[淬火工藝] 壓力淬火和冷模淬火

壓力淬火與冷模淬火工藝詳解在進行傳統(tǒng)的浸淬時，有許多圓形零件、扁平零件或筒形零件的變形難以接受。汽車齒圈就是非常明顯的例子。這種情況下，就需要采用特殊的工藝。然而，需要強調(diào)的是，這些特殊的工藝設(shè)備價格昂貴且生產(chǎn)速度較慢。因此，由此產(chǎn)生的熱處理成本相對較高。這樣，只有在強制要求最小變形時才考慮使用這些工藝。壓力淬火與強烈淬火密切相關(guān)，后者將在本書的其他章節(jié)討論。

壓力淬火

使用最廣泛的特殊工藝可能是壓力淬火。為了實現(xiàn)控制淬火的最大優(yōu)勢并最大限度地減少加熱循環(huán)引起的變形，必須制造壓力淬火模具以提供適當(dāng)?shù)拇慊鹩土髁坎⒈３执慊鹆慵年P(guān)鍵尺寸。在壓力淬火中，模具與熾熱的零件接觸，且淬火壓床的壓力以機械方式與零件匹配，這往往發(fā)生在淬火開始之前，這時，零件是熾熱的、可塑的。然后機器和模具以受控的方式迫使淬火介質(zhì)與零件接觸。

淬火劑的流量和流速由淬火壓床控制，流量的分布由模具控制。淬火的速度取決于淬火介質(zhì)和淬火油的流速。冷卻速度可以通過調(diào)節(jié)淬火油流過模具的速度來控制。

淬火模具的設(shè)計有明確的原則，基礎(chǔ)設(shè)備已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。雖然一些基本類型的模具可用于某些典型形狀的工件淬火，但為了適應(yīng)和顧及到某一特定的零件，還需要額外的模具零件。如果要利用受控淬火的優(yōu)勢，應(yīng)該就特定的模具要求咨詢制造商。

當(dāng)使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和正確設(shè)計的模具對精確且均勻加工的齒輪進行淬火時，淬火后圓柱度和平面度公差為 0.025 至 0.050 毫米（0.001 至 0.002 英寸）是齒圈等零件的常見要求。所有模具設(shè)計中最重要的因素是在熱處理之前將模具接觸面與工件的表面相關(guān)聯(lián)。

淬火壓力機床

這些淬火壓床有一個油槽和帶有閥門及時間控制的淬火液循環(huán)泵系統(tǒng)，因此在淬火循環(huán)的所有階段—流過模具的淬火液體積和流量—都會自動改變?yōu)轭A(yù)設(shè)值，以滿足零件的淬火要求。內(nèi)置的循環(huán)泵系統(tǒng)和油槽將所需的外部淬火介質(zhì)的供應(yīng)減少到大約132升/分鐘（35 加侖/分鐘），也可以提供高達 852升/分鐘（225 加侖/分鐘）或更多的淬火液，這取決于機器的大小。所需的淬火介質(zhì)取決于所需的吸熱和介質(zhì)的溫升。由于模具的通道將所有淬火液引導(dǎo)至靠近工件的位置，因此無需再增加外來的淬火液，而導(dǎo)致浪費和未利用的溢流。

許多淬火壓力機床都配備了淬火液循環(huán)系統(tǒng)，以便在淬火循環(huán)期間可以改變淬火油流量。這種做法只是利用了時間-溫度-轉(zhuǎn)換（TTT）特性。也就是說，淬火油首先以高速率（超過757l/min或200 gal/min）流動，以便使工件盡快冷卻 TTT曲線鼻部以下。當(dāng)?shù)陀?60 ^oC (500^oF)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，延緩流動（低至132 l/min 或 35 gal/min）。如果淬火壓床用于高產(chǎn)量，則在馬氏體轉(zhuǎn)變接近完成時可能會增加淬火油流量，以更快地完成循環(huán)并使淬火壓床用于下一個零件。

