解决淬火变形问题的新方法

冷却技术

解决淬火变形问题的新方法

用硬度—冷速曲线分析和解决零件淬火变形问题

北京华立精细化工公司(北京昌平102200)　张克俭

生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的麻烦和巨大的损失。热处理行业期待的是能用来分析和解决实际工件淬火变形的系统而实用的方法。以此为目标,本文发展了一种从钢的端淬曲线出发,分析和解决工件淬火变形问题的方法,以下简称“新方法”,供热处理行业采用并指正。

1　本法的适用范围

说工件发生了淬火变形,是指工件上某些部位发生了超过图样公差的变形。本文把工件上发生变形的部分和与之相关连的部位合称为该工件的参与淬火变形部位。它需根据实际工件的(变形)情况来确定。在已发生淬火变形的工件上,参与淬火变形的不同部位的硬度可能基本相同,也可能有明显差异。硬度差异反应出这些部位的淬火转变产物(即组织)之不同。由于不同的组织有不同的比容,比容差本身及其在淬火过程中的作用必然对淬火后的变形有直接的影响。由于这样的原因,本文把最终发生了淬火变形的工件分为两类。第一类:发生了淬火变形的工件其变形部位的硬度(指从表面测定的硬度,以下同)基本相同。第二类:工件变形部位的硬度有明显差异。排除淬火加热中和淬火冷却中因装挂及操作不当而引起的变形,在第一类情况下,由于最终转变产物的比容基本相同,其淬火变形完全是由淬火过程中的热应力和组织转变应力引起的;在第二类情况下,引起变形的原因既有淬火冷却过程中的应力作用,也有转变产物比容差的影响。

本文提出的概念和方法,仅限于用来分析和解决第二类即工件上参与变形部位有明显硬度差或虽无明显硬度差却伴有淬裂的淬火变形问题。

2　淬火变形工件的冷却速度带及减小变形的努力方向

作为本方法的基础,先引入淬火变形工件的硬度—冷速曲线、冷却速度带及其跨区等概念。

2.1　硬度—冷速曲线的分区及其与淬火变形的关系

图1是有代表性的顶端淬火曲线示意图。为适应本文的需要,我们将下方的横座标定为冷却速度,并按冷却速度大小和淬火硬度分布,将端淬曲线分成四个区(如图1所示)

。这样

图1　按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区的曲线,我们把它叫作硬度—冷速曲线。

在第Ⅰ冷速区内淬火,工件可以完全淬硬,但因冷速过快,工件被淬裂,并伴随淬裂发生变形。对有些不易淬裂的钢种及工件,可能没有第Ⅰ冷速区。

在第Ⅱ冷速区内淬火,冷却速度适当,工件可以充分淬硬。硬度均匀说明可能参与淬火变形部位的淬火转变产物基本相同,因此工件淬火冷却过程中可能引起淬火变形的应力也不会很大。其结果是最终的淬火变形也就相当小,通常能在允许的公差之内。故本文把第Ⅱ冷速区叫做小变形区。

在第Ⅲ冷速区内淬火,由于硬度—冷速曲线走势很陡,工件上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化,也即转变产物有相当大的组织差异和比容差。这就是在此区淬火变形大的原因。

在第Ⅳ冷速区,工件上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低,各部位间温差小,加上各部位都远未淬硬,最终转变产物也基本相同,故变形小。需要说明的是,实际生产中应用本方法分析和解决淬火变形问题时,不需要真正准确的端淬曲线图,也不要求应用者明确划定这些区的分界线。一般从手册上查取相同钢种端淬曲线的中线即可。

2.2　工件上参与淬火变形部位的冷却速度带

实际工件是个实体,它参与变形部位的不同冷速必然落在硬度—冷速曲线的一定范围内。本文把这些不同冷速所达到的范围叫做该工件在所经受的淬火条件下变形部位的冷却速度带,以下简称为该工件的冷却速度带。工件上参与变形部位间的冷却速度相差越小,它的冷却速度带就越窄;相反,它的冷却速度带就越宽。

2.3　冷却速度带的确定方法

拿到一个发生了淬火变形的工件,首先找到发生淬火变形的部位,再连同其相邻或相关的部位,称该工件参与淬火变形部位,接着检查参与变形部位内外表面的硬度,并凭测出的最高和最低硬度值(HRC ),在所用钢种的硬度—冷速曲线图上找到两个相应的冷却速度值,把这两个冷却速度值水平连接起来,即构成该工件的冷却速度带。举例来说,有一50Cr 钢筒状工件,经770℃加热后水淬1.5s 再转油冷。淬火后未发现淬裂,但有明显的变形:两端孔径增大,呈双头喇叭形,如图2所示。因工件形状简单,且变形牵涉面大,可以把整个工件都看成参与变形部位。检查该变形工件内外表面的硬度后发现,筒两端硬度约55HRC,而内孔中部只有35HRC 。从手册上查出50Cr 钢的端淬曲线,取其中线作出本工件的硬度—冷速曲线,由淬火硬度最高的端头部位(B)的55HRC 找到冷速点b,再由淬火硬度最低的筒内中间部位(A )之35HRC 找到冷速点a ,连接a 、b 两点的带ab 即为该工件的冷却速度带。按照相似的方法步骤,可以画出其它淬火变形零件的冷却速度带。需要说明的是,如果工件上有内孔(或凹陷部

