1 概述
氣體淬火過程通常在高壓下實現(xiàn)，因此經(jīng)常被稱為高壓氣體淬火（HPGQ) 。在HPGQ中，已經(jīng)奧氏體或經(jīng)化學(xué)熱處理的工件在惰性氣流中進(jìn)行淬火，壓力為1~20bar，流速為0.5~20m/s。當(dāng)采用噴管時，速度更高，可以達(dá)到80~160m/s。在少數(shù)情況下，采用高達(dá)25bar的壓力。在大部分情況下，HPGQ與真空熱處理相結(jié)合，如低壓滲碳（LPC ) ;在少數(shù)應(yīng)用中，HPGQ 則被用于常規(guī)氣體滲碳之后。HPGQ之后通常緊跟著回火。
在多數(shù)情況下，氣體淬火工藝的目的是提高工件硬度。在奧氏體化完成后，對工件進(jìn)行 HPGQ，使顯微組織從奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，由此獲得期望的硬度的增加。與液體淬火，如油、聚合物溶液或水淬火相比，高壓氣體淬火是環(huán)境友好型的且變形小的淬火工藝。與液體淬火相比，干燥的氣體淬火有以下優(yōu)點(diǎn)：
1) 熱處理后工件表面清潔，不需要清洗。
2) 環(huán)境友好，沒有殘留物。
3) 淬火強(qiáng)度的控制十分靈活。
4) 能顯著減少熱處理變形。
5) 能將熱處理工藝整合到生產(chǎn)線中。
影響顯微組織、硬度和變形的工藝參數(shù)如圖1 中所示。
HPGQ的缺點(diǎn)是其淬火強(qiáng)度與液體（如油、水或聚合物溶液）淬火相比有所限制。雖然近來HPGQ技術(shù)有所改進(jìn)，但非常大的零件采用氣體淬火仍不成功，除非它們是由淬透性極好的鋼種制成的。盡管如此，HPGQ還是越來越受歡迎，且在很多應(yīng)用中取代了液體淬火。對于工具鋼和高速工具鋼的熱處理，HPGO被優(yōu)先選擇，并幾乎已經(jīng)完全取代了以前常用的液體淬火。通過提高氣體壓力和氣流速度以及采用獨(dú)立的HPGQ淬火室－冷室的設(shè)計，氣淬熱處理也建立起了針對低合金表面硬化鋼和調(diào)質(zhì)鋼的淬火工藝。
迄今為止，HPGQ在冷室上的初步應(yīng)用有齒輪組件（齒輪、軸、同步裝置）、軸承套圈以及燃油噴射系統(tǒng)組件（噴嘴、泵壓頭等）。在過去的幾年里，LPC技術(shù)與HPGQ相結(jié)合已成為乘用車手動和自動變速器中齒輪組件處理的優(yōu)先選擇。
在HPGQ 過程開始時，淬火室中涌入大量淬火氣體。根據(jù)氣體類型和安裝的設(shè)備，達(dá)到預(yù)期的壓力水平需要4~20s的時間。隨后，氣流循環(huán)通過負(fù)載并從工件中帶走熱量，同時氣體吸收的熱量被釋放到一個集成式熱交換器中。帶走的總熱量可用熱流密度（q) 來描述。根據(jù)式（1 ) , 熱流密度與傳熱系數(shù) α 成正比。傳熱系數(shù)是淬火中重要的物理參數(shù)，且零件表面上局部 α 值的分布對淬火后的零件質(zhì)量有很重要的影響
（1）
式中，Ts是零件表面溫度。
圖2 所示為不同淬火冷介質(zhì)的平均傳熱系數(shù)。用HPGQ獲得的冷卻速度與用溫和油淬獲得的冷卻速度相似。HPGQ不能達(dá)到用強(qiáng)烈攪拌的油淬火所獲得的冷卻速度。
▲圖2 不同淬火冷卻介質(zhì)的平均傳熱系數(shù)
傳熱系數(shù) α 和工藝參數(shù)之間的理論關(guān)聯(lián)見式
（2 )
式中，C是常數(shù)；w 是氣流速度；ρ 是氣體密度；d是零件比直徑；η是氣體動力黏度；CP 是氣體的比熱容；λ是氣體的熱導(dǎo)率。
