油淬工件淬火畸变特点的成因

摘要：与高压气淬或者低温盐浴淬火相比，油淬工件的淬火畸变特点是：畸变数据零乱而没有规律；最大畸变程度通常也更大。出于对淬火油冷却特性曲线的错误认识而演变出来的工件表面温度与表面热流密度之间的一一对应关系，不能解释这种特点的成因。试验观测证明，表面温度与表面热流密度之间存在的是所处条件下的非一一对应关系。这种非一一对应关系是由蒸汽膜内气体的流动规律和冷却的中间阶段特性所引起的。应用这种非一一对应关系，既能解释淬火畸变程度更大的原因，也能解释畸变数据无规律的成因。

关键词：淬火油；淬火畸变；精细淬火冷却技术

Causes of quenching distortion characteristics of oil-Quenched work pieces

Zhang Ke-jian

Beijing Huali Fine Chemical Co., Beijing 102200, China

Abstract: As compared with high-pressure gas quenching and low-temperature salt-bath quenching, the quenching distortion of oil-quenched work pieces features in irregularity and greater distortion. The one-to-one correspondence between the work piece surface temperature and surface heat flux density, based upon the wrong understanding of the temperature-cooling rate curve of quenching oil, cannot explain the cause of such feature. Tests indicate conditional non-one-to-one correspondence between surface temperature and surface heat flux density, which is resulted from the gas flow rules inside of steam blanket and the characteristics of the intermediate stage of quenching. Such non-one-to-one correspondence can explain greater quenching distortion and irregular distortion data. Only quenched by immersing work pieces into an evaporating liquid then has this king of distortion characteristics.

Key words: quenching oil; quenching distortion；fine quenching technique

这是四阶段理论文章的第11篇。工件淬火畸变问题有两大难点。第一，工件淬火畸变的影响因素众多，却没有一种可以用来统筹调用这些因素的原则方法。第二，和低温盐浴淬火与高压气淬相比，油淬工件群体的淬火畸变特点是畸变大而无规律。这里研究的是后一个难题。本文先用事例介绍第二个特点。然后，用推理的方法分析证明：三阶段理论的一一对应关系不能；而四阶段理论的非一一对应关系则能解释这一特点的产生原因。

1 油淬工件的淬火畸变特点

这里指的是用油淬火后出现的，比低温盐浴淬火更大的淬火畸变问题。

事物的某特性不时发生大而无规律的偏差，通常是未知的重要影响因素在作怪。找到了这些因素及其作用规律，问题才可能得到解决。油淬工件淬火畸变成为大难题，也应是重要的未知因素作用的结果。经验表明，淬火畸变主要发生在淬火冷却环节。因此，应当从油淬与低温盐浴淬火的不同之处找原因。通常，低温盐浴的沸点温度远高于工件的淬火加热温度。因此，在低温盐浴中淬火，只有对流冷却阶段。淬火油的沸点温度远低于工件的淬火加热温度，因此，就整个工件而言，油中淬火还要多经历蒸汽膜、沸腾，以及由蒸气膜方式向沸腾方式过度的中间阶段。后面将说明：中间阶段特性和蒸汽膜内气体的流动规律^[1－5]所揭示的，正是工件淬火中两类前所未知的重要影响因素。

图1是某批齿轮采用油淬火与低温盐浴淬火后的不同畸变情况^[6]。左图是油淬工件的畸变情况。13个工件中，畸变程度最大的达到－9.5 µm，有两件。畸变程度最小的为－3.5 µm，有一件。 其余10件的畸变程度在－5.5 µm～－7.5 µm范围。这些数据的分布情况显然不符合正态分布特点。因此，用随机因素的影响不可能解释这种分布的成因。右图记录的是低温盐浴的淬火畸变情况。总体上说，畸变程度较小，数据比较集中，有明显的正态分布特点。相比之下，油淬工件的淬火畸变就可以用“畸变程度大，而且数据更分散”，或者“畸变大，而且缺少规律性”来加以概括。

2 三阶段理论的“一一对应关系”

