壓力淬火是一種專門在熱處理時用于減少復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力和相變應力。由于這些因素，高精密工件（如工業(yè)軸承套圈和汽車螺旋錐齒輪）在無約束或自由油淬時經(jīng)常會出現(xiàn)不可預見的變形。 壓力淬火是以一種精心控制的方式，使用專門的工具，產(chǎn)生束縛工件運動的集中力，有助于使這些工件的變形最小化。如果操作得當，這種淬火方法通常可以實現(xiàn)工業(yè)制造規(guī)范中所規(guī)定的相對嚴格的尺寸要求。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程中受益，原因是其加工性質(zhì)及其在汽車行業(yè)以及工業(yè)及消費產(chǎn)品的齒輪傳動裝置中的普及性。理想的情況是，淬火期間，工件整個橫截面上的轉(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)變溫度在整個橫截面上并不一致。在滲碳過程中，擴散到零件表面的碳產(chǎn)生了一種成分梯度，導致表面附近的轉(zhuǎn)變溫度也呈梯度形式分布。在淬火期間，這一梯度將會促進或惡化這類工件的變形問題。基體材料顯微組織的非均勻性（如嚴重偏析材料）也會導致這種類型的變形。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題最小化。 熱處理過程中所產(chǎn)生變形的嚴重程度強烈依賴于工件所采用的熱處理過程的本質(zhì)。為了使淬火過程的變形最小化，零件的散熱應該盡可能均勻。在幾何形狀有突然變化的情況下，這一點將很難實現(xiàn)。例如，在同一個零件中，薄斷面與厚斷面相鄰。一個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“展成”有變形的傾向。雖然這類零件在自由淬火或無約束淬火時會產(chǎn)生不可預期的變形，但是輪齒這種特有的運動在壓力淬火操作中重復性很好，從而可以在齒輪設(shè)計時加以考慮，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，當工件的其余部分仍處在脹大狀態(tài)時，較薄較輕的部分趨向于迅速硬化和收縮。因為較厚的部分以一個相對緩慢的速率冷卻和收縮，在薄厚相連的地方，其相對運動會受到阻礙。結(jié)果就是薄截面比厚截面轉(zhuǎn)變得更加快速，導致出現(xiàn)了溫度梯度和不均勻的組織應力。在壓力淬火時，通過選擇性地引導淬火冷卻介質(zhì)流向較厚的部分，同時遠離較薄的部分，以促進淬火更均勻來解決這一問題。這一措施主要是迪過使用專門的工具來實現(xiàn)的。通過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30年代初，淬火機床開始廣泛應用于美國的工業(yè)生產(chǎn)，主要用于汽車（包括轎車和卡車）環(huán)齒輪的加工（圖 1 ) 。
▲圖1 一臺64cm (25in ) 的自動淬火機床
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。
這些機器可以由液壓或氣動（取決于具體設(shè)計）系統(tǒng)驅(qū)動，能夠使用各種各樣的淬火冷卻介質(zhì)，最常見的是油。自最初發(fā)明以來，雖然這些機器的幾何設(shè)計和可選特性在過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)代淬火機床的一種具有代表性的形式如圖2 所示。
▲圖2 Gleason529淬火機床的現(xiàn)代形式
總體設(shè)計由一些基礎(chǔ)組件構(gòu)成，包括立式機床部分、一個控制面板、一個下模臺、工裝和底座。冷卻裝置用于使淬火冷卻介質(zhì)的溫度維持在一個特定的狹窄范圍內(nèi)，它可能屬于一個獨立的機械系統(tǒng)的一部分，或應用于能同時連接多個淬火機床的中央容器中。機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、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床
立式機身是從機器底座的前面鑲嵌進去的，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器處于“取件”狀態(tài)時取出工件。