常數(shù)C包含了其他所有影響因素，如淬火室具體的空氣動力學(xué)條件、氣流紊亂程度等。一旦選定了淬火室類型和淬火氣體類型，氣體壓力和流速是能夠進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到預(yù)期淬火強(qiáng)度的兩個重要工藝參數(shù)。
在HPGQ 工藝過程中，傳熱系數(shù)幾乎保持恒定。當(dāng)對氣淬和液淬（油、水、聚合物溶液）的傳熱機(jī)制進(jìn)行比較時，可以看出一個基本的差異。液淬中有三種不同的傳熱機(jī)制：膜沸騰、核沸騰和對流。這三種傳熱機(jī)制導(dǎo)致零件表面局部傳熱系數(shù)的分布很不均一（圖3 ) 。
這種不均一的冷卻條件導(dǎo)致組件中產(chǎn)生了極大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，隨之便可能引起變形。在HPGQ中只發(fā)生對流，所以具有更加均一的冷卻條件。由于氣態(tài)淬火冷卻介質(zhì)不發(fā)生相變，與液淬相比，HPGQ在很多應(yīng)用中生的變形較小。
氣淬的另一個優(yōu)點(diǎn)是通過改變氣體壓力和氣流速度，可以精確地調(diào)整淬冷烈度的靈活性。淬冷烈度可根據(jù)零件硬度和顯微組織調(diào)節(jié)到特定的目標(biāo)值。對于液淬，由于只有淬火冷卻介質(zhì)的攪拌和溫度是可變的，因此靈活性較低。這就導(dǎo)致與HPGQ 相比，液淬的工藝空間小得多。
液態(tài)淬火冷卻介質(zhì)長期使用時，由于淬火冷卻介質(zhì)的污染，傳熱系數(shù)會變差。但是采用 HPGQ不會出現(xiàn)這種情況，而且隨著時間的增加，冷卻速度能保持良好的重現(xiàn)性。
氣淬設(shè)備主要有兩類：在單室爐中，所有工藝步驟，如加熱、可選擇的化學(xué)熱處理和HPGQ 都在同一個室中進(jìn)行；另一類是多室系統(tǒng)，其中包含僅用于淬火的冷室，它是多室系統(tǒng)的一部分，在多室系統(tǒng)中，加熱、奧氏體化和可選擇的化學(xué)熱處理在不同的室中進(jìn)行。
在兩種類型的氣淬設(shè)備中，都配有一臺集成的高性能風(fēng)機(jī)用于循環(huán)氣體，使氣體通過適當(dāng)?shù)臍怏w引導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過熱工件。為氣體風(fēng)機(jī)配置的電動機(jī)的功率要根據(jù)氣體的目標(biāo)速度、目標(biāo)壓力和氣體類型來選擇。典型的風(fēng)機(jī)電動機(jī)功率在80~250kW 范圍，有時高達(dá)400kW。氣體從負(fù)載吸收熱量并釋放到集成氣體／水熱交換器中。
圖4 所示為單室爐中的氣流。加熱和淬火在同一個室內(nèi)進(jìn)行，因此室的設(shè)計是兩種功能之間的優(yōu)化折中。氣體被一個風(fēng)機(jī)加速，并被引導(dǎo)經(jīng)過負(fù)載和熱交換器。通過改變翻板和導(dǎo)流板的位置，可以改變氣流的方向。單室爐的設(shè)計是可變的，如方形室或圓形室、用氣體噴嘴淬火及單向、雙向或四向定向冷室。
圖5 所示為氣淬冷室的設(shè)計實例。在HPGQ工藝開始之前，將熱負(fù)載運(yùn)輸進(jìn)冷室中。
關(guān)閉密閉門后，室中涌入淬火氣體。用兩臺風(fēng)機(jī)來加速氣體通過負(fù)載和分別位于負(fù)載上方和下方的兩個水冷熱交換器。除了冷卻淬火氣體，熱交換器還起到使氣體流速均勻化的作用。