位)而且在该部位或邻近部位发生了淬火变形,则该部位就属于

参与变形部位,在确定该工件的冷却速度带时,就需要将该工件的内孔或凹陷部位剖切开,

测量该部位的表面硬度。

图2　由参与变形部位的最高和最低淬火态硬度值确定工件的冷却速度带

2.4冷却速度带的跨区情况

当工件的冷却速度带比较窄时,可能只落入某一个冷速区,比如,只落入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ冷速区,相应的变形情况如图1所示。当工件的冷却速度带比较宽时,往往要跨越两个甚至两个以上的冷速区。比如,图2所举的例子,工件的冷速带就跨越Ⅱ、Ⅲ两个冷速区。又如,有一种65M n 钢制的大圆锯片,直径1600mm ,厚8mm ,在专用的槽式电阻炉中垂直悬挂加热后,直接放入有循环搅动的淬火槽中淬火,淬火液为一种聚合物水溶液,水温约25℃。淬火后工件有相当严重的翘曲变形。出槽后检查发现,圆锯片边缘齿口部位有几处淬裂。硬度检查结果,边缘部分(B )最高硬度为62HRC,而近中间部位(A )的硬度最低为30HRC 。对于这样薄而大,变形严重的工件,也宜把工件整体都看成参与变形部位。按前述方法,如图3,确定该圆锯片冷却速度带ab 。由于该圆锯片边缘齿口处已淬裂,说明该部位已进入第Ⅰ冷速区。而在近中间部位淬火态硬度只有30HRC,未淬硬,说明该部位已进入第Ⅲ冷速区。这样,整个圆锯片就跨越了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三个冷速区。对于本例中薄而大的工件,同一次淬火冷却中跨越三个冷速区,

就很容易发生严重变形。

图3　65M n 大圆锯片的冷却速度带跨越Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区2.5　减小工件淬火变形的努力方向

通常,对工件淬火效果的要求是:获得高而且均匀的淬火硬度、足够的淬硬深度、不淬裂且无淬火变形。显然,只有当工

件上参与变形部位的冷却速度带落入第Ⅱ冷速区,才能获得这种淬火效果。以下归纳的做法都是以此为目标的减小工件淬火变形的措施。

2.6　渗碳淬火工件的特殊处理方法

由于渗层的化学成分与基体不同,而渗层由表到里又有成分变化,使渗碳或碳氮共渗工件在淬火冷却中发生变形的分析方法稍复杂些。建议按以下两步进行:第一步,对于有渗层的部位,检查其表面硬度,看是否都达到要求的表面淬火硬度。如果没有,说明单就这些部位而言,其冷却速度带尚未完全落入第Ⅱ冷速区。这时,首先设法使有渗层的表面部分的冷却速度带全部进入第Ⅱ冷速区。如果完成这一步后,工件仍有超差变形,再进行第二步处理。第二步,检查淬火变形工件上无渗层部分的表面硬度,从而确定其冷却速度带的跨区情况,并用前述方法确定减小淬火变形的

措施。

3　减小淬火变形的改进方向

3.1　整体移动冷却速度带

通过整个提高或降低淬火冷却速度等措施,使工件的冷却速度带整体移入该工件的第Ⅱ冷速区。这种方法适用于工件的冷却速度带比较窄,发生淬火变形的原因是其冷却速度带整个或局部落入或伸到了第Ⅰ或第Ⅲ冷速区。

当工件上局部或全部参与变形部位淬火硬度偏低时,说明该部分淬火冷速进入了第Ⅲ冷速区,可以采取提高整个工件的淬火冷却速度,适当提高淬火加热温度,或改用淬透性更好的钢种制做该工件等措施,使该工件的冷却速度带发生移动并进入第Ⅱ冷速区,从而消除该淬火变形。

当工件发生变形后又同时发现有淬裂,说明部分或全部参与淬火变形部位进入了该工件的第Ⅰ冷速区。适当降低该工件的淬火加热温度,降低整个工件的淬火冷却速度以及改用含碳量及合金元素量稍低的钢种等,目的在于使工件的冷却速度带整个移入第Ⅱ冷速区。

例如,某汽车板簧厂采用13%的今禹8-20水溶液,在液温25℃时淬11mm ×75m m 的60Si 2M n 钢板,出槽后发现有高达4m m 的侧弯变形和相当大的弧高变化。起初,有关人员分析认为,是淬火应力(指热应力和组织转变应力)过大引起。因此,采取了降低淬火应力的方法:适当降低淬火加热温度,提高淬火液温度,并停止淬火机的摆动以减小相对流速,甚至曾一度将今禹8-20的浓度提高到15%。所有这些措施,都在降低板簧片的淬火冷却速度,都想减小淬火应力来消除淬火变形。但结果与希望相反,板簧片的变形更大且仍然无规律可循,同时,钢板的淬火硬度更低,根本不能满足热处理要求。

后来,用本文所述的方法分析该批板簧的淬火变形,发现淬火硬度不足且高低不均,大约在28～52HRC 之间,其冷却速度带正好落在第Ⅲ冷速区,如图4所示。解决这一变形问题的措施就不是设法降低淬火冷却速度,而是提高淬火冷却速度,以便使该板簧片的冷却速度带整体向左移入其第Ⅱ冷速区。具体的做法是,向淬火槽中补加自来水,将今禹8-20的浓度降到10%,并在淬火过程中使淬火机不停地摆动,以便进一步提高淬火冷却速度。结果,在其它工艺方法保持不变的情况下,同批板簧片淬火后的变形(侧弯和弧高变化)极小,同时淬火硬度都在59～61HRC 内,没有淬裂,完全满足了工艺要求。