硬度變化，也即轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相當(dāng)大的組織差和比容差。因此，在第Ⅲ冷速區(qū)淬火時，可能引起淬火變形的因素既有過程中的，也有最終的。這就是在此區(qū)淬火變形大的原因。總起來說，在此區(qū)淬火后變形大，硬度高低不均，且硬度不足。
在第Ⅳ冷速區(qū)，即過慢冷速區(qū)內(nèi)淬火，工件上可能參與淬火變形部位獲得的冷速很低，各部位間溫差小，加上各部位都遠(yuǎn)未淬硬，最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也基本相同，故變形小。
2.工件上參與淬火變形部位的冷卻速度帶
變形工件上參與變形的各部位之間得到的冷卻情況不同，是造成最終淬火變形的原因。實際工件是個實體，它上面參與變形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲線上一定范圍內(nèi)。本文把這些不同冷速所達(dá)到的范圍叫做該工件在所經(jīng)受的淬火條件下參與變形部位的冷卻速度帶，以下簡稱為該工件的冷卻速度帶。工件上參與變形部位間的冷卻速度相差小，它的冷卻速度帶就窄;相反，它的冷卻速度帶就寬。
冷卻速度帶的確定方法：拿到一個發(fā)生了淬火變形的工件，首先找到它上面發(fā)生了淬火變形的部位，再連同其相鄰或相關(guān)的部位，合而成為該工件上參與淬火變形部位。接著檢查參與變形部位內(nèi)外表面的硬度，并憑測出的最高和最低硬度值在所用鋼種的硬度-冷速曲線圖上找到兩個相應(yīng)的冷卻速度值，把這兩個冷卻速度值水平連接起來，即構(gòu)成該工件的冷卻速度帶。舉例來說，有一筒狀工件，50Cr材質(zhì)，經(jīng)770℃加熱后水淬1.5秒再轉(zhuǎn)油冷。淬火后未發(fā)現(xiàn)淬裂，但有明顯的變形:兩端孔徑增大，呈雙頭喇叭形，如圖2所示。因工件形狀簡單，且變形牽涉面大，可以把整個工件都看成參與變形部位。檢查該變形工件內(nèi)外表面的硬度后發(fā)現(xiàn)，筒兩端硬度約55HRC，而內(nèi)孔中部只有35HRC。從手冊上查出50Cr鋼的端淬火曲線，取其中線作出本工件的硬度-冷速曲線。由淬火硬度最高的端頭部位(B)之55HRC找到冷速點b。再由淬火硬度最低的筒內(nèi)中間部位(A)之35HRC找到冷速點a。連接a、b兩點的帶ab即為該工件的冷卻速度帶。按照相似的方法步驟，可以畫出其它淬火變形零件的冷卻速度帶。需要說明的是，如果工件上有內(nèi)孔(或凹陷部位)而且在該部位或鄰近部位發(fā)生了淬火變形，則該部位就屬于參與變形部位，在確定該工件的冷卻速度帶時，就需要將該工件的內(nèi)孔或凹陷部位剖切開，測量該部位的表面硬度。
3.冷卻速度帶的跨區(qū)情況
實際生產(chǎn)中，不同工件的鋼種、形狀大小、熱處理條件以及工藝方法有很大差異，它們的冷卻速度帶必然有寬有窄。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較窄時，可能只落入某一個冷速區(qū)，比如，只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速區(qū)，相應(yīng)的變形情況如圖1所示。當(dāng)工件的冷卻速度帶比較寬時，往往要跨越兩個甚至兩個以上的冷速區(qū)。比如，圖2所舉的例子，工件的冷速帶就跨越Ⅱ、Ⅲ兩個冷速區(qū)。又如，有一種65Mn制的大圓鋸片，直徑1600mm，厚8mm，在專用的槽式電阻爐中垂直懸掛加熱后，直接放入有循環(huán)攪動的淬火槽中淬火，淬火液為一種聚合物水溶液，水溫約25℃。淬火后工件有相當(dāng)嚴(yán)重的翹曲變形。出槽后檢查發(fā)現(xiàn),圓鋸片邊沿齒口部位有幾處淬裂。硬度檢查結(jié)果,邊沿部分(B)最高硬度62HRC，而近中間部位(A)的硬度最低為30HRC。對于這樣薄而大,變形嚴(yán)重的工件,也宜把工件之整體都看成參與變形部位。
按前述方法，如圖3,確定該圓鋸片的冷卻速度帶ab。由于該圓鋸片邊沿齒口處已淬裂，說明該部位已進入第Ⅰ冷速區(qū)。而在近中間部位淬火態(tài)硬度只有30HRC，未淬硬，說明該部位已進入第Ⅲ冷速區(qū)。這樣,整個圓鋸片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三個冷速區(qū)。對于本例中薄而大的工件，同一次淬火冷卻中跨越三個冷速區(qū)，就很容易發(fā)生嚴(yán)重變形。
4.減小工件淬火變形的努力目標(biāo)
通常，對工件淬火效果的要求是：獲得高而且均勻的淬火硬度、足夠的淬硬深度、不淬裂且無淬火變形。顯然，按本文的分析原理和方法，只有當(dāng)工件上參與變形部位的冷卻速度帶落入第Ⅱ冷速區(qū)，才能獲得這種淬火效果。據(jù)此本文減小工件淬火變形的措施和方法，均以使工件上參與變形部位的冷卻速度，即該工件的冷卻速度帶完全落入其第Ⅱ冷速區(qū)為努力目標(biāo)。實現(xiàn)這個目標(biāo)，就可以控制變形。以下歸納的做法都是以此為目標(biāo)的措施。
5.對硬度差異法的解釋
眾所周知，淬火變形是鋼件淬火冷卻中的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力共同作用的結(jié)果。這里所說的工件的冷卻速度帶的寬窄，反應(yīng)的正是這種共同作用的大小。共同作用力大的，其冷卻速度帶寬，該共同作用力就大，而冷卻。