这里所说的“三阶段理论”，是指多年来在热处理行业形成的，关于油或者水中淬火冷却的下面两个观念和做法。图2是探棒在几何中心，用热电偶测出的水冷却过程曲线和冷却速度曲线^[7，8]。将参照该图来说明三阶段理论及其“一一对应关系”。

第一， 在淬火介质的研究和评价中，按图2所示的方法把淬火介质的冷却特性曲线划分为蒸汽膜、沸腾和对流冷却三个阶段。并且，把探棒中心部位的温度与冷却速度的关系当成工件表面的相应关系来加以应用。

第二， 通常，小工件冷得快，而大工件冷得慢。把这一常识与淬火介质的冷却速度曲线联系起来，又产生了这样的认识：在相同冷却条件下，工件上具有相同有效厚度的部分，都会获得相同的冷却进程和冷却效果。并且认为，可以在介质的冷却特性曲线上找到淬火冷却时间与工件表面温度，以及表面温度与冷却速度值（或者表面热流密度值）的“一一对应的关系”。

同一球体表面的不同部分，由于具有相同的直径，都具有相同的有效厚度。把这种意义上的有效厚度相同的表面，称为“等效厚度表面”。按这一思路，可以把物体上具有某种相同形状尺寸关系的表面统称为等效厚度表面。在其它形状的工件上，也可以找出许多不同的等效厚度表面。

进一步，按一一对应关系又产生了这样的认识：在油中淬火冷却时，具有相同等效厚度的表面都会获得相同的冷却进程；外形对称的工件也会获得具有相似对称关系的冷却进程和冷却效果。

3 淬火冷却中工件表面不存在上述“一一对应关系”

实际工件上并不存在三阶段理论所认为的“一一对应的关系”；存在的只是该工件表面在当时条件下的“非一一对应关系”^[9]。下面以一种球体试样为例，介绍它的非一一对应的关系。然后分析这种非一一对应关系对球体冷却过程的影响。

3.1 球体表面不存在前述“一一对应的关系”

一个直径30 mm、底端带诱导锥^[10]的耐热不锈钢球体试样，经过900 ℃加热后，在一种基础油中淬火冷却。用摄像机记录了它的冷却过程。图3是该试验获得的交界线扩展图。

凭图3提供的信息，加上传热学知识，粗略地画出了该球体试样表面的冷却过程曲线和冷却速度曲线，分别为图4与图5。容易看出，它们与三阶段理论的相应曲线有很大不同。这种不同在图4中的表现是：与一个确定的时间对应的，不是一个确定的温度值，而是一个温度范围。在这个温度范围内，表面的相对高度越高，表面温度也越高。

图3 试验球体表面的交界线扩展图 Fig.3 The spreading pattern of demarcation line on the surface of the tested sphere	图4 试验球体表面的冷却过程曲线 Fig.4 Cooling curve on the surface of the tested sphere

这种不同在图5中的表现是：从入油到T2温度的冷却时间内，与任何一个确定的表面温度对应的，是冷却速度的一个范围，而不是一个确定值。在这个范围内，表面的相对高度越高，冷却速度越小。

可以看出，淬火冷却中，该球体表面上不存在冷却时间和表面温度，以及表面温度与冷却速度之间的一一对应关系。

图4和图5所示的结果，是该球体试样下端有一个诱导锥，而且交界线扩展过程能始终保持水平的特殊条件下获得的。如果从诱导锥扩展出来的交界线不能始终保持水平，获得的交界线扩展图与图7会有差别。如果不是靠诱导锥，而是靠产生自然超前扩展点，获得的交界线控制图还会有多种不同的形式。其结果，依据它们的交界线扩展图，画出的将是各自不同的表面冷却过程曲线和表面冷却速度曲线。因此，图4与图5只是该球体表面多种可能的“非一一对应关系”中的一个特例。在一般工件的淬火冷却过程中，具有相同等效厚度的表面之中，存在的也都是相应条件下的“非一一对应的关系”。

