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发表于《机械工人》2007年第10期
前言
十多年前，高速风冷等温正火生产线开始在齿轮行业推广应用。锻坯经过等温正火后，不仅改善了材料的组织和性能，还减小了齿轮在渗碳淬火后的淬火变形。良好的应用效果使等温正火得到越来越广泛的应用。但是，现用等温正火生产线存在的不足之处时有所闻。在分析研究所有不足之处后，我们发现：从等温正火前期快冷介质的选择入手，可以解决这些问题。
一、存在的不足及其产生原因
从其用途和使用效果方面反应的五类不足之处为：没有等温正火生产线就不能进行工件的等温正火；形状尺寸出格的工件无法进行等温正火；淬透性较差和厚度较大的工件，难以达到要求的正火组织和硬度；为保证风冷效果，锻坯必须装得很稀疏；等温正火后一些工件的硬度和组织差异仍然较大。
我们认为，高速风冷的缺点是所有这些问题的产生原因。和水、油等冷却介质相比，风冷的弱点是1.风冷总有迎风面和背风面。迎风面冷却得快，背风面冷却得慢。风速越大，二者的差异也越大。2.离出风口远近不同，获得的冷却速度差异很大。为避免风压衰减过快，风冷室大多很小。3.在不大的风冷室中，为保持风路畅通，工件必须装得尽量的少。4.风冷本身的冷却速度就不够快。
但是，高速风冷只是可供选择的冷却介质之中的一种。下文将从钢材转变特点和锻坯的有效厚度对等温正火前期快冷的要求出发，分析介绍冷却介质的选择原则，并建立一种简便的选择方法，供技术人员解决前述五类问题时参考。
二 钢种特点对前期冷却的要求
等温正火的工艺过程可表示如图1。到达等温温度之前的快冷阶段，就是本文所述的前期快冷。图中的等温转变包括开始的先共析铁素体析出和随后的珠光体转变。由于多数渗碳钢的先共析铁素体转变非常迅速，实际生产中不可能在钢材发生先共析铁素体转变之前把工件冷却到要求的等温温度。因此，等温正火的前期快冷只能要求在钢材发生珠光体转变之前把锻坯冷却到等温温度。图2是20CrMnTi的等温转变曲线图。从图中可以找出在600℃附近等温时，该钢材珠光体转变的开始与结束时间。作为例子，选几种常用渗碳钢，并把它们的这些数据汇集起来，成为表1。从表1中可以看出，钢种不同，珠光体转变的时间也不同。
图1等温正火过程的示意图
图2 20CrMnTi钢的等温转变曲线（选自胡志忠：钢及其热处理曲线手册，212页）
表1 几种常用钢的珠光体转变开始和结束时间
钢种
等温温度 /℃
珠光体转变开始时间 /s
珠光体转变完成时间 /min
20CrMnTi
600
35
7.5
20CrMo
600
300
12
20CrNi3
600
110
17
三 常用冷却介质的冷却速度对比
常用冷却介质和方式有：静止空气冷却、普通风冷、高速风冷、油冷、水冷，以及新近推出的匀速冷却液中冷却。多数齿轮锻坯属于中小型工件，水冷太快，可不予考虑。对淬透性较差钢种制造的中等厚度工件，有时需要冷却速度接近油的冷却介质。因为600℃左右的工件出油后向等温炉的转移过程必然引起烟火，用油都出于不得以。
匀速冷却液属于水性溶液。它具有水性介质不燃烧和没有烟火的特点。从高温冷却到三、四百度的过程中，在冷却过程曲线图上，匀速冷却液的冷却曲线接近一条直线。这说明，在这一温度范围，它的冷却速度变化很小。匀速冷却液的命名，就出自它的这一特点。
图3 常用冷却介质的冷却曲线
和快速风冷相比，匀速冷却液有以下优点：冷却速度变化很小。工件上不同部位都能接触介质，冷却效果均匀。不燃烧，无烟火。具有比油更好的流动性。冷却速度适中，可用于中小工件。不需要专门的设备，只要有装介质的槽子和等温炉，就可以完成不同形状大小工件的快冷处理。它的缺点是：冷却速度不如油快，不适于大型工件。
说明：普通风冷是用普通电扇吹风，高速风冷是用空压机产生的压缩空气吹冷，探棒离风口约20cm。
四 圆棒直径对冷却快慢的影响
常用渗碳钢多属低合金结构钢。一般认为，低合金结构钢的导热特性差别不大。因此，可以利用热处理书刊上提供的不同直径棒料在普通矿物油中的冷却曲线，来确定棒料在油中冷却时，表面和中心冷却到不同温度的时间。图4就是一张这样的冷却曲线图。图中，横坐标为对数坐标，表示冷却时间，单位为秒。纵坐标表示温度。几个纵坐标表示棒料经历的不同加热温度。图内用了实线和虚线两种曲线，分别表示棒料的中心和表面的温度变化情况。曲线上的数据，表示棒料的直径（mm）。本文将参考图中的数据，并把它们用到等温正火前期快冷介质的选择中。
图4 不同直径棒料在油中的冷却曲线(刘云旭主编《金属热处理原理》，机械工业出版社，1981
五 棒料直径与冷却到600℃所需时间的关系曲线
多数齿坯的等温温度在600℃附近，因此取600℃为等温温度的代表。图4中可以看出，棒料表面和心部冷却到600℃所需时间差别很大。为了简化问题，我们假定：油中表面冷却到500℃的棒料，在快速转移到等温炉的过程中内外温度能基本趋于一致，且大约为600℃。选定900℃的温度作为有代表性的正火加热温度。按照这些约定，从图4中读取不同直径棒料表面冷却到500℃所需时间的数据，作成棒料油冷到600℃所需时间和直径的关系曲线，如图5所示。
