[淬火工藝] 壓力淬火和冷模淬火
在進(jìn)行傳統(tǒng)的浸淬時(shí)，有許多圓形零件、扁平零件或筒形零件的變形難以接受。汽車(chē)齒圈就是非常明顯的例子。這種情況下，就需要采用特殊的工藝。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，這些特殊的工藝設(shè)備價(jià)格昂貴且生產(chǎn)速度較慢。因此，由此產(chǎn)生的熱處理成本相對(duì)較高。這樣，只有在強(qiáng)制要求最小變形時(shí)才考慮使用這些工藝。壓力淬火與強(qiáng)烈淬火密切相關(guān)，后者將在本書(shū)的其他章節(jié)討論。
壓力淬火
使用最廣泛的特殊工藝可能是壓力淬火。為了實(shí)現(xiàn)控制淬火的最大優(yōu)勢(shì)并最大限度地減少加熱循環(huán)引起的變形，必須制造壓力淬火模具以提供適當(dāng)?shù)拇慊鹩土髁坎⒈３执慊鹆慵年P(guān)鍵尺寸。在壓力淬火中，模具與熾熱的零件接觸，且淬火壓床的壓力以機(jī)械方式與零件匹配，這往往發(fā)生在淬火開(kāi)始之前，這時(shí)，零件是熾熱的、可塑的。然后機(jī)器和模具以受控的方式迫使淬火介質(zhì)與零件接觸。
淬火劑的流量和流速由淬火壓床控制，流量的分布由模具控制。淬火的速度取決于淬火介質(zhì)和淬火油的流速。冷卻速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)淬火油流過(guò)模具的速度來(lái)控制。
淬火模具的設(shè)計(jì)有明確的原則，基礎(chǔ)設(shè)備已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。雖然一些基本類(lèi)型的模具可用于某些典型形狀的工件淬火，但為了適應(yīng)和顧及到某一特定的零件，還需要額外的模具零件。如果要利用受控淬火的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該就特定的模具要求咨詢(xún)制造商。
當(dāng)使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和正確設(shè)計(jì)的模具對(duì)精確且均勻加工的齒輪進(jìn)行淬火時(shí)，淬火后圓柱度和平面度公差為 0.025 至 0.050 毫米（0.001 至 0.002 英寸）是齒圈等零件的常見(jiàn)要求。所有模具設(shè)計(jì)中最重要的因素是在熱處理之前將模具接觸面與工件的表面相關(guān)聯(lián)。
淬火壓力機(jī)床
這些淬火壓床有一個(gè)油槽和帶有閥門(mén)及時(shí)間控制的淬火液循環(huán)泵系統(tǒng)，因此在淬火循環(huán)的所有階段—流過(guò)模具的淬火液體積和流量—都會(huì)自動(dòng)改變?yōu)轭A(yù)設(shè)值，以滿(mǎn)足零件的淬火要求。內(nèi)置的循環(huán)泵系統(tǒng)和油槽將所需的外部淬火介質(zhì)的供應(yīng)減少到大約132升/分鐘（35 加侖/分鐘），也可以提供高達(dá) 852升/分鐘（225 加侖/分鐘）或更多的淬火液，這取決于機(jī)器的大小。所需的淬火介質(zhì)取決于所需的吸熱和介質(zhì)的溫升。由于模具的通道將所有淬火液引導(dǎo)至靠近工件的位置，因此無(wú)需再增加外來(lái)的淬火液，而導(dǎo)致浪費(fèi)和未利用的溢流。
許多淬火壓力機(jī)床都配備了淬火液循環(huán)系統(tǒng)，以便在淬火循環(huán)期間可以改變淬火油流量。這種做法只是利用了時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)換（TTT）特性。也就是說(shuō)，淬火油首先以高速率（超過(guò)757l/min或200 gal/min）流動(dòng)，以便使工件盡快冷卻 TTT曲線鼻部以下。當(dāng)?shù)陀?60 oC (500oF)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，延緩流動(dòng)（低至132 l/min 或 35 gal/min）。如果淬火壓床用于高產(chǎn)量，則在馬氏體轉(zhuǎn)變接近完成時(shí)可能會(huì)增加淬火油流量，以更快地完成循環(huán)并使淬火壓床用于下一個(gè)零件。
