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工件热处理变形的先进控制

时间：2022-09-13 17:22:22 作者：九华热处理点击：次

摘要

摘要：如果生产的工件需要化学热处理，然后快速淬火，以获得所需的机械和冶金性能，均匀的渗层深度和硬度分布，此时，会看到一种不想要的特性：材料变形。由于在这一过程中发生的变形，制造商面临着昂贵的选择，即在热处理之前将多余的材料留在机加工工件上，只有在热处理之后，通过加工去除。当采取措施减少材料变形(在硬态加工操作之前)，制造商可以显著降低成本，从而加快整个制造过程。本文将讨论对热处理和淬火工件的变形控制的独特方法，即，采用四维高压气体淬火(4D淬火下同)技术。与自由淬火或复杂的压淬方法相比，该系统具有无需夹具就能淬火单个工件的能力。4D淬火工艺使得工件以相同的方式单独淬火，并且，与淬火前相比具有最小的变形。4D淬火系统可以很容易地集成到加工中心，与传统热处理工艺相比，改善了的交货周期和成本。

介绍

当人们想要提高钢的硬度时，钢必须经过冶金过程，这一过程发生在钢经过加热发生相变到奥氏体范围，然后迅速冷却，使奥氏体完成相变变成马氏体。在淬火过程中，工件在整个几何形状中产生一个非常大的温度梯度，如果淬火不均匀，它会导致残余热应力和组织的不均匀转变。如果淬火不均匀，相对于预热处理的几何形状，工件会经历较大的变形。

制造商尝试了许多方法来减少淬火后的变形，因为一旦工件硬化，去除多余的材料是困难和昂贵的。历史上，液体淬火(由于其高传热能力)是几个世纪以来在淬火过程中使用的传统淬火介质，然而，液体淬火带来了大量的几何变形。高压气淬(HPGQ)淬火方法是在19世纪发展起来的，作为液体淬火的替代品，这种方法在几何变形方面取得了改进。然而传统的HPGQ方法在传热性能方面与液体淬火相比有很大的差距。

淬火

2.1 液体淬火

当使用液体淬火技术进行淬火时，工件在与淬火室分开的加热室中加热到所需的温度。液体淬火室可以直接安装在炉子上(即炉子批量整体淬火炉)，作为一个独立的腔室，一个批次可以降低或转移到淬火介质中(即降底炉)，或在压力淬火机中对单个工件淬火。

在液体淬火过程中，工件暴露在3个阶段：蒸汽阶段、沸腾阶段和对流阶段(图1)。第一阶段(蒸汽阶段)，也被称为“莱顿弗罗斯特现象”，在零件周围产生一个蒸汽膜，从而使其与淬火介质隔开。这一阶段发生时，从工件表面散发的热量高于冷却介质带走热量的能力，这样的热量，在工件周围产生了一个蒸汽屏障。当蒸汽屏障存在的时候，它起到绝缘（隔热）的作用，由于传热是通过蒸汽屏障进行的，所以，与第二阶段(沸腾阶段)相比，冷却速度是相对较慢的。注:在水淬过程中，不存在蒸汽阶段。

第二阶段(沸腾阶段)，会带走最多的热量。这一阶段开始时，工件的表面温度冷却到足够让蒸汽屏障崩溃。然后，淬火介质开始剧烈沸腾，热量开始以非常高的速率从工件中除去。在这个阶段，工件产生的变形量最大。

第三个也是最后一个阶段(对流阶段)是三个阶段中最慢的。这一阶段开始时，工件表面的温度降低到淬火介质的沸点，一旦达到这个温度，沸腾停止。沸腾停止后，由传导和对流冷却取代，比前几个阶段慢得多。

液体淬火是工业上最快的淬火方法之一，在大多数情况下，液体淬火可以使工件完全淬火。因此，它是一种广泛应用于常压炉和真空炉的工艺。然而，由于不同阶段（冷速）的不一致和可控性方面的挑战，液体“自由”淬火是最容易变形的方法之一。此外，在常压炉中进行热加工时，由于高温时炉内存在氧气，工件会发生晶间氧化(IGO)。IGO是一种负面现象，当氧原子扩散到钢的表面与合金元素发生化学反应时发生。IGO在显微镜下观察是在工件表面^[2]的微小裂纹(高达0.007英寸深)。如果开始未在真空热处理过程中去除IGO，则必须在热处理后采用加工手段去除。IGO对处理后表面的耐磨性、抗疲劳性和硬度均有不利影响。

2.2 压力淬火

压力淬火是淬火过程中变形控制的一种常用方法，它不采用批量淬火，而是一次淬火一个工件。压力淬火是一种特殊的淬火技术，旨在控制淬火过程，以最大限度地减少加热循环后工件快速淬火引起的变形。压力淬火的关键问题之一是特殊模具的设计和制造。制造这些模具，使它们机械地匹配工件，并在压力下夹持住热塑化的工件，此时，模具约束所需的特征在淬火发生相变时的变形。油液流过工件表面对于获得所需的硬度和显微组织也很重要，因此，模具制造时必须平衡模具与工件接触的需要和油液与工件之间的适当流动。需要控制变形的常见尺寸有跳动度、平行度、同心度等，当按适当的方式进行压淬时，可以达到精确的公差，与热处理前尺寸相比，公差为0.001- 0.002英寸（0.025 - 0.050mm）。