然后，在图3中比较不同冷却介质冷却到500℃所需的时间长短。办法是，先过纵坐标上500℃刻度作一水平线。该水平线与各冷却介质的冷却曲线的交点对应的冷却时间，可作为各介质使棒料冷却到600℃所需的时间。把这几个时间列成表，并以油冷时间为1，求出了其他介质中冷却到600℃所需时间相对于油冷的倍数值，并作成表2。
表2 不同介质中冷却到600℃所需时间对比
冷却介质
冷却速度比值
冷却时间比值
普通油
1
1
静止空冷
0.09
11
快速风冷
0.13
7.7
高速风冷
0.22
4.5
匀速冷却液
0.46
2.2
图5 冷却到600℃所需时间与棒料直径的关系曲线
再按表2所列冷却时间长短的比例关系，算出其他介质中冷却到600℃所需的冷却时间。具体的做法是，以匀速冷却液为例，把图5中油冷曲线上直径20mm、 40mm、60mm和80mm等的油冷时间乘上2.2，作为在匀速冷却液中，相应直径棒料冷却到600℃所需的时间。用这样算出的数据作成匀速冷却液中不同直径棒料冷却到600℃所需时间的曲线。依此类推，算出其他介质的相应数据，并把它们的曲线作在同一张图上，如图5所示。考虑到采用高速风冷时可对风量和风温进行调节，而采用匀速冷却液时可以调节液温，图中，把这两种介质的曲线画成为了一定宽度的曲线带。
在这样的曲线中，纵坐标反应的是正火加热后的过冷奥氏体的珠光体转变特性。横坐标反应的是工件的形状大小的影响。当形状确定下来之后，比如在图5中只针对棒料时，横坐标就只表示工件大小的影响。其他形状的工件，用同样的思路，也可以作出相应的类似图线来。图线内的曲线或者曲线带，则表示不同冷却介质（及其用法）的特性。
六 等温正火前期快冷用冷却介质的选择方法
到此，根据齿轮锻坯的钢种、棒料直径和图5所示曲线，就可以为等温正火前期快冷选择淬火介质了。 下面结合例子讲述选择方法。
例一，为直径30mm的20CrMnTi棒料选择介质。
图6 举例用介质选择图
首先，从表1中找到600℃等温时20CrMnTi开始珠光体转变的时间为35秒，接着在一张相当于图5的曲线中，从纵坐标35秒处作一条水平线，从横坐标直径30mm处向上作一条垂线。这两条直线的交点A，正好落在匀速冷却液曲线带中，如图6所示。普通风冷和高速风冷的相应曲线都在A点的左边，这说明它们的冷却速度都过慢，不适合用做该齿轮锻坯等温正火前期快冷的冷却介质；而匀速冷却液则正好可以选用。
例二, 为直径60mm的20CrNi3棒料选择介质。
从表1查出20CrNi3钢材开始珠光体转变的时间为110秒，并作成相应的水平线。再从直径60mm处作成相应的垂线。两线相交于B点。B点在高速风冷曲线带的右边。说明用高速风冷的办法，满足不了该类锻坯等温正火前期快冷的要求。匀速冷却液的曲线带在B点的右边。这说明应当选择匀速冷却液。
例三, 为直径80mm的20CrMo棒料选择介质。
从表1找出20CrMo开始珠光体转变的时间为5分钟（300秒），并在图6中作一条水平线。再从直径80mm作一条垂线。两线相交于C点。C点正好在高速风冷的曲线带内，说明高速风冷可以在钢材发生珠光体转变之前把该锻坯冷却到600℃左右的温度。当然，匀速冷却液的曲线也在C点的右边，同样适于该锻坯等温正火前期快冷之用。
例四, 为不同钢种确定最大棒料直径
从表2所举的四种钢开始珠光体的时间，可以确定各介质能处理的最大棒料直径。办法是，用珠光体转变的开始时间在图6中作水平线。这些水平线与各种介质的冷却曲线的交点对应的直径值，就是该介质可能处理的该钢种棒料的最大容许直径。表3汇集了这几种钢在不同介质中冷却的最大容许直径值。
表3 前期快冷用"钢种-介质-最大容许直径"
钢种
可处理的最大棒料直径 /mm
普通风冷
高速风冷
匀速冷却液
油冷
20CrMnTi
12
20
32
60
20CrNi3
17
50
65
110
20CrMo
37
95
140
218
在任何介质中冷却，直径超过表3所示的最大值的工件，其等温正火就不可能得到完全符合要求的组织和性能，且组织和性能的差异也必然增大。
七 几点说明
1. 本文建立的只是粗略估算法
建立本方法的主要依据是钢的等温转变曲线，油等介质的冷却曲线和棒料冷却曲线。而这些曲线或特性本身又受多种因素影响。即便钢种、介质和棒料尺寸都相同，所获得的这三项特性也不可能完全一致。同时，在建立本方法的过程中还采用了一些简化问题的假定。因此，本文介绍的只是粗略的估算方法。
2. 多个工件装挂在一起冷却时，锻坯获得的冷却速度通常比估算值要慢。
3. 其他形状的锻坯，须先凭经验换算成棒料直径再用此法。
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