與單室爐相比，冷室提供了更強(qiáng)的淬冷烈度。當(dāng)設(shè)計冷室時，氣體流量的設(shè)計不會受到其他工藝步驟的影響，如加熱或化學(xué)熱處理。由于加熱元件需要占用一定空間，在單室爐中負(fù)載和爐內(nèi)壁之間有一個明顯的間隙。因此，有大量氣體并未被引導(dǎo)流經(jīng)負(fù)載，而是從負(fù)載旁邊繞過。冷室的一個更大的優(yōu)點(diǎn)是只有負(fù)載本身需要進(jìn)行冷卻，熱的爐內(nèi)壁不需要冷卻，而單室爐中則兩者都會被冷卻。
表1 所列為單室爐和冷室的優(yōu)缺點(diǎn)以及典型應(yīng)用。對于這兩類設(shè)備，為了滿足零件的硬度和變形均勻性的要求，提供均勻的氣體流速都是很重要的。
▼表1 單室爐和冷室高壓氣誶的區(qū)別
冷卻速度的均一性通常是通過在不同位置的淬火零件處放置熱電偶來測定的。建議在裝爐零件的極限位置處測量冷卻曲線。如裝爐零件的轉(zhuǎn)角、頂部中間、中心和底部中間處。當(dāng)在冷室中測量冷卻曲線時，必須使用能在整個過程中跟隨料筐（或料盤）移動的移動電子數(shù)據(jù)記錄裝置。這種裝置的缺點(diǎn)是對測量的冷卻曲線有影響，因為其尺寸相對較大而改變了淬火性能。
4 氣冷淬火使用的氣體類型
HPGQ 主要使用三種氣體：氮?dú)?、氦氣和氬氣?/span>出于安全考慮，氫氣還未用于工業(yè)生產(chǎn)。氫氣是僅有的可燃性淬火氣體，因此在這類工廠的技術(shù)設(shè)計和后續(xù)操作中都需要采取大量的安全保護(hù)措施。由于淬火氣體熱物理性質(zhì)的不同，其淬火能力也有明顯不同，見表2 。
▼表1 標(biāo)準(zhǔn)條件下（25℃、1bar) 氣體的熱物理性質(zhì)
氮?dú)庠诠I(yè)上應(yīng)用廣泛。氦氣應(yīng)用于一需要更高淬火冷卻速度的場合，因為氦氣比氮?dú)飧p，安裝一個更大的葉輪就可以提供更高的氣流速而不用增加風(fēng)機(jī)功率。然而，氦氣的成本較高，每次淬火周期后需對其進(jìn)行重復(fù)利用，氬氣通常用于航空件的淬火。
除了使用單一氣體，也可以將氣體混合使用。理論計算證明，混合氣體的傳熱系數(shù)（如He：CO2 以60％：40%的比例混合時）大于單一氦氣的傳熱系數(shù)，然而到目前為止，用混合氣體淬火并沒有在實實踐中得到應(yīng)用，因為提供和維持混合氣體成分所需要的技術(shù)要求很高。此外，二氧化碳作為淬火氣體使用可能會導(dǎo)致零件表面發(fā)生氧化和變色。除了使用表2 中的工業(yè)氣體外，也可以使用干燥的空氣作為淬火氣體。但使用空氣不可避免地會導(dǎo)致淬火過程中零件表面的氧化。然而，在典型低合金表面硬化鋼上形成的約 5um厚的氧化層，可在隨后的生產(chǎn)工序中通過噴丸加工完全除去。關(guān)于工件表面硬化和耐磨性的問題尚未有報道。如果淬火后氧化層可通過噴丸加工或精加工除去，那么使用空氣進(jìn)行淬火將成為可能。
5 冷卻曲線
淬火冷卻速度在很大程度上取決于工件的形狀和尺寸、淬火室的設(shè)計以及負(fù)載的結(jié)構(gòu)和重量。如果淬火室的類型和淬火氣體已經(jīng)選定，且負(fù)載形狀已確定，那么氣體壓力和氣體流速便是能夠進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到預(yù)期淬冷烈度的兩個重要工藝參數(shù)。為了確定某個淬火室的設(shè)計氣體流速，可用熱線風(fēng)速計測量局部的速度分布情況。該測量是在淬火室空載的裝料平臺上進(jìn)行的。隨后將此次測量的平均值視為淬火室的氣體流速。根據(jù)式（2 ) , 氣體流速和氣體密度對式中指數(shù)為0. 7的傳熱系數(shù) α 有影響，而氣體密度與氣體壓力成正比。因此，氣體壓力和氣體流速對傳熱系數(shù)有相同的影響。