操作時，手動或自動地從一臺獨立的加熱爐（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)下淬火機床的下模總成
注意：彈簧加壓的中心擴張器錐體和獨立的開槽環(huán)
需要注意的是，從加熱爐到淬火機床的運輸設(shè)備的效率通常是壓力淬火時的關(guān)鍵參數(shù)。轉(zhuǎn)移時間應保持最小值，以使熱量損失最少。如果這一步需要的時間太長，那么延遲淬火的結(jié)果可能會產(chǎn)生與硬度相關(guān)的問題和不希望出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。工件成功放置在下模總成上后，機床開始運轉(zhuǎn)，零件縮回上部液壓頂桿總成下面的中心位置。機床外部的防護裝置隨著總成的下降而降低，中間頂桿驅(qū)動一個（或多個）內(nèi)擴張器在指定的壓力點與工件內(nèi)徑接觸，以保持這些位置的圓度（圖
▲圖6 壓力淬火過程
a) 一個熱齒輪被放在下模總成上準備加壓淬火
b) 中心頂桿和上部內(nèi)外模下降與零件接觸
c) 開始定時周期，油流開始進入淬火室和零件周圍
頂桿總成的每個組件（中心擴張器、內(nèi)外模）由三個獨立的比例閥分別進行控制，且都是通過壓力傳感器進行監(jiān)測控制的。在整個淬火周期中，預設(shè)的壓力水平通常是由擴張器保持的，在某些具有編程功能的機床中，這個壓力水平在淬火周期的進程中可以發(fā)生變化。在淬火過程中可以降低內(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。淬火油的流動是可以預設(shè)和預先編輯的，然后在工件淬火時進行激活。 圖7 所示為在淬火室中建立的淬火油循環(huán)路徑的例子。
2-外部上模 3-內(nèi)部上模 4-淬火零件
淬火油通過下模外徑周圍的開口泵送到淬火室中。隨著工件周圍的腔室被填滿，淬火油流出頂部。如果工裝設(shè)計合適，則可以通過調(diào)整淬火油溢出工件的方向來獲得最好的整體效果。可以調(diào)整出口處延伸的開口來約束淬火油的流動，或者完全打開以獲得最大流量，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，也可以通過定時分段來改變淬火油的流速和持續(xù)時間，以便為具體的零件建立定義明確的淬火工藝。
下模臺通常裝在桿的橫截面上，由液壓或氣動活塞驅(qū)動。在下模總成中有一個用于調(diào)整獨立環(huán)的凸輪。通過驅(qū)動凸輪裝置，這些獨立環(huán)將會呈現(xiàn)碟形或錐形以便更好地適應所需的零件幾何結(jié)構(gòu)（見圖8 ) 。為與淬火工件建立合適的接觸，每個環(huán)的下面需要有一個墊片，這種結(jié)構(gòu)的另一個好處是可以以一種相對快速和簡單的方法來切割和安裝墊片。零件的合適支承是壓力淬火的一個關(guān)鍵方面，模具設(shè)計在其中起關(guān)鍵作用。
或降低的獨立的帶槽環(huán)的轉(zhuǎn)盤 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，充當一個有效的隔熱層。 2) 蒸氣傳輸階段，淬火油穿過蒸氣層，傳熱速度更快。 為了保證在淬火的初始階段均勻地散熱，淬火冷卻介質(zhì)的流動速度必須足以防止蒸氣膜形成。如果在工件表面的周圍區(qū)域形成氣泡，則散熱的不均勻性將導致不能接受的硬度變化和變形。當初始淬火階段成功消除之后，就可以降低淬火冷卻介質(zhì)的流動速度。必須仔細地選擇為零件制定的淬火冷卻介質(zhì)的最終流動速度分布，以便滿足硬度和幾何形狀的需求。淬火冷卻速率過慢會導致延遲淬火、 硬度變化和不希望出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；淬火冷卻速率過快，則會造成零件變形和／或開裂。制定合適的淬火冷卻介質(zhì)流動速度和選擇淬火冷卻介質(zhì)在零件周圍的流動路徑通常需要經(jīng)過反復的試驗。淬火的成功通常依賴于機器操作者的經(jīng)驗、知識和技術(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)的機器的密封圈的一項措施是，一般應避免淬火冷卻介質(zhì)的平均溫度過60℃ (140°F)。對淬火油浴進行適當?shù)娜粘＞S護很重要，但這在壓力淬火過程中經(jīng)常被忽視，從而導致在這類系統(tǒng)中處理的材料的硬化產(chǎn)生不可預料的變化。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)不斷地過濾淬火冷卻介質(zhì)，細小的微粒仍會隨著時間的延長而積累。如果未被發(fā)現(xiàn)，這將導致淬火冷卻速率加快，進而危害油淬過程的完整性。應根據(jù)使用情況定期監(jiān)測淬火槽中淬火冷卻介質(zhì)的黏度、閃點、含水量、沉淀物和沉淀值。淬火冷卻介質(zhì)的測試至少應每季度進行一次。
