壓力淬火是一種專門(mén)在熱處理時(shí)用于減少?gòu)?fù)雜形狀工件變形的淬火工藝。工業(yè)熱處理操作中出現(xiàn)的變形是由很多的獨(dú)立因素引起的。其中一些因素包括：制造工件的材料的質(zhì)量和之前的加工歷史；工件殘余應(yīng)力分布和先前的熱處理歷史；淬火操作本身引起的非平衡的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。由于這些因素，高精密工件（如工業(yè)軸承套圈和汽車(chē)螺旋錐齒輪）在無(wú)約束或自由油淬時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的變形。 壓力淬火是以一種精心控制的方式，使用專門(mén)的工具，產(chǎn)生束縛工件運(yùn)動(dòng)的集中力，有助于使這些工件的變形最小化。如果操作得當(dāng)，這種淬火方法通常可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造規(guī)范中所規(guī)定的相對(duì)嚴(yán)格的尺寸要求。它通常用在由鐵基合金和非鐵基合金制造的各種復(fù)雜工件中。使用壓力淬火的普通鋼合金通常包括高碳透淬鋼（如AISI52100和A2工具鋼）和低碳滲碳鋼（如AISI, 8620和9310) 。 滲碳鋼尤其可以從壓力淬火的過(guò)程中受益，原因是其加工性質(zhì)及其在汽車(chē)行業(yè)以及工業(yè)及消費(fèi)產(chǎn)品的齒輪傳動(dòng)裝置中的普及性。理想的情況是，淬火期間，工件整個(gè)橫截面上的轉(zhuǎn)變溫度是一致的，以便能夠均勻地發(fā)生轉(zhuǎn)變。然而在滲碳工件中，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度在整個(gè)橫截面上并不一致。在滲碳過(guò)程中，擴(kuò)散到零件表面的碳產(chǎn)生了一種成分梯度，導(dǎo)致表面附近的轉(zhuǎn)變溫度也呈梯度形式分布。在淬火期間，這一梯度將會(huì)促進(jìn)或惡化這類工件的變形問(wèn)題。基體材料顯微組織的非均勻性（如嚴(yán)重偏析材料）也會(huì)導(dǎo)致這種類型的變形。一般情況下，與厚且重的幾何結(jié)構(gòu)緊湊的零件相比，大孔徑軸承套圈之類的大型薄壁零件更容易受到這些變形問(wèn)題相關(guān)因素的影響。雖然壓力淬火不能消除這些影響，但它的使用有助于使這類變形問(wèn)題最小化。 熱處理過(guò)程中所產(chǎn)生變形的嚴(yán)重程度強(qiáng)烈依賴于工件所采用的熱處理過(guò)程的本質(zhì)。為了使淬火過(guò)程的變形最小化，零件的散熱應(yīng)該盡可能均勻。在幾何形狀有突然變化的情況下，這一點(diǎn)將很難實(shí)現(xiàn)。例如，在同一個(gè)零件中，薄斷面與厚斷面相鄰。一個(gè)很好的例子是大齒輪或小齒輪上的齒。與大齒輪和小齒輪體相比，齒的表面積與體積比更大，在淬火期間，它們通過(guò)“展成”有變形的傾向。雖然這類零件在自由淬火或無(wú)約束淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)期的變形，但是輪齒這種特有的運(yùn)動(dòng)在壓力淬火操作中重復(fù)性很好，從而可以在齒輪設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮，以使淬火后的磨削量最小化。隨著工件浸入淬火冷卻介質(zhì)中，輪齒將比鄰近的較厚部分更快速地冷卻和收縮。這種冷卻速率不同造成的結(jié)果是，當(dāng)工件的其余部分仍處在脹大狀態(tài)時(shí)，較薄較輕的部分趨向于迅速硬化和收縮。因?yàn)檩^厚的部分以一個(gè)相對(duì)緩慢的速率冷卻和收縮，在薄厚相連的地方，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻礙。結(jié)果就是薄截面比厚截面轉(zhuǎn)變得更加快速，導(dǎo)致出現(xiàn)了溫度梯度和不均勻的組織應(yīng)力。在壓力淬火時(shí)，通過(guò)選擇性地引導(dǎo)淬火冷卻介質(zhì)流向較厚的部分，同時(shí)遠(yuǎn)離較薄的部分，以促進(jìn)淬火更均勻來(lái)解決這一問(wèn)題。這一措施主要是迪過(guò)使用專門(mén)的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)采用這一重要的措施，可以使由轉(zhuǎn)變引起的變形很小。