图2为某4步压力机的描述。

工件热处理变形的先进控制(图2)

在考虑变形控制的时候，压力淬火提供了非常有吸引力的结果。然而，过程中存在不如人意的方面，包括安全问题(热工件的处理)、环境(油)、洗涤(除油)等，热处理后的工件淬火需要特殊的搬运和设备。随后，如果一个工件在模具内没有被正确地夹持，工件可能会受到严重的变形，甚至破裂。

2.3 高压气淬(HPGQ)

液体淬火的一种替代方案是高压气淬，它是在真空炉中进行的。在大多数情况下， HPGQ炉中使用的淬火介质是氮气，然而在特殊情况下，氢气、氦气和氩气也可以使用。与液体淬火相比，HPGQ的淬火烈度要小得多，由于HPGQ的动力学特性，它对淬火工件的几何畸变更小。HPGQ在工业应用中，越来越普遍，与液体淬火相比，它可以提供许多好处。这些优势包括：

热处理后的高质量(干净明亮)工件
非常好的工艺重复性
环境友好
无IGO
最大限度地降低淬火变形
热加工过程的完全自动化
易于工艺设置
全SCADA系统
炉子多工艺的灵活性
紧凑设计

真空炉有许多不同的设计，有单室(垂直和水平)、多室(批量和半连续)，以及完全连续(单件流)。每一个设计都有其各自的目的。最常用的真空炉设计是单室HPGQ炉(图3)，其中淬火气体通过位于加热室周围的喷嘴进入热室，并指向中心，将工件包裹起来(图4)。

工件热处理变形的先进控制(图3)

图3 安装好的卧式真空炉

工件热处理变形的先进控制(图4)

图4卧式真空炉气流模型

采用HPGQ的卧式真空炉，通过降低畸变率，显著改善了淬火工艺效果。气淬是一种一段式工艺，对单个工件来说是一种更加均匀的工艺。而且，通过改变气体压力(密度)和速度(风扇转速)，可以自由调节淬火速率，从而使淬火过程可控。如今采用氮气或氦气的HPGQ系统在25bar绝对压力下工作，达到了油淬的效果。作为一个附加的好处，气淬避免了清洗的过程，使其成为一个更环保的工艺。它们很灵活，可以在任何时间打开和关闭，且只需要大约1小时就可以完成生产准备。此外，它们不需要任何气氛稳定，而且工艺参数几乎可以瞬间改变。

3 批量淬火

在传统的淬火系统中，工件是在专用夹具上批量摆放和处理的(图5)，并在这种摆放下进行淬火。这意味着一批产品中的每个零件都以一种独特的方式受工艺状态的影响，取决于零件在整批中的位置。每个零件受升温速度、工艺气氛的组成、冷却介质的强度和方向的不同而影响。外层的工件比中间的工件更快加热到不同的温度、不同的层深(如渗碳)，淬火也更强烈。结果表明，同批摆放在中间的工件与外层工件具有不同的物理和冶金性能，如表面和心部硬度、显微组织，特别是有效渗层深度^[4-5]。由于批量加工是最被接受的热加工形式，行业要求（译注：指客户）已被迫接受高达+/-30%的层深波动。

对批量2D淬火(特别是油淬)的一个批评性总结是，这是一个不可控的、不均匀的过程，在每个工件内产生很大的变形，而从整批看几乎没有一致性。变形必须通过最终加工或其他修正方法来消除。批量加工也有其它质量、材料搬运和成本方面的缺陷。当我们谈到传统表面硬化工艺的监控和报告时，数据代表了整批工件，而不是单个工件。由于这个过程的缺陷，它使引入和/或实施更高的质量标准变得困难、甚至不可能。在热加工时，这些不同的参数对工件的质量和可重复性有负面影响。根据使用的设备类型，批量加工的公差变化甚至高达0.120英寸（3毫米）。

工件热处理变形的先进控制(图5)

图5典型的批量摆放

作为一个单独的问题，同批工件的淬火烈度和一致性也是不一致的。淬火烈度决定了心部硬度和有效渗层深度(ECD)。一致性决定了淬火参数在工件和夹具内的分布情况。关于烈度和一致性最重要的，是由于淬火变形而导致的尺寸变化量。无论采用的淬火平台是液体淬火还是气体淬火，所有批量淬火都有一个重要的共同特征，即冷却介质单向流动，换句话说就是二维淬火。

这意味着单个工件在一个特定的方向上受冷却介质流动的影响。流动方向可能是从顶部到底部、从底部到顶部、或从一侧到另一侧，等等。二维淬火的后果是工件不同部位的冷却速度不一致(图7)。淬火缺乏一致性导致工件内部存在温度梯度，造成高的热应力、组织转变不均匀以及尺寸变形。

工件热处理变形的先进控制(图6)

图6 批量与单件的二维冷却气体流动图

工件热处理变形的先进控制(图7)