分析冷卻曲線時，必須區(qū)分單室爐和冷室。圖6 和圖7 所示，為單室爐的冷卻特性。Φ25mm的圓柱體用氣流速度為7m/s的氮?dú)膺M(jìn)行淬火時不同氣體壓力的冷卻曲線如圖6 所示。在圖7 中，顯示了Φ100mm的圓柱體在壓力為6bar、氣流速度為7m/s的氮?dú)庵写慊饡r，工件表面和心部的冷卻曲線。在這種情況下，采用氣流換向可以獲得更好的冷卻均勻性。
目前，已發(fā)展出具有更高淬冷烈度、可用于特殊場合的單室爐。
在單室爐中，由中合金鋼制造的較小零件通常直接冷卻到室溫，由高合金鋼制造的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型組件則通常要經(jīng)過幾個步驟的淬火。該工藝被稱為分級淬火。用于避免淬火過程中的開裂和減少零件變形（圖8 ) 。
▲圖8
冷室的發(fā)展引導(dǎo)了提供更高淬冷烈度的方法。同時，在過去幾年里，最大淬火壓力持續(xù)增加。目前，低合金鋼材大量生產(chǎn)中 HPGO 冷室的標(biāo)準(zhǔn)最大壓力為20bar 。
除了淬火壓力，為獲得更高的淬冷烈度，歷年來氣體流速也有所增加。現(xiàn)在，當(dāng)使用氮?dú)鈺r，采 用12m/s的平均氣體流速和20bar的淬火壓力。當(dāng)使
用氦氣時，由于它的密度低，其氣體流速可顯著提高而不需增加電動機(jī)功率。氦氣淬火的平均流速最高可達(dá)20m/s 。
很多研究中都已測定了HPGQ在冷室中獲得的淬冷烈度。例如，在HPGQ冷室中用試驗方法測定不同直徑的圓柱形試樣心部的冷卻曲線。圖9 所示為Φ10mm圓柱體試樣在不同淬火參數(shù)下的冷卻曲線，圖10所示為一個Φ50mm 工件的冷卻曲線。
淬火參數(shù) λ800~500 經(jīng)常被用作冷卻曲線的特征參數(shù)。其值可以通過從冷卻曲線上讀取的信息來確定，即從800℃冷卻到500℃所需的時間。然后，用以 s 為單位的該數(shù)值乘以因子 1/100 就可以得到淬火參數(shù) λ800~500 。圖11 所示為冷室中三種不同淬火條件下的λ800~500。
當(dāng)預(yù)測形狀復(fù)雜工件的冷卻曲線時，必須知道不同淬火條件下傳熱系數(shù)。表3 中列出了在冷室中用Q型探頭進(jìn)行試驗測定的傳熱系數(shù)，通過測量Q型探頭表面和心部的冷卻曲線來獲得這些數(shù)據(jù)。表3 中還列出了由式（2 ) 算得的 α 值?？梢?，計算的與測量的值吻合得較好。但需要注意的是，常數(shù)C=0. 10535僅適用于該測試中的淬火室類型。如果式（2 ) 計算不同類型淬火室的 α 值，則須采用不同的C值。
▼表3 計算與測量的冷室中的傳熱系數(shù)
①有由（2）計算得到C=0.10535；計算值是縱向淬火的Φ28mm圓柱體Q型探頭外側(cè)表面值
如前所述， α 值可通過試驗方法（即測量HPGQ過程中的冷卻曲線）來確定。這是傳統(tǒng)的用來確定工件表面平均 α 值的方法。然而，如果需要的不是平均值，而是在工件不同表面區(qū)域的局部和裝料區(qū)內(nèi)不同部位的 α 值，那么這種方法是不適用的。有另一種試驗方法可用于確定裝載內(nèi)的局部 α 值。該方法是基于能量和質(zhì)量傳遞之間的類似關(guān)系。但此方法需要大量的試驗工作。另一種可能的方法是通過計算機(jī)流體力學(xué)模擬計算 α 值，采用此方法時，必須通過試驗，驗證計算結(jié)果。
淬冷烈度及其決定的 HPCQ 后的心部硬度值并不僅僅取決于氣體壓力和氣體流速這兩個淬火參數(shù)。心部硬度值更多地取決于工件材料的淬透性、淬火室的設(shè)計以及負(fù)載的結(jié)構(gòu)和重量。因此，所有心部硬度的預(yù)測值對每種類型的設(shè)備和每種負(fù)載結(jié)構(gòu)都是不同的。