在20世紀(jì)30年代初，淬火機(jī)床開(kāi)始廣泛應(yīng)用于美國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)，主要用于汽車(chē)（包括轎車(chē)和卡車(chē)）環(huán)齒輪的加工（圖 1 ) 。
▲圖1 一臺(tái)64cm (25in ) 的自動(dòng)淬火機(jī)床
注：由紐約羅徹斯特格利森（Gleason) 工廠于1930年代早期制造。操作人員正在將一個(gè)完成淬火
操作的大型螺旋錐齒輪從下模總成上取下。
這些機(jī)器可以由液壓或氣動(dòng)（取決于具體設(shè)計(jì)）系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，能夠使用各種各樣的淬火冷卻介質(zhì)，最常見(jiàn)的是油。自最初發(fā)明以來(lái)，雖然這些機(jī)器的幾何設(shè)計(jì)和可選特性在過(guò)去幾十年里有了顯著的變化，但它們的基本功能保持不變。現(xiàn)代淬火機(jī)床的一種具有代表性的形式如圖2 所示。
▲圖2 Gleason529淬火機(jī)床的現(xiàn)代形式
總體設(shè)計(jì)由一些基礎(chǔ)組件構(gòu)成，包括立式機(jī)床部分、一個(gè)控制面板、一個(gè)下模臺(tái)、工裝和底座。冷卻裝置用于使淬火冷卻介質(zhì)的溫度維持在一個(gè)特定的狹窄范圍內(nèi)，它可能屬于一個(gè)獨(dú)立的機(jī)械系統(tǒng)的一部分，或應(yīng)用于能同時(shí)連接多個(gè)淬火機(jī)床的中央容器中。機(jī)床豎立的部分包括上模頂桿、液壓系統(tǒng)分路閥箱、液壓管路、電磁閥和閥門(mén)、電氣面板控制箱。控制屏顯示了在淬火周期中可能需要調(diào)整的各種性能參數(shù)，如圖3 所示。環(huán)過(guò)程中需要調(diào)整的各種參數(shù)底座既可作為淬火冷卻介質(zhì)的蓄油池，也可支承下模總成，其原理圖如圖4 所示。
▲圖4 油流從油池到冷卻裝置然后返回淬火機(jī)床
立式機(jī)身是從機(jī)器底座的前面鑲嵌進(jìn)去的，允許在下模中完全存取工件，包括將工件放置在工裝上淬火，以及淬火完成后在機(jī)器處于“取件”狀態(tài)時(shí)取出工件。
操作時(shí)，手動(dòng)或自動(dòng)地從一臺(tái)獨(dú)立的加熱爐（通常是箱體爐、連續(xù)轉(zhuǎn)體式爐或推桿爐）中移出淬火工件，放置到下模總成的工裝上。下模總成的全貌如圖5 所示。
▲圖5 “取件”狀態(tài)下淬火機(jī)床的下模總成
注意：彈簧加壓的中心擴(kuò)張器錐體和獨(dú)立的開(kāi)槽環(huán)
需要注意的是，從加熱爐到淬火機(jī)床的運(yùn)輸設(shè)備的效率通常是壓力淬火時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)保持最小值，以使熱量損失最少。如果這一步需要的時(shí)間太長(zhǎng)，那么延遲淬火的結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生與硬度相關(guān)的問(wèn)題和不希望出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。工件成功放置在下模總成上后，機(jī)床開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，零件縮回上部液壓頂桿總成下面的中心位置。機(jī)床外部的防護(hù)裝置隨著總成的下降而降低，中間頂桿驅(qū)動(dòng)一個(gè)（或多個(gè)）內(nèi)擴(kuò)張器在指定的壓力點(diǎn)與工件內(nèi)徑接觸，以保持這些位置的圓度（圖
