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热处理变形问题的探讨

发布时间:2020-02-13 23:55:14  南京万普建设工程有限公司

生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的损失。淬火变形的产生,从理论上说,当然与热应力和组织转变应力的影响有关,但是,在分析和解决实际工件的淬火变形时,这种理论却很难做到具体应用。至今,尚没有用来分析和解决工件淬火变形问题的实用的系统方法。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,本文发展了一种以钢的端淬曲线为依托,从检测出发生变形的工件上的硬度差异入手去分析和解决工件淬火变形问题的方法,我们把它叫做"硬度差异法",供热处理行业采用并探讨。


    一、本新方法的适用范围
工件发生了淬火变形,指的是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。参与淬火变形部位指的是工件上多个部位的总体,须根据实际工件的(变形)情况来确定。在已发生淬火变形的工件上,参与了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:因装炉时的冲撞,淬火加热中工件的装挂或堆放不当,以及出炉转移到淬火介质过程中所受的外力或自重引起的变形。这类变形容易从操作方法和装挂方式入手去解决。第二类:工件参与淬火变形部位有明显或不明显的硬度差异,也可能伴有淬火开裂。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之最终的影响。

本文提出的概念和方法,仅限于用来分析和解决第二类淬火变形问题。

 

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    二、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,先引进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。
    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态硬度分布,将端淬曲线分成四个区(。这样的曲线,我们把它叫作硬度-冷速曲线。

 

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区域      名称            内淬火效果
   I    过快冷速区    硬度高、淬裂、变形
  II    适度冷速区    硬度高而均匀、无淬裂、变形小
  Ⅲ    不足冷速区    硬度不足且高低不均,变形大
  Ⅳ    过慢冷速区    完全未淬硬,变形小

  
 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区
   在图1划出的第Ⅰ冷速区内淬火,工件可以完全淬硬,但因冷速过快,可能产生淬火变形或淬裂。
   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,工件淬火冷却中可能引起淬火变形的过程中的应力也不会很大。结果,最终的淬火变形也就相当小,通常能属于控制变形的最佳状态。故本文把第Ⅱ冷速区叫做微变形区。
   在第Ⅲ冷速区内淬火,由于硬度-冷速曲线走势很陡,如图1所示,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,也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此,在第Ⅲ冷速区淬火时,可能引起淬火变形的因素既有过程中的,也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。总起来说,在此区淬火后变形大,硬度高低不均,且硬度不足。
   在第Ⅳ冷速区,即过慢冷速区内淬火,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。

    2.工件上参与淬火变形部位的冷却速度带
变形工件上参与变形的各部位之间得到的冷却情况不同,是造成最终淬火变形的原因。实际工件是个实体,它上面参与变形部位的不同冷速必然落在硬度-冷速曲线上一定范围内。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参与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小,它的冷却速度带就窄;相反,它的冷却速度带就宽。
    冷却速度带的确定方法:拿到一个发生了淬火变形的工件,首先找到它上面发生了淬火变形的部位,再连同其相邻或相关的部位,合而成为该工件上参与淬火变形部位。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,有一筒状工件,50Cr材质,经770℃加热后水淬1.5秒再转油冷。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,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钢的端淬火曲线,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)之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。

3.冷却速度带的跨区情况
    实际生产中,不同工件的钢种、形状大小、热处理条件以及工艺方法有很大差异,它们的冷却速度带必然有宽有窄。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65Mn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,圆锯片边沿齿口部位有几处淬裂。硬度检查结果,边沿部分(B)最高硬度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,也宜把工件之整体都看成参与变形部位。

    按前述方法,,确定该圆锯片的冷却速度带ab。由于该圆锯片边沿齿口处已淬裂,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。

    4.减小工件淬火变形的努力目标
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,按本文的分析原理和方法,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。据此本文减小工件淬火变形的措施和方法,均以使工件上参与变形部位的冷却速度,即该工件的冷却速度带完全落入其第Ⅱ冷速区为努力目标。实现这个目标,就可以控制变形。以下归纳的做法都是以此为目标的措施。

     5.对硬度差异法的解释
众所周知,淬火变形是钢件淬火冷却中的热应力和组织转变应力共同作用的结果。这里所说的工件的冷却速度带的宽窄,反应的正是这种共同作用的大小。共同作用力大的,其冷却速度带宽,该共同作用力就大。

 

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