控時淬火

控時淬火冷卻技術作為一種新型的冷卻控制技術，相對傳統冷卻技術具有許多獨特的優勢和廣闊的套用前景，特別適用於大型工件的淬火處理。

基本介紹

• 中文名：控時淬火
• 外文名：Control the quenching
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 範圍：冷卻控制技術
• 用於：大型工件的淬火處理

簡介

循環控時淬火冷卻技術作為一種新型的冷卻控制技術，相對傳統冷卻技術具有許多獨特的優勢和廣闊的套用前景，特別適用於大型工件的淬火處理。本文從循環控時淬火冷卻技術的原理入手，分析論述了該技術的原理、內容和特點，並對其具體實現過程中實際工藝制定、所需要的生產設備以及控制方式進行了簡要的分析與介紹。

大尺寸合金鋼件的主要熱處理形式是整體調質。對於截面尺寸大、形狀複雜和要求力學性能的合金鋼件，若採用簡單的油淬，往往達不到力學性能要求，而採用水淬，又會出現開裂。目前多採用水淬+油冷或是水溶性介質（P A G）淬火的方法對這類工件進行淬火冷卻處理。但採用這兩種淬火冷卻方法的效果往往並不理想，不但力學性能低，介質使用成本高，同時還存在環境污染和安全隱患。

上海交通大學推出的循環控時淬火冷卻技術（Cyclical Timed Quenching and Processing（CTQP）在解決合金鋼件油淬力學性能低，水淬開裂方面獲得了很好的效果，已經在工程中得到了套用。從循環控時淬火冷卻技術的原理入手，分析論述了這種淬火冷卻控制技術的原理、內容和特點，並對其具體實現過程中實際工藝制定、所需要的生產設備以及控制方式進行了簡要的分析與介紹。

循環控時淬火冷卻技術(CTQP)原理

淬火過程中的理想冷卻曲線可分為3個階段。

（1）自奧氏體化溫度到A 1溫度附近的緩慢冷卻階段：此階段的目的是減少因快速冷卻所產生的熱應力，同時降低淬火工件的整體熱容量。

（2）在T T T曲線的珠光體轉變溫度區的快速冷卻階段：此階段的目的是儘可能的避免過冷奧氏體發生珠光體或上貝氏體轉變。

（3）在馬氏體轉變溫度區域時(M s點附近)以較慢的速度冷卻：此階段緩慢冷卻的目的是減少由於大量馬氏體組織所產生的應力。

水、水溶性介質、油和空氣的冷卻曲線都與這種理想冷卻曲線有較大差異，但若採用合適的雙介質則可以通過控制介質轉換時間獲得與理想冷卻曲線近似的曲線，這也就是循環控時淬火冷卻技術（C T Q P）的基本控制思路。

工件的表層、次表層及心部在採用水+空氣的循環控時淬火冷卻過程中的冷卻曲線。冷卻的第一階段是預冷，即在奧氏體化溫度與A 1溫度之間的溫度區間，採取空氣冷卻的方式進行緩慢冷卻。

其效果是減少了工件的整體熱容量，為增加下一階段（快速冷卻階段）的冷卻速率提供了條件；同時在該區間的緩慢冷卻對次表層和心部的珠光體轉變孕育期影響不大。對有些表面組織和硬度沒有特殊要求的工件，還可以通過這一階段的預冷在表層獲得一定量的珠光體組織，這一過程可以增加工件的淬硬層深度。

淬火冷卻的第二階段是採用快冷（水冷）與緩冷(空冷)循環交替的方式進行。快速冷卻（水冷）時，當工件表層冷卻到M s點附近或以下的某一溫度後，停止快速冷卻，轉為緩冷處理；在採用緩冷(空冷)時，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉變的馬氏體發生自回火，並使表層的塑性、應力狀態得到調整，避免了開裂的發生。不斷重複這樣的快冷與緩冷的交替工藝（時間比例需視實際情況而調整），直到工件某一部位的溫度達到冷卻工藝要求的溫度後停止冷卻。

循環控時淬火冷卻技術的特點

由於C T Q P技術可以通過多個浸液(或噴液)與空冷循環冷卻步驟完成，因而該技術特別適用於大尺寸合金鋼工件的淬火加工套用。具有以下幾個特點：

（1）採用水作為主要淬火介質，代替了水溶性介質（P A G）、油等介質。適用範圍廣（理論上通過調節水空處理時間比，其冷卻能力可以達到介於水和空氣之間的任意值）。冷卻能力強，通過增加簡單的噴射過程，可以顯著提高水冷時的換熱能力；且其處理過程安全，使用成本低，無環境污染。