以下傳動零件熱處理的例子闡述了在工業(yè)實踐中是如何預(yù)測心部硬度值的。當(dāng)為齒輪或齒輪軸設(shè)計 HPGQ 工藝時，必須預(yù)測使用不同鋼種作為零件材料時，齒根心部硬度能達(dá)到的值。一旦選定某種鋼，必須明確在成批生產(chǎn)中應(yīng)采用的淬火參數(shù)，以確保齒根心部硬度達(dá)到目標(biāo)值。這些問題可通過預(yù)測基于鋼材的末端淬火的淬透性曲線的方法來解答。
末端淬火淬透性曲線是一個標(biāo)準(zhǔn)化測試，如DIN EN ISO 642中所述，使用Φ25mm×100mm的圓柱形試樣作為測試探頭，探頭在奧氏體化后垂直懸掛，并用已知淬冷烈度的噴水管對探頭進(jìn)行淬火。水柱直接朝向圓柱形試樣的下表面，這意味著隨著與該表面距離的增加，探頭內(nèi)部的冷卻速度逐漸下降。
淬火完成后，在表面以下0. 4mm沿與軸線平行的方向測量硬度分布，得到的曲線就是末端淬火曲線。該曲線描述了與探頭下端面之間的距離（即末端淬火值，以mm為單位）和得到的硬度（HRC)之間的關(guān)系。除了之前介紹的試驗方法外，也可以根據(jù)鋼種的化學(xué)成分來計算出曲線。
末端淬火值用mm表示，因此具有距離單位，但是本質(zhì)上末端淬火值描述的是末端淬火探頭內(nèi)部的局部冷卻曲線，因為末端淬火測試是一個標(biāo)準(zhǔn)化的淬火測試。當(dāng)對一個試樣進(jìn)行淬火時，其內(nèi)部的每個零件都有一條特定的冷卻曲線，可用相應(yīng)的末端淬火值來描述。
采用預(yù)測的方法時，首先確定的就是負(fù)載內(nèi)不同位置的末端淬火值。如前所述，冷卻曲線取決于淬火工件的尺寸和形狀，淬火工藝參數(shù)、淬火室類型以及負(fù)載的結(jié)構(gòu)和重量，這也是測定的末端淬火值僅適用于特定淬火場合的原因：特定的零件形狀及組合、淬火室、工藝參數(shù)和負(fù)載結(jié)構(gòu)。
預(yù)測方法的基本步驟如圖12 所示。目的是對于一種給定類型的淬火室和給定的工藝參數(shù)（特定的零件幾何結(jié)構(gòu)和負(fù)載結(jié)構(gòu)）， 預(yù)測使用不同鋼種時的齒根心部所能達(dá)到的硬度。
為了實現(xiàn)這樣的預(yù)測，必須知道零件材料的精確末端淬火淬透性曲線。熱處理循環(huán)完成后，確定負(fù)載內(nèi)特定部位的齒根心部硬度值（如從負(fù)載中部到底的零件中的齒根心部硬度）。有了這一硬度值，便可從所用鋼材的末端淬火曲線中讀取相應(yīng)的末端淬火值。該末端淬火值表征了給定淬火條件下，零件齒根中的局部冷卻速度特性。在的齒根中，低的末端淬火值對應(yīng)于高冷卻速度，高末端淬火值則對應(yīng)于低冷卻速率。
確定零件的局部末端淬火值后，便可預(yù)測選擇不同鋼種時所能獲得的齒根硬度值。如果已知鋼種的末端淬火曲線，則可從末端淬火曲線上讀取所能獲得的硬度值。
圖13 所示，為齒輪的齒根中確定的末端淬火值。
圖中展示了分別用20bar氦氣和10bar 氦氣淬火時，底層的末端淬火值。此外，圖中還加入了16MnCr5、21NiCrMo2 和 18CrNiMo7-6 鋼的末端淬火曲線。給出了典型的HH級鋼的淬透性曲線。從而可預(yù)測使用這些鋼種時齒根心部的硬度值。
圖14 所示分別用20bar氨氣和10 bar氮?dú)獯慊饡r，測定的齒輪軸齒根中的末端淬火值，并再次給出了典型的HH級鋼的淬透性曲線。