淬火壓床的類型

基于“快速釋放”或脈沖原理的壓力淬火機床可用于手動或全自動裝置。在這種壓力淬火機床中，工件以通常的方式放置在下模上。“脈沖”是由施加到零件上的上模壓力間歇釋放產(chǎn)生，它通過消除模具的接觸摩擦使零件在正常熱收縮期間“呼吸”。這部分的時間大約需要20 秒，在此期間，脈沖以大約每2秒一次的頻率發(fā)生。在脈沖期間保持最大淬火油流量。在手動機器中，淬火油流量減少并最終增加以加速操作，如上所述。

設(shè)計用于相對高產(chǎn)量的自動壓床（圖 10.2.6），也是利用脈沖原理。在這個特定的工藝中，將熾熱的齒輪放置在機器前面（位置1）的擴展下模上。然后，下模和工件移動到淬火室的中心（位置2）。上部機構(gòu)（包括壓環(huán)和擴展錐）向下移動接觸工件和下模擴展機構(gòu)，然后關(guān)閉淬火室門。接著淬火油的脈動和流動（約757升/分鐘，或 200 加侖/分鐘）持續(xù)大約 20 秒。按照這個預(yù)定的時間間隔，脈沖停止，上模上升。輔助淬火室的門打開，讓它充滿油。然后卸料器的鉗口將工件從下模轉(zhuǎn)移到輔助淬火室（位置 3）進一步冷卻。然后淬火室門關(guān)閉，密封輔助淬火室。

壓力淬火與冷模淬火工藝詳解圖10.2.6 使用脈沖原理的四位自動齒輪壓力淬火機床剖視圖。

初始淬火室中的淬火油立即排出，下模移動到裝載位置，為下一個工件做好準(zhǔn)備。當(dāng)下一個工件正在淬火時，輔助淬火室中的零件仍處于淬火油液面以下，被排放到輸送帶（位置4），并從淬火油中輸送出來時進一步冷卻。通過這種方法已經(jīng)以每分鐘兩個的速度完成了環(huán)形齒輪的淬火，當(dāng)檢查替代方案（通常是更多的精加工余量和/或某種形式的矯直）時，這可能被認為是非常好的。然而，與正常的從爐中淬火相比，這種操作被認為是緩慢乏味，且價格昂貴。

冷、干模淬火

常用的淬火介質(zhì)通常是液體或氣體，薄的扁平圓盤或設(shè)計復(fù)雜的工件，在傳統(tǒng)介質(zhì)中淬火會產(chǎn)生不可接受的變形。

解決此類問題的一種方法是利用各種形式的冷的、扁平的或異形模具，這取決于被淬火零件的形狀。如果只涉及到幾個零件，模具不需要特殊冷卻，只要在另一個零件淬火之前允許它們冷卻即可。模具通常用于靠近奧氏體化操作的某種類型的淬火壓床。

作為干模淬火的一個實例，由 AISI 1095 鋼制成的直徑相對較大、3.2 毫米（1/8 英寸）厚的圓盤在788^oC（1450 ^oF）下進行奧氏體化，一次一個依次從爐子中取出，然后迅速落入由銅制成的下模（用于高導(dǎo)熱性）并通過水管冷卻。當(dāng)工件落到下模上時，啟動淬火壓床，上模（也由銅制成，水冷）牢固地落到工件上并保持它，同時它冷卻得非常快，模擬水淬的速度。圓盤被硬化而不產(chǎn)生變形，但操作緩慢且單調(diào)乏味。

幾乎任何形式的干式模具淬火都是緩慢且昂貴的，不應(yīng)考慮用于常規(guī)應(yīng)用。然而，有一些特殊的應(yīng)用，成本是合理的。灰鑄鐵由于含有大量的集結(jié)石墨而成為優(yōu)良的散熱片，是干式模具淬火夾具的優(yōu)良材料。