（2）處理對象主要為合金鋼工件和形狀複雜形態的工件。由於C T Q P技術是由多個循環冷卻步驟組成，因而可以適用於形狀複雜工件的淬火冷卻，可以在不同的淬火冷卻環節有針對的實現工件對應部分的淬火冷卻要求。

（3）淬火冷卻工藝的制定標準是基於綜合考慮工件各個部分的組織分量、應力應變狀態。因而無法簡單的通過試驗和經驗來規劃工件的處理工藝，必須採用數值模擬方法，通過模擬計算結合試驗數據來獲取工藝。工藝制定是循環控時淬火冷卻技術中的核心和難點。

（4）必須採用滿足工藝處理要求的配套設備，通過計算機控制實現淬火冷卻過程。循環控時淬火冷卻工藝的實現需要精確，靈敏的轉換水空冷卻模式和調節水空冷卻時間比，這些都是傳統淬火冷卻設備無法提供的，因而必須採用重新設計的配套設備來完成；同時C T Q P過程的工藝往往相對複雜且控制要求嚴格，因此必須採用專業的計算機控制軟硬體來加以保證。

循環控時淬火冷卻工藝的制定

循環控時淬火冷卻工藝要綜合考慮工件形狀、大小、材質以及淬火要求的組織、力學性能、應力應變狀態。因而必須以數值模擬技術為基礎，結合試驗驗證的方式來實現。以f 220mm的長軸（材料為42CrMo）為例，經一系列循環冷卻工藝後，軸表面、次表面至中心各處溫度的變化過程。

通過數值模擬計算的方法，可以對預設的工藝進行全面的預測和分析。在模擬數據的結果可以達到淬火處理預期要求的前提下，進一步通過少量的試驗驗證，修正工藝參數就可以得到相對有效可行的實際處理工藝內容。

循環控制淬火冷卻設備的設計與實現

傳統的淬火設備無法滿足循環控時淬火冷卻工藝的需要。特別是對於大型複雜工件，如果採用傳統的水槽和吊車吊掛淬火冷卻，既無法適應工件快速、頻繁的水淬空冷轉換，也不能實現冷卻時間的精確控制，因而需要設計專門的設備來滿足工藝對設備的要求。例如大型曲軸，大型模具鋼等工件的淬火處理，上海交通大學開發了具有相應功能的淬火槽設備滿足工藝要求。

這種設計的最大特點是：用快速注水代替了傳統的工件吊裝浸液方式實 .浸液淬火，特別 .合於大尺寸工件的處理，同時設備的可靠性和穩定性也較升降台式的淬火設備大為提高。由於注水系統採用了多點噴射陣列的設計，因此注水系統還可以提供噴水、噴霧等多種冷卻手段，這就使得該淬火槽還可以實施對工件的多種複合處理。

循環控制淬火冷卻的控制

要實現循環控制淬火冷卻工藝，除了設計具有上述的功能淬火槽外，還需要有相應的控制系統來實現。這種控制模式從結構上講需要包含3個層次，自下而上依次為電氣驅動層、P L C控制層和軟體管理層。

（1）電氣驅動層

這一層面主要包括了：電機驅動模組，用於驅動各類電機、風機、泵機；觸發器模組，用於輔助驅動其他非強電機構，如電磁閥等設備；感測器模組，連線設備上的各種感測器元件，收集整個加工中的各類數據參數。

（2）PLC控制層

這個層面的核心就是PLC（可程式序控制器）。它向下控制和協調電氣驅動層的各項運作，向上返回各種數據信息，並接受軟體管理層傳送的管理信息，加以執行。目前普遍採用的P L C（可程式序控制器），控制周期都可達毫秒數量級，其控制能力與精度都遠遠超出了傳統的控制儀表，因而可以為淬火過程提供更為可靠和精密的控制能力。

（3）軟體管理層

這個層面主要是提供人機界面與高級管理功能。前面我們已經論述過，循環控制淬火冷卻的工藝制定需要通過複雜的數值模擬和試驗驗證來完成，在實際的操作過程中，需要通過大量的預先模擬計算和試驗來建立必要的工藝資料庫，以便於為工件的實際工藝生成提供可靠的數據依據，因而工藝資料庫系統是軟體管理層的核心內容。

總結

以上分析了循環控制淬火冷卻的原理和相應的淬火設備，該原理和設備已經在企業得到了成功的套用。希望通過該技術的推廣為企業解決更多用傳統方法無法解決的難題。