▲圖6 壓力淬火過(guò)程
a) 一個(gè)熱齒輪被放在下模總成上準(zhǔn)備加壓淬火
b) 中心頂桿和上部?jī)?nèi)外模下降與零件接觸
c) 開(kāi)始定時(shí)周期，油流開(kāi)始進(jìn)入淬火室和零件周?chē)?/span>
頂桿總成的每個(gè)組件（中心擴(kuò)張器、內(nèi)外模）由三個(gè)獨(dú)立的比例閥分別進(jìn)行控制，且都是通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的。在整個(gè)淬火周期中，預(yù)設(shè)的壓力水平通常是由擴(kuò)張器保持的，在某些具有編程功能的機(jī)床中，這個(gè)壓力水平在淬火周期的進(jìn)程中可以發(fā)生變化。在淬火過(guò)程中可以降低內(nèi)外模，使其與淬火工件的上表面相接觸，以控制定位、碟形和零件平面度。淬火油的流動(dòng)是可以預(yù)設(shè)和預(yù)先編輯的，然后在工件淬火時(shí)進(jìn)行激活。 圖7 所示為在淬火室中建立的淬火油循環(huán)路徑的例子。
▲圖7 淬火過(guò)程中中心擴(kuò)張器和1-安裝在上模總成上的機(jī)械防護(hù)裝置2-外部上模 3-內(nèi)部上模 4-淬火零件
淬火油通過(guò)下模外徑周?chē)拈_(kāi)口泵送到淬火室中。隨著工件周?chē)那皇冶惶顫M，淬火油流出頂部。如果工裝設(shè)計(jì)合適，則可以通過(guò)調(diào)整淬火油溢出工件的方向來(lái)獲得最好的整體效果。可以調(diào)整出口處延伸的開(kāi)口來(lái)約束淬火油的流動(dòng)，或者完全打開(kāi)以獲得最大流量，這取決于零件的需求。下模是由一些不同的帶槽的同心圓環(huán)構(gòu)成的，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)獲得最大流量，或者約束流向零件底部的淬火油。在淬火過(guò)程中，精確地調(diào)整這些特性有助于使由散熱不均勻引起的畸變最小化。在淬火周期中，也可以通過(guò)定時(shí)分段來(lái)改變淬火油的流速和持續(xù)時(shí)間，以便為具體的零件建立定義明確的淬火工藝。
下模臺(tái)通常裝在桿的橫截面上，由液壓或氣動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)。在下模總成中有一個(gè)用于調(diào)整獨(dú)立環(huán)的凸輪。通過(guò)驅(qū)動(dòng)凸輪裝置，這些獨(dú)立環(huán)將會(huì)呈現(xiàn)碟形或錐形以便更好地適應(yīng)所需的零件幾何結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖8 ) 。為與淬火工件建立合適的接觸，每個(gè)環(huán)的下面需要有一個(gè)墊片，這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是可以以一種相對(duì)快速和簡(jiǎn)單的方法來(lái)切割和安裝墊片。零件的合適支承是壓力淬火的一個(gè)關(guān)鍵方面，模具設(shè)計(jì)在其中起關(guān)鍵作用。