3.2 淬火冷却中工件表面的相对厚度和相对厚度差

从实际效果看，使冷却进程减慢相当于使工件的厚度增大；而使冷却进程加快则相当于使厚度减小。为了更直观地说明淬火冷却中不同表面之间的温度差及其变化情况对淬火畸变的影响，我们引入了相对厚度和相对厚度差。图3所示的冷却过程中，球体底端表面冷却得最快，因此该部分表面的相对厚度（也就是相对直径）最小。球体顶端表面冷却得最慢，因此该部分表面的相对厚度（相对直径）最大。而居于球体底端和顶端之间不同高度的其它表面，其相对厚度就居于二者之间。其中，位置越高的表面，相对厚度就越大。图6中，用粗实线代表真实球体，细实线代表顶端和底端的相对厚度球体。上下两个相对球体直径以水平虚线表示。连接在它们两端之间的虚线，是用球体上不同高度部分的相对直径连成的。可以看到，表面的位置越高，其相对直径就越大。

可以认为，在淬火冷却过程中，相对厚度才是真正起作用的有效厚度。图7以大、中、小三个圆表示工件上三个等效厚度的表面。在中间的球体上，相对厚度大的部分，可能超过大球体表面中某些部分的相对厚度。而其相对厚度较小的部分，又小于小球体表面中某些部分的相对厚度。于是，在实际冷却过程中，工件表面相对厚度的这种大小关系，就取代了由外形尺寸决定的有效厚度的大小关系。无疑，这一变化也打破了球体以其球心为中心的外形对称关系。淬火冷却中，球体内的温度场、组织转变顺序和内应力场等也会随之失去了与球体外形相似的对称性。其结果，淬火冷却后，球体内的残余应力分布和淬火畸变特点也会偏离以球心为中心的心对称关系。

图6 球体上表面的位置越高，该部分的相对直径就越大 Fig.6 The higher the position on the surface of sphere, the larger relative diameter of this part	图7 外形决定的厚度差与相对厚度决定的相对厚度差 Fig.7 Thickness difference determined by external form and relative thickness difference determined by relative thickness

4 三阶段理论的“一一对应关系”无法解释工件的淬火畸变特点

下面将用推理来得出这一结论。为进行这项推理，先约定两个前提条件。

第一个约定：同样的工件，用低温盐浴淬火可以满足它的淬火畸变要求；只是在油中淬火时，才产生了分散又缺少规律的超差淬火畸变。因此提出第一个约定：在入油之前，油淬工件与低温盐浴淬火工件在材质等内部特性上的差别可以忽略不计。

第二个约定：用当代的切削加工技术，按同一图纸要求加工出的工件，它们在外形尺寸上的差别，不足以油淬冷却过程中引起工件超差的淬火畸变。

先讨论外形对称的工件。在上面两个约定的前提下，按前述一一对应关系，在油中淬火时，外形对称的特点总能获得具有相似对称关系的表面温度分布。根据对称性原理“对称的原因→对称的结果” ^[11,12]，对称的表面冷却效果必然在工件内引起对称的内应力。无疑，这样冷却下来的工件，如果发生了超差的淬火畸变，其畸变的特点也一定是对称的。有确定大小和外形对称特点的工件，按照前述一一对应关系产生这种对称关系，因此，同一种工件产生的淬火畸变特点和程度也会是相同的。结果，外形对称工件的淬火畸变特点是相同的并且对称的。因为不同工件都具有相同大小，和相同对称特性的淬火畸变，这样的淬火畸变是有规律的。就工件群体而言，这种淬火畸变所形成的分布也必然具有正态分布的特点。即便产生了超差的尺寸变化，由于保持着与工件外形相似的对称关系，也不能称为“畸变”。

再讨论外形不对称的工件。淬火冷却中，不对称工件上产生的通常也是不对称的冷却效果。因为外形尺寸相同，依照一一对应关系，淬火中，不同工件获得的就应当是大小和畸变特性都相同的不对称冷却效果。其结果，同类工件的淬火畸变也会是相同而又有规律的。相应地，工件群体的各项淬火畸变数据也应有正态分布特点。