2 變形控制因素
總的來說，在壓力淬火操作時，影響工件變形的基本關(guān)鍵因素有：
1）工件的材料的質(zhì)量和之前的加工過程。
2）工件的殘余應力分布和預備熱處理過程。
3）淬火操作引起的不平衡熱應力和相變應力。
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床之間的轉(zhuǎn)移時間。
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)流過工件時的方向和選擇性計量。
8）不同流速的淬火持續(xù)時間。
9）適當?shù)拇慊鹉＞吖ぱb的設(shè)計、安裝和維護。
10）工件上加壓點的位置。
11）為保持工件幾何結(jié)構(gòu)所施加壓力的大小。
12）脈沖。
上述最后一項是只有壓力淬火才有的特性。在淬火時，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。沒有這個特性，模具之間的摩擦接觸將會產(chǎn)生應力，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題。正確實施脈沖技術(shù)時，在整個淬火周期中，在保持模具與零件接觸的同時釋放壓力，然后每隔約2s再實施一次。盡管這種方法中內(nèi)外模是循環(huán)的，但擴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)壓力淬火機床都采用這種設(shè)計特性，然而它并不是最新發(fā)展出來的。幾十年來，脈沖技術(shù)已經(jīng)成為專為高生產(chǎn)率而設(shè)計的半自動壓力淬火機床的一個組成要素。這些半自動機床中的一個示例如圖9 所示。
每個壓力淬火工件都要求對應一個特定的模具工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)和機床設(shè)置。在軸承套圈和齒輪中，經(jīng)常通過擴張分段模具來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，可以使用一個固體塞作為替代來控制孔的直徑和錐度。這個塞子會在淬火之后被壓出。重要的是，當下模總成中有不同的定位面時，這些定位面之間的尺寸需要維持在一個小的公差。如果不遵循這一規(guī)則，則會產(chǎn)生相悖的結(jié)果和不希望出現(xiàn)的變形。除了擴大模具外，收縮模具也可以有效地保持外徑的幾何公差，這是一個關(guān)鍵因素。齒輪就是一個很好的例子，其薄的輻板部分與相對較厚的輪齒、凸臺和軸承直徑相連。航天應用中的齒輪經(jīng)常包含幾種這樣的特性，可能會造成淬火中的不均衡收縮。可以通過在組件的外表面施加壓縮負荷來有效地解決這個問題。
壓力淬火時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到0.064mm (0.0025in )。同樣的齒輪，當放置在平板上時，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. ) 塞尺可以通過的間隙。對Φ460mm (Φ18in ) 的齒輪，這一間隙應小于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，加工前正確地進行正火，使用鋒利的刀具，遵循良好的加工操作等）， 通過壓力淬火通常可以達到這種嚴格的誤差要求。壓力淬火的一個延伸是使用輥式淬火法控制長1020mm（40in ) 的Φ200mm (Φ8in. ) 的長圓柱形零件、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，此時熱工件繞其軸線旋轉(zhuǎn)，而淬火室內(nèi)充滿了流動的淬火冷卻介質(zhì)。圖10 所示，為這種高度專業(yè)化的淬火機床的一個典型圖片。
▲圖10 壓入輥模淬火機床的蝸桿圖
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