或降低（收緊）來(lái)補(bǔ)償?shù)握`差或降低的獨(dú)立的帶槽環(huán)的轉(zhuǎn)盤(pán) 1) 最初的蒸氣膜階段，油一接觸到零件就立即氣化，形成一層環(huán)繞零件的蒸氣屏障，充當(dāng)一個(gè)有效的隔熱層。 2) 蒸氣傳輸階段，淬火油穿過(guò)蒸氣層，傳熱速度更快。 3) 對(duì)流階段，主要通過(guò)對(duì)流傳熱來(lái)散熱。 為了保證在淬火的初始階段均勻地散熱，淬火冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速度必須足以防止蒸氣膜形成。如果在工件表面的周?chē)鷧^(qū)域形成氣泡，則散熱的不均勻性將導(dǎo)致不能接受的硬度變化和變形。當(dāng)初始淬火階段成功消除之后，就可以降低淬火冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速度。必須仔細(xì)地選擇為零件制定的淬火冷卻介質(zhì)的最終流動(dòng)速度分布，以便滿足硬度和幾何形狀的需求。淬火冷卻速率過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致延遲淬火、 硬度變化和不希望出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；淬火冷卻速率過(guò)快，則會(huì)造成零件變形和／或開(kāi)裂。制定合適的淬火冷卻介質(zhì)流動(dòng)速度和選擇淬火冷卻介質(zhì)在零件周?chē)牧鲃?dòng)路徑通常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)。淬火的成功通常依賴于機(jī)器操作者的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和技術(shù)。 壓力淬火的平均油溫大多為25~75℃ (75-165°F) , 這取決于淬火操作的本質(zhì)、使用的淬火冷卻介質(zhì)的類型、零件材料、熱處理后的性能要求等。避免損壞盛放淬火冷卻介質(zhì)的機(jī)器的密封圈的一項(xiàng)措施是，一般應(yīng)避免淬火冷卻介質(zhì)的平均溫度過(guò)60℃ (140°F)。對(duì)淬火油浴進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜粘＞S護(hù)很重要，但這在壓力淬火過(guò)程中經(jīng)常被忽視，從而導(dǎo)致在這類系統(tǒng)中處理的材料的硬化產(chǎn)生不可預(yù)料的變化。隨著淬火冷卻介質(zhì)的持續(xù)使用，油添加劑逐漸分解，即使連續(xù)不斷地過(guò)濾淬火冷卻介質(zhì)，細(xì)小的微粒仍會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而積累。如果未被發(fā)現(xiàn)，這將導(dǎo)致淬火冷卻速率加快，進(jìn)而危害油淬過(guò)程的完整性。應(yīng)根據(jù)使用情況定期監(jiān)測(cè)淬火槽中淬火冷卻介質(zhì)的黏度、閃點(diǎn)、含水量、沉淀物和沉淀值。淬火冷卻介質(zhì)的測(cè)試至少應(yīng)每季度進(jìn)行一次。
2 變形控制因素
總的來(lái)說(shuō)，在壓力淬火操作時(shí)，影響工件變形的基本關(guān)鍵因素有：
1）工件的材料的質(zhì)量和之前的加工過(guò)程。
2）工件的殘余應(yīng)力分布和預(yù)備熱處理過(guò)程。
3）淬火操作引起的不平衡熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。
4）使用的鋼種和奧氏體化溫度分布。
5）奧氏體化爐和淬火機(jī)床之間的轉(zhuǎn)移時(shí)間。
6）所用淬火冷卻介質(zhì)的類型、質(zhì)量、條件、溫度。
7）淬火冷卻介質(zhì)流過(guò)工件時(shí)的方向和選擇性計(jì)量。
8）不同流速的淬火持續(xù)時(shí)間。
9）適當(dāng)?shù)拇慊鹉＞吖ぱb的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)。
10）工件上加壓點(diǎn)的位置。
11）為保持工件幾何結(jié)構(gòu)所施加壓力的大小。
12）脈沖。