淬火壓床的類(lèi)型
基于“快速釋放”或脈沖原理的壓力淬火機(jī)床可用于手動(dòng)或全自動(dòng)裝置。在這種壓力淬火機(jī)床中，工件以通常的方式放置在下模上。“脈沖”是由施加到零件上的上模壓力間歇釋放產(chǎn)生，它通過(guò)消除模具的接觸摩擦使零件在正常熱收縮期間“呼吸”。這部分的時(shí)間大約需要20 秒，在此期間，脈沖以大約每2秒一次的頻率發(fā)生。在脈沖期間保持最大淬火油流量。在手動(dòng)機(jī)器中，淬火油流量減少并最終增加以加速操作，如上所述。
設(shè)計(jì)用于相對(duì)高產(chǎn)量的自動(dòng)壓床（圖 10.2.6），也是利用脈沖原理。在這個(gè)特定的工藝中，將熾熱的齒輪放置在機(jī)器前面（位置1）的擴(kuò)展下模上。然后，下模和工件移動(dòng)到淬火室的中心（位置2）。上部機(jī)構(gòu)（包括壓環(huán)和擴(kuò)展錐）向下移動(dòng)接觸工件和下模擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，然后關(guān)閉淬火室門(mén)。接著淬火油的脈動(dòng)和流動(dòng)（約757升/分鐘，或 200 加侖/分鐘）持續(xù)大約 20 秒。按照這個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔，脈沖停止，上模上升。輔助淬火室的門(mén)打開(kāi)，讓它充滿(mǎn)油。然后卸料器的鉗口將工件從下模轉(zhuǎn)移到輔助淬火室（位置 3）進(jìn)一步冷卻。然后淬火室門(mén)關(guān)閉，密封輔助淬火室。
圖10.2.6 使用脈沖原理的四位自動(dòng)齒輪壓力淬火機(jī)床剖視圖。
初始淬火室中的淬火油立即排出，下模移動(dòng)到裝載位置，為下一個(gè)工件做好準(zhǔn)備。當(dāng)下一個(gè)工件正在淬火時(shí)，輔助淬火室中的零件仍處于淬火油液面以下，被排放到輸送帶（位置4），并從淬火油中輸送出來(lái)時(shí)進(jìn)一步冷卻。通過(guò)這種方法已經(jīng)以每分鐘兩個(gè)的速度完成了環(huán)形齒輪的淬火，當(dāng)檢查替代方案（通常是更多的精加工余量和/或某種形式的矯直）時(shí)，這可能被認(rèn)為是非常好的。然而，與正常的從爐中淬火相比，這種操作被認(rèn)為是緩慢乏味，且價(jià)格昂貴。
冷、干模淬火
常用的淬火介質(zhì)通常是液體或氣體，薄的扁平圓盤(pán)或設(shè)計(jì)復(fù)雜的工件，在傳統(tǒng)介質(zhì)中淬火會(huì)產(chǎn)生不可接受的變形。
解決此類(lèi)問(wèn)題的一種方法是利用各種形式的冷的、扁平的或異形模具，這取決于被淬火零件的形狀。如果只涉及到幾個(gè)零件，模具不需要特殊冷卻，只要在另一個(gè)零件淬火之前允許它們冷卻即可。模具通常用于靠近奧氏體化操作的某種類(lèi)型的淬火壓床。
作為干模淬火的一個(gè)實(shí)例，由 AISI 1095 鋼制成的直徑相對(duì)較大、3.2 毫米（1/8 英寸）厚的圓盤(pán)在788oC（1450 oF）下進(jìn)行奧氏體化，一次一個(gè)依次從爐子中取出，然后迅速落入由銅制成的下模（用于高導(dǎo)熱性）并通過(guò)水管冷卻。當(dāng)工件落到下模上時(shí)，啟動(dòng)淬火壓床，上模（也由銅制成，水冷）牢固地落到工件上并保持它，同時(shí)它冷卻得非常快，模擬水淬的速度。圓盤(pán)被硬化而不產(chǎn)生變形，但操作緩慢且單調(diào)乏味。
幾乎任何形式的干式模具淬火都是緩慢且昂貴的，不應(yīng)考慮用于常規(guī)應(yīng)用。然而，有一些特殊的應(yīng)用，成本是合理的。灰鑄鐵由于含有大量的集結(jié)石墨而成為優(yōu)良的散熱片，是干式模具淬火夾具的優(yōu)良材料。
摘譯自Theory and technology of quenching a handbook《淬火理論與技術(shù)手冊(cè)》
作者：霍華德·E·博耶
譯者：彭智泓
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