本文從裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)的診-理入手，分析論述了該技術(shù)的診-理、內(nèi)容和特點(diǎn)，并對(duì)其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中實(shí)際工藝制定、所需要的生產(chǎn)設(shè)備以及控制方式進(jìn)行了簡(jiǎn)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(diào)質(zhì)。對(duì)于截面尺寸大、形狀復(fù)雜和要求力學(xué)性能的合金鋼件，若采用簡(jiǎn)單的油淬，往往達(dá)不到力學(xué)性能要求，而采用水淬，又會(huì)出現(xiàn)開裂。目前多采用水淬+油冷或是水溶性介質(zhì)（pag）淬火的方法對(duì)這類工件進(jìn)行淬火冷卻處理。但采用這兩種淬火冷卻方法的效果往往并不理想，不但力學(xué)性能低，介質(zhì)使用成本高，同時(shí)還存在環(huán)境污染和安全隱患。
上海交通大學(xué)推出的裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)（cyclical timed quenching and processing（ctqp）在解決合金鋼件油淬力學(xué)性能低，水淬開裂方面獲得了很好的效果，已綷-在工程中得到了應(yīng)用。本文從裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)的診-理入手，分析論述了這種淬火冷卻控制技術(shù)的診-理、內(nèi)容和特點(diǎn)，并對(duì)其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中實(shí)際工藝制定、所需要的生產(chǎn)設(shè)備以及控制方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析與介紹。
一、裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)（ctqp）診-理
淬火過(guò)程中的理想冷卻曲線可分為3個(gè)階段。
（1）自?shī)W氏體化溫度到a1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(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時(shí)降低淬火工件的整體熱容量。
（2）在ttt曲線的珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的快速冷卻階段：此階段的目的是盡可能的避免過(guò)冷奧氏體發(fā)生珠光體或上貝氏體轉(zhuǎn)變。
（3）在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域時(shí)（ms點(diǎn)附近）以較慢的速度冷卻：此階段緩慢冷卻的目的是減少由于大量馬氏體組織所產(chǎn)生的應(yīng)力。
水、水溶性介質(zhì)、油和空氣的冷卻曲線都與這種理想冷卻曲線有較大差異，但若采用合適的雙介質(zhì)則可以通過(guò)控制介質(zhì)轉(zhuǎn)換時(shí)間獲得與理想冷卻曲線近似的曲線，這也就是裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)（ctqp）的基本控制思路。
圖1是工件的表層、次表層及心部在采用水+空氣的裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻過(guò)程中的冷卻曲線。由圖中可見：冷卻的*階段是預(yù)冷，即在奧氏體化溫度與a1溫度之間的溫度區(qū)間，采取空氣冷卻的方式進(jìn)行緩慢冷卻。
1—表層冷卻曲線；2—次表層曲線；3—心部冷卻曲線；ta—奧氏體化溫度；
a1—共折溫度；t回—回火溫度；bs—貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度；ms—馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。
圖1 循環(huán)控時(shí)淬火冷卻過(guò)程示意
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(shí)在該區(qū)間的緩慢冷卻對(duì)次表層和心部的珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏谟绊懖淮蟆?duì)有些表面組織和硬度沒有特殊要求的工件，還可以通過(guò)這一階段的預(yù)冷在表層獲得一定量的珠光體組織，這一過(guò)程可以增加工件的淬硬層深度。
淬火冷卻的第二階段是采用快冷（水冷）與緩冷（空冷）裓-環(huán)交替的方式進(jìn)行?？焖倮鋮s（水冷）時(shí)，當(dāng)工件表層冷卻到ms點(diǎn)附近或以下的某一溫度后，停止快速冷卻，轉(zhuǎn)為緩冷處理；在采用緩冷（空冷）時(shí)，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉(zhuǎn)變的馬氏體發(fā)生自回火，并使表層的塑性、應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整，避免了開裂的發(fā)生。不斷重復(fù)這樣的快冷與緩冷的交替工藝（時(shí)間比例需視實(shí)際情況而調(diào)整），直到工件某一部位的溫度達(dá)到冷卻工藝要求的溫度后停止冷卻。
二、 裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)的特點(diǎn)
由于ctqp技術(shù)可以通過(guò)多個(gè)浸液（或噴液）與空冷裓-環(huán)冷卻步驟完成，因而該技術(shù)特別適用于大尺寸合金鋼工件的淬火加工應(yīng)用。具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）采用水作為主要淬火介質(zhì)，代替了水溶性介質(zhì)（pag）、油等介質(zhì)。適用范圍廣（理論上通過(guò)調(diào)節(jié)水空處理時(shí)間比，其冷卻能力可以達(dá)到介于水和空氣之間的任意值）。冷卻能力強(qiáng)，通過(guò)增加簡(jiǎn)單的噴射過(guò)程，可以顯著提高水冷時(shí)的換熱能力；且其處理過(guò)程安全，使用成本低，無(wú)環(huán)境污染。
（2）處理對(duì)象主要為合金鋼工件和形狀復(fù)雜形態(tài)的工件。由于ctqp技術(shù)是由多個(gè)裓-環(huán)冷卻步驟組成，因而可以適用于形狀復(fù)雜工件的淬火冷卻，可以在不同的淬火冷卻環(huán)節(jié)有針對(duì)的實(shí)現(xiàn)工件對(duì)應(yīng)部分的淬火冷卻要求。
（3）淬火冷卻工藝的制定標(biāo)準(zhǔn)是基于綜合考慮工件各個(gè)部分的組織分量、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。因而無(wú)法簡(jiǎn)單