综合以上推理，得出第一个结论：一一对应关系只会产生有规律的淬火畸变。但是，大量生产实践表明，和低温盐浴淬火相比，油淬工件的淬火畸变特点是畸变大而且缺少规律。根据对称性原理之“结果中的不对称性必然在原因中有反映”^[11,12]，可以肯定：产生无规律淬火畸变的淬火冷却效果也是不对称的。进而，又可以说：三阶段理论的一一对应关系是错误的。

5 油淬工件淬火畸变无规律和畸变程度更大的产生原因

把“淬火畸变程度更大”的成因，与工件群体“淬火畸变数据无规律”的原因分别加以研究。

5.1 淬火畸变程度更大的成因

前面谈到，油淬冷却过程中，工件上不同表面部分之间产生的最大相对厚度差常常比由外形尺寸决定的厚度差更大。相对厚度差是冷却过程中工件上不同表面之间存在的温度差。这种温度差通过与外形相关的热传导，进而影响工件内部的温度场。内部温度场又影响工件内部的组织转变顺序。组织转变应力，与温度差引起的热应力共同形成工件的内应力场。正是冷却过程中不断变化着的这种内应力场的作用，引起了工件最终的淬火畸变。其间，前述“非一一对应关系”，连同随机因素的影响也会传递下去，如图8所示。结果，同批淬火工件中，不同工件上产生的同一项淬火畸变值也不尽相同。

通常，对工件的淬火畸变要求不只一项。就其中一项特定的淬火畸变要求而言，只有工件上某些部分的温度差过大才可能引起这一项畸变值超差。我们把该工件上的这些部分统称为此项畸变的参与淬火畸变部位 。对该项淬火畸变值基本不产生影响的其它部分，就不是该畸变项目的参与淬火畸变部位^[13]。

在一定条件下，随着参与淬火畸变部位的表面相对厚度差增大，对淬火畸变程度的影响不外有两种可能：增大，或者减小。如果其影响是使淬火畸变值减小，则不会出现我们现在讨论的淬火畸变问题。只有淬火畸变随相对厚度差增大而增大时，才可能引起淬火畸变问题。如图7所示，非一一对应关系所形成的最大相对厚度差可能大于由外形尺寸决定的最大厚度差，因此，如果它引起了淬火畸变超差，其超差的程度也会更大。这就是油淬火工件淬火畸变程度更大的原因。

5.2 无规律淬火畸变的原因

以图3所示的试验球体为例，从浸入油中的一瞬间起，球体表面不同高度之间就开始形成温度差。起初，这种差异主要由蒸汽膜内气体的流动规律引起。冷却到22 s，从底端诱导出了超前扩展点。之后，在不完整的蒸汽膜区内，气体的流动仍然会在蒸汽膜覆盖的表面上继续制造温度差。与此同时，中间阶段特性又以它的规律在不同表面上制造另外的温度差。它们的共同作用，是造成球体表面温度差的外部原因。冷却过程中，这两种因素的大小和特点始终在不断变化，直到最后一片蒸汽膜消失为止。相应地，球体表面的温度分布也处在不断变化中。在接下来的纯对流方式的冷却中，球体表面上残留下来的温度差与对流造成的温度差将在更长的时间内缓慢减小，直到完全消失。

如果不知道蒸汽膜内气体的流动规律对冷却效果的影响，摆放工件时就难免有一定的随意性。其中，摆放得合理的工件，淬火冷却得快而且均匀。摆放不够合理的工件，冷却的效果较差。而那些摆放得很不好的工件，比如重要表面成为水平向下表面的那些工件，其产生的表面温度差会更大；或者说，相对厚度差会更大。