圖15 對比了經(jīng)常用于冷室HPGQ處理的不同表面硬化鋼材的末端淬火曲線。一般而言，所有的鋼種都有一個特定的合金元素含量范圍。因此，每種材料都有一個由上、下限曲線界定的淬透性分布帶，由材料技術(shù)要求定義。圖15 中的淬透性曲線代表最大末端淬火曲線下1/3的散布帶。當(dāng)為一個新應(yīng)用選擇鋼種時，必須考慮淬透性分布帶。
7 淬火時的氣流換向
高壓氣淬的氣流方向通常為從頂部穿過負(fù)載到底部。但這種單向淬火會導(dǎo)致硬化結(jié)果的波動，這種波動是由淬火氣體的溫度升高和空氣動力學(xué)流動狀態(tài)造成的（由于層與層之間的“尾流效應(yīng)”， 引起層與層之間的流動狀態(tài)不同）。現(xiàn)在的氣淬室為淬火過程中的氣流轉(zhuǎn)向提供了可能。氣流轉(zhuǎn)向意味著氣體的流動是從頂部到底部和從底部到頂部來回交替。通過交替轉(zhuǎn)變氣流方向，減少了放在不同層的零件的冷卻曲線間的差異，從而減少了負(fù)載內(nèi)變形散差。
圖16 所示為采用氣流轉(zhuǎn)向技術(shù)的淬火室示意圖。為了達(dá)到交替轉(zhuǎn)變氣流方向的目的，淬火室內(nèi)配有氣動式翻板。氣流方向是從頂部到底部還是從底部到頂部，取決于閥門的設(shè)置。氣流方向的交替轉(zhuǎn)變是按時間來控制的。
▲圖16 采用氣流轉(zhuǎn)向技術(shù)的淬火室示意圖
如圖17 所示，當(dāng)采用氣流轉(zhuǎn)向技術(shù)時，頂層和底層中的冷卻曲線十分靠近。結(jié)果是負(fù)載內(nèi)部的心部硬度散差顯著減小。在圖 17 所示的應(yīng)用中，齒根心部硬度散差從90HV 減小至40HV。
氣流轉(zhuǎn)向技術(shù)不僅可用來減小心部硬度散差，也可以減小負(fù)載內(nèi)部變形散差。例如，將氣流轉(zhuǎn)向工藝應(yīng)用于六檔自動變速器中的最終傳動小行星齒輪上。該齒輪由5120鋼制成，外徑為31mm, 高度為32mm, 外齒數(shù)為24個。一次裝爐量為9層共1056個零件。
▲圖18 最終傳動行星小齒輪（Φ31mm,
24齒）裝爐量（9層共1056件）
圖19 所示為采用氣流轉(zhuǎn)向工藝后取得的改善。
▲圖19 應(yīng)用氣流轉(zhuǎn)向工藝后變形減少
注：單向和轉(zhuǎn)向氣流的比較，最終傳動小齒輪在熱處理后上部、中部、下部的螺旋角變化；熱處理后最大值為38um。
當(dāng)采用單向氣流時，氣體僅從頂部穿過負(fù)載流向底部。有了轉(zhuǎn)向氣流，氣體流動能夠在從頂部到底部和從底部到頂部之間來回交替，如圖16 所示。在圖19 中，使用單向氣流時，位于負(fù)載中部和頂部的零件出現(xiàn)了變形超差。采用轉(zhuǎn)向氣流后，螺旋角的變化顯著減少。例如，對于來自頂部的齒輪，其右側(cè)最大螺旋角變化減少了61% 。有了優(yōu)化的氣流轉(zhuǎn)向工藝，熱處理后不需要加工最終傳動小行星齒輪的齒，只需要加工齒輪的孔和表面。這個例子顯示了應(yīng)用氣流轉(zhuǎn)向工藝來減少變形的顯著潛力。
8 氣冷淬火動力學(xué)
除了有可能精確調(diào)整淬冷烈度達(dá)到預(yù)期水平和交替轉(zhuǎn)變氣流方向，HPGQ還提供了在淬火過程中改變淬冷烈度的可能。當(dāng)在冷室中采用該工藝時，稱為動態(tài)淬火或級淬火。動態(tài)淬火的目的是減少變形。淬冷烈度的變化通常是時控的。通過降低冷卻速度，可減小熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，從而減少變形。