上述最后一項(xiàng)是只有壓力淬火才有的特性。在淬火時(shí)，為了使變形最小化，內(nèi)外模通常受到脈沖以保持零件的幾何結(jié)構(gòu)。脈沖特性周期性地緩和由內(nèi)外模所施加的壓力，在仍保持要求的零件幾何形狀的前提下，允許組件隨著冷卻而正常收縮。沒(méi)有這個(gè)特性，模具之間的摩擦接觸將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，零件將不允許組件隨著冷卻而收縮。脈沖方式有效地減少了這種摩擦接觸，避免了由偏心和不平整造成的變形問(wèn)題。正確實(shí)施脈沖技術(shù)時(shí)，在整個(gè)淬火周期中，在保持模具與零件接觸的同時(shí)釋放壓力，然后每隔約2s再實(shí)施一次。盡管這種方法中內(nèi)外模是循環(huán)的，但擴(kuò)張器的壓力一般并不作脈沖。如今工業(yè)中使用的大多數(shù)壓力淬火機(jī)床都采用這種設(shè)計(jì)特性，然而它并不是最新發(fā)展出來(lái)的。幾十年來(lái)，脈沖技術(shù)已經(jīng)成為專為高生產(chǎn)率而設(shè)計(jì)的半自動(dòng)壓力淬火機(jī)床的一個(gè)組成要素。這些半自動(dòng)機(jī)床中的一個(gè)示例如圖9 所示。
每個(gè)壓力淬火工件都要求對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的模具工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和機(jī)床設(shè)置。在軸承套圈和齒輪中，經(jīng)常通過(guò)擴(kuò)張分段模具來(lái)保持孔徑尺寸和圓度。如果工件的孔徑非常小而不能承受這些分段模具的話，可以使用一個(gè)固體塞作為替代來(lái)控制孔的直徑和錐度。這個(gè)塞子會(huì)在淬火之后被壓出。重要的是，當(dāng)下模總成中有不同的定位面時(shí)，這些定位面之間的尺寸需要維持在一個(gè)小的公差。如果不遵循這一規(guī)則，則會(huì)產(chǎn)生相悖的結(jié)果和不希望出現(xiàn)的變形。除了擴(kuò)大模具外，收縮模具也可以有效地保持外徑的幾何公差，這是一個(gè)關(guān)鍵因素。齒輪就是一個(gè)很好的例子，其薄的輻板部分與相對(duì)較厚的輪齒、凸臺(tái)和軸承直徑相連。航天應(yīng)用中的齒輪經(jīng)常包含幾種這樣的特性，可能會(huì)造成淬火中的不均衡收縮。可以通過(guò)在組件的外表面施加壓縮負(fù)荷來(lái)有效地解決這個(gè)問(wèn)題。
壓力淬火時(shí)的誤差可能是很大的。例如，Φ230mm (Φ9in ) 齒輪上的孔徑在未淬硬狀態(tài)下的圓度誤差為0.025mm (0.001in ) , 壓力淬火后通常可達(dá)到0.064mm (0.0025in )。同樣的齒輪，當(dāng)放置在平板上時(shí)，在平板與齒輪表面之間的任意位置均不允許出現(xiàn)0.05mm (0.002in. ) 塞尺可以通過(guò)的間隙。對(duì)Φ460mm (Φ18in ) 的齒輪，這一間隙應(yīng)小于0.075mm (0.003in ) 。如果上述所列因素均得到妥善處理（即使用高質(zhì)量的鍛件，加工前正確地進(jìn)行正火，使用鋒利的刀具，遵循良好的加工操作等）， 通過(guò)壓力淬火通常可以達(dá)到這種嚴(yán)格的誤差要求。壓力淬火的一個(gè)延伸是使用輥式淬火法控制長(zhǎng)1020mm（40in ) 的Φ200mm (Φ8in. ) 的長(zhǎng)圓柱形零件、軸、曲軸的變形。這種技術(shù)是使用滾軸在熱工件上小心地施加可控載荷，此時(shí)熱工件繞其軸線旋轉(zhuǎn)，而淬火室內(nèi)充滿了流動(dòng)的淬火冷卻介質(zhì)。圖10 所示，為這種高度專業(yè)化的淬火機(jī)床的一個(gè)典型圖片。
▲圖10 壓入輥模淬火機(jī)床的蝸桿圖
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