此外，由于出现超前扩展点的随机性，上述相对厚度差的大小和分布特点在一定范围内也有它的不确定性。

在有关试样正放与斜放对淬火冷却效果的研究中，曾以三类不同的放置方式，对比了正方体试样冷却进程上的差异[4，5]。表1列举了三个试样的试验数据。从表中的数据可以看出，放置方式对淬火冷却效果有巨大影响。无疑，对工件群体而言，放置方式不同，淬火畸变数据的分布特点也各不相同。如果同种放置方式的淬火畸变数据还有几分正态分布的特点，把这三种不同摆放方式的大量工件混在一起，淬火畸变数据的分布必然是零乱而无规律的。由于不知道表面朝向的影响，各类放置方式的数量比例就有相当的随机性。其结果，不同炉次工件的畸变情况也会各不相同。

表1 三种放置方式下正方体试样的冷却进程差异

Table 1 Cooling process of square samples in three ways of placement

放置方式	完成交界线扩展所需的冷却总时间	不同表面完成交界线扩展所需时间的最大差值	试样冷却快慢与均匀性评价
正放	52秒	26秒	慢且不均匀
侧立	30.2秒	2.04秒	快且均匀
顶立	29.4秒	3.34秒	快且均匀

由于自然超前扩展点的出现有相当的随机性，淬火畸变的特点也必然有它的不确定性。这是另一个引起无规律淬火畸变的原因。

上述两方面的道理合在一起，就产生了“大，而且无规律的”淬火畸变。

5.3 减小相对厚度差的办法有望解决这类淬火畸变问题

我们已经从多个方面研究了蒸汽膜内气体的流动规律和中间阶段特性。根据研究发现的规律，又提出了能控制冷却进程的随机性，以及能调节工件冷却快慢和冷却均匀性的方法。应用这些方法，可以有针对地减小发生在工件表面的相对厚度差，从而得到减小工件淬火畸变的目的。和现行的淬火冷却方法不同的是，这些方法想要控制的是工件不同表明部分的冷却细节。由于这个原因，我们把这类方法称为“精细淬火冷却技术”。 我们相信，精细淬火冷却技术的应用，有望解决油淬工件的淬火畸变难题。

6 结论

油淬火过程中，由于蒸汽膜内气体的流动规律和冷却的中间阶段特性的影响，在工件表面温度和表面冷却速度之间存在的是“所处条件下的非一一对应关系”。正是这种非一一对应关系引起了油淬工件的淬火畸变特点。

参考文献

[1] 张克俭、王水、郝学志. 液体介质中淬火冷却的四阶段理论[J].热处理技术与装备. 2006, 27(6):14 - 25.

[2] 张克俭. 蒸汽膜内气体的流动规律（一）[J]. 热处理技术与装备，2008，29(4): 5 - 9.

[3] 张克俭. 蒸汽膜内气体的流动规律（二）[J]. 热处理技术与装备，2008,29(5): 11 -16, 20.

[4] 张克俭、王水、郝学志. 淬火冷却中工件的正放与斜放（一）[J].热处理技术与装备, 2009, 30(1): 25－30, 43.

[5] 张克俭、王水、郝学志. 淬火冷却中工件的正放与斜放（二）[J].热处理技术与装备，2009, 30(2): 9－17.

[6] 渡邊陽一. 浸炭および浸炭窒化焼入れによる變形とその低减策[J]. 热处理，2003,43(4): 250.

[7] Bates C E, Totten G E. ASTM Metals Handbook(4)[M]. ASM International,1991:91.

[8] Totten G E, Bates C E, et al. Handbook of Quenchantts and Quenching Technology [M]. SAM International, 1993 ：70.

[9] 张克俭. 淬火冷却中球体表面冷却过程的几种图线表述方法[J]. 热处理技术与装备，2009, 30(6): 9 - 15.

[10] 张克俭,王水,郝学志. 超前扩展点的诱导[J]. 热处理技术与装备, 2007, 28(4):14 - 18.

[11] [美]费因曼 R P 等. 费恩曼物理学讲义，第三卷[M]. 上海：上海科学技术出版社，2005: 254-260.

[12] 赵凯华，罗蔚茵. 新概念物理学教程 力学，2版[M]. 北京：高等教育出版社，2004：159–163.

[13] 张克俭. 解决淬火畸变问题的新方法[J]. 金属热处理，1997,（6）：37－42.