建議在達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度（Ms ) 之前，通過降低氣流速度來減小零件任意部位的淬冷烈度，由此熱梯度及其帶來的零件中的熱應(yīng)力都會相應(yīng)減小。而且溫度差的減小可使工件表面和心部更同步地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而導(dǎo)致相變應(yīng)力的減小。通過減小熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，產(chǎn)生較低的塑性應(yīng)變，由此減少零件變形。
圖20 為動態(tài)淬火過程中的冷卻曲線示意圖。
▲圖29 不同尺寸淬火動力學(xué)示意圖
圖中顯示了當(dāng)氣體流速在某一時刻減小至零時，不同尺寸零件的表面和心部的溫度。對于大試樣，氣體流速為零后其表面溫度會上升，原因是心部的熱量將表面重新加熱了。為了防止這種重新加熱，氣體流速不應(yīng)減小至零，而應(yīng)減小至一個防止再升溫的水平。
馬氏體形成過程中，零件內(nèi)部的均勻的溫度場和較低的冷卻速度，使熱應(yīng)力和相變應(yīng)力均較小。由于這些應(yīng)力的減小，可減少變形和變形散差。
下面以換向齒輪和內(nèi)齒圈為例說明動態(tài)淬火過程。
8.1 換向齒輪
圖21 所示為采用不同的淬火方法后，換向齒輪螺旋角的變化（f hβ )。換向齒輪外徑為179mm,高19mm, 齒數(shù)為67, 由16MnCr5鋼制成。與油淬相比，非動態(tài)HPGQ后S的變化輕微減少；采用動態(tài)HPGQ后，f hβ 的變化顯著減少。
▲圖21 Φ179mm的16MnCr5換向齒輪在不同
熱處理方式后螺旋角變化（f hβmax-f hβmin)
除了測量熱處理后的絕對值外，還需測量熱處理過程中f hβ的變化。這里，熱處理過程中f hβ 的變化是指熱處理前后f hβ 值的差異。與油淬相比，當(dāng)采用動態(tài)HPGQ時，齒輪左側(cè)f hβ 。的變化平均減少了37%, 齒輪右側(cè)則減少了 17% 。
8.2 內(nèi)齒圈
薄壁零件淬火后容易出現(xiàn)圓度方面的變形。圖22 所示為內(nèi)齒圈在熱處理前后的徑向跳動值 。
齒圈直徑為140mm, 高度為28mm, 齒數(shù)為98, 由ASTM-5130M 鋼制造。熱處理前的平均圓度是30μm, 在合金夾具上進(jìn)行熱處理和標(biāo)準(zhǔn)HPCQ后，跳動值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)期要求的150μm 。通過使用碳纖維增強(qiáng)碳（CFC ) 夾具，跳動值顯著減小。當(dāng)同時使CFC 夾具和動態(tài)淬火時，成功地滿足最大跳動值為150μm的要求。因為已證明該工藝是非常穩(wěn)定的，所以齒輪制造商可以完全取消所有的硬車加工。
在另一個由5130M鋼制造的內(nèi)齒圈的應(yīng)用中，熱處理過程中的平均跳動量減少至7μm, 通過采用動態(tài)淬火，最大跳動量減少至41μm 。
總之，采用 HPGQ 和動態(tài)淬火能顯著減少熱處理變形，尤其能顯著減少變形散差。因為硬能夠大幅度減少甚至完全取消硬車加工，所以大大節(jié)約了成本。
9 氣冷淬火夾具
當(dāng)設(shè)計負(fù)載結(jié)構(gòu)時，考慮到經(jīng)濟(jì)原因，須盡可能多地向負(fù)載中添加零件，同時保證處理后的質(zhì)量合格。負(fù)載中零件之間的常用距離是10~20mm, 零件間的最小距離為5mm 。
當(dāng)設(shè)計夾具時，需要特別注意以下幾點(diǎn)：
1) 應(yīng)具有足夠的透氣性以使氣流能流過負(fù)載。
2) 設(shè)備的蓄熱量應(yīng)盡可能低。
3) 采用臥式支座，以減少零件變形。
4) 應(yīng)確保夾具易于操作。
理想情況下，零件和夾具之間應(yīng)為三點(diǎn)式接觸。齒輪在夾具中能以水平放置或垂直懸掛的方式裝夾，軸件則必須垂直懸掛以減少變形。
有兩類夾具材料可用于 HPGQ : 高鎳合金和CFC 材料。高鎳合金如 DIN 1.4818也可用于油淬。CFC 材料是由嵌合了纖維的碳基材料制成的，其中含有體積分?jǐn)?shù)為50%~60%的纖維。CFC是耐熱材料，在采用保護(hù)氣體或真空時，其使用溫度高達(dá)2000℃ 。CFC的強(qiáng)度甚至?xí)S著溫度升高而增加。與室溫相比，1000℃時的熱彎曲強(qiáng)度增加了 15% 。CFC制成的夾具具有輕型化的特點(diǎn)，且在高溫下使用時不會發(fā)生蠕變。與由合金制成的夾具不同， 即使在使用多年后，家具也不會發(fā)生彎曲或破裂。當(dāng)在CFC夾具上處理零件時，保證了夾具中所有零件都能被水平裝夾，這使得在很多應(yīng)用中零件變形有所減少。與鋼材的密度7900kg/m3相比，CFC的密度只有（1400~1650) kg/m3, 這也是CFC夾具比合金夾具更輕并能更快地被加熱的原因。然而，由于CFC的比熱容［1~2kJ/ (kg·K) ] 比鋼材［0. 5kJ/（kg·K) ] 的高，在一定程度上削減了CFC的這一優(yōu)勢。典型的CFC夾具如圖23 所示。
▲圖23 典型的CFC夾具
在含氧的空氣環(huán)境中，最大使用溫度不應(yīng)超過350℃, 因此CFC不能用于空氣滲碳，因為工藝氣體中含氧。CFC的應(yīng)用僅限于真空處理，如低壓滲碳（LPC) 。真空處理通常與 HPGQ 相結(jié)合。
CFC夾具通常比合金夾具昂貴，但是它們的工作壽命更長，在工業(yè)應(yīng)用中已證實了其壽命可達(dá)11年甚至更長。當(dāng)在 CFC 夾具中進(jìn)行熔模鑄造時，其預(yù)計工作壽命通常為5年，而合金設(shè)備的預(yù)計工作壽命通常為1. 5~2年。
10 高壓氣淬（HPGQ) 變形控制
正如所有熱處理工藝一樣，只有當(dāng)熱處理之前的生產(chǎn)工藝鏈，包括熔化、鑄造、切割和軟加工等是最優(yōu)化的且穩(wěn)定的時，才能實現(xiàn)變形少的要求。在熱處理之前，零件中存在的殘余應(yīng)力水平很低是很重要的。當(dāng)使用的坯料有最佳的材料均質(zhì)性和低水平的殘余應(yīng)力時，HPGQ 過程可實現(xiàn)小變形。
由于氣體介質(zhì)沒有相變，與液體淬火介質(zhì)相比，HPGQ在很多應(yīng)用中可減少變形。有許多場合，導(dǎo)致生產(chǎn)問題的并不是變形的絕對大小，而是變形的散差。當(dāng)變形散差程度低時，可在軟加工中進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，所以對于很多場合來說，難點(diǎn)在于通過熱處理過程，使其負(fù)載內(nèi)部和隨著時間推移負(fù)載與負(fù)載之間的變形散差很小，來優(yōu)化HPGQ 。很多應(yīng)用已經(jīng)證明，HPGQ造成的變形散差顯著減少。圖24 所示為 LPC+HPGQ 之后以及氣體滲碳＋油淬之后，斜齒輪徑向跳動的對比。斜齒輪由 ASTM 8625鋼制造，高280mm, 頭部直徑為85mm 。通過采用氣流轉(zhuǎn)向和動態(tài)氣淬工藝可實現(xiàn)變形的進(jìn)一步減小。
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