图7 工件在20bar的N2从上向下气流淬火6s后的温度梯度

4 4D高压气体淬火

4.1 4D淬火

4D淬火是一种新的工艺，可以显著改善淬火工艺，主要集中在减少变形和使工艺具有可重复性。减少变形主要是通过在淬火/卸载室中安装高压气淬系统来实现的(图8)。4D淬火平台采用专有的冷却歧管和腔室布置(图8)，在淬火过程中包围着工件。这种方法确保了冷却气体在工件几何形状(顶部、底部和侧面)上的均匀流动。当谈到顶部、底部和侧面淬火时，称之为“3D”冷却。

工件热处理变形的先进控制(图8)

图8 4D淬火/卸载室

为了实现淬火时的第4维，工件被放置在淬火室，专有的冷却歧管围绕着工件，最后支撑台旋转工件，而冷却氮气流遍工件。我们将三维淬火与零件旋转相结合，缔造了4D淬火，能够进一步提高淬火均匀性。采用4D HPQG，它可以得到最好的有可能的淬火均匀性。此外，最重要的是，由于冷却喷嘴可以调整以适应工件的精确尺寸和几何形状，所以淬火可充分优化，变形显著减小。

工件热处理变形的先进控制(图9)

图9 4D淬火室中的淬火气体流动

4.2 4D淬火能力

当讨论淬火时，加热炉系统将采用各种淬火工艺/介质，以达到所需的冶金性能。基于材料硬化的能力，或者我应该说“无能”被硬化，为达到工件最终使用所需要的硬度，可能需要用更强烈的冷却速度。淬火图（图10）显示了批量淬火过程中采用的三种主要类型的淬火油(快、中、慢)与各种淬火气体(N₂、He、H₂)的关系。我们首先看淬火油，三种油的一般传热系数(或淬火能力)范围大约为1000 - 2500（W/m²K）。

后面，图表显示了这三种气体之间的关系，以及当室内压力增加时它们的表现。垂直的虚线代表真空HPGQ炉两类通常构造。14bar标记处的虚线代表典型的单室批次HPGQ炉，24bar标记处的虚线代表典型的多室批次HPGQ炉。简单来说，多室意味着有一个专用的加热室和淬火室，其中加热区不淬火，因此多室HPGQ炉的性能比单室炉更好。然而，多室HPGQ炉的一个缺点是比单室炉制造更复杂、成本更高。

当比较N₂批次HPGQ炉与油淬炉时，虽然N₂是HPGQ中最常用的气淬介质，但只有进入20-24 Bar范围时，它才开始变得像油一样强。He和H₂比其他两种气体性能都要好。然而，缺点是He的购买成本非常高，需要昂贵的回收系统，而H2有其固有的安全法规和顾虑，使其不能用于当今的淬火工艺。那我们该怎么办?正如你所看到的，当只使用9 Bar的N₂淬火气体时，4D淬火的能力属于快油淬火范围。

工件热处理变形的先进控制(图10)

图10 4D淬火、批次HPGQ和油淬火速度关系

4.3 4D淬火优化

在4D淬火室内的淬火过程的优化可以通过调整其一个或多个特性等多种方式进行（表1）。对这些参数的简单调整，用户现在有完全的灵活性，以优化淬火工艺、减少变形，保持零件到零件的重复性，并在工件热处理后实现精密的精度。

表1 4D淬火特性

特性	描述
淬火压力	1-10bar绝对气压
气体流速	冷却风机转速控制
气体歧管	淬火气体在零件周围分布均匀
支撑台旋转	开/关，转速与方向调整
支撑台摆动	角度调整
气流随时间变化	可论秒控制

4.4 均匀淬火

为了进一步说明4D淬火的均匀淬火能力，系统可以通过淬火室上的小型摄像机记录整个淬火过程。从视频(图11)的快照中可以看到，淬火非常均匀且迅速。在这个例子中，工件在15秒内从845℃的“红热”颜色冷却到425℃的黑色。所有这些特性都可以调整，这意味着4D淬火材料冷却系统是一个完美的工具，为冷却过程的形成和控制提供了无限的可能性，允许用户设定淬火工件所需的最佳参数。

工件热处理变形的先进控制(图11)

图11 4D淬火实时淬火图片

5 案例

联轴器套筒是传动系统的关键工件(图12)。由于其复杂的几何形状，它们在热处理过程中容易产生较大的几何变形。联轴器套筒变形的几个原因是它的薄壁结构和轮齿的几何形状。

工件热处理变形的先进控制(图12)

图12联轴器套筒试验工件照片

在下面的案例研究中，20个套筒在SECO/WARWICK单片流UniCase Master真空炉中进行低压渗碳和4D淬火(图13)，然后进行回火处理。为了证明4D淬火在热处理后能减少工件变形，采用三坐标(CMM)对工件进行尺寸测量。测量精度为2µm。热处理前尺寸测量记为“未加工件（green part）”，在热处理后记为“表层硬化件（case hardened）”。为进一步增强说服力，测量了几个不相关的关键尺寸，包括：径向跳动、轴向跳动、总节距偏差、总齿廓偏差和总螺旋线偏差等(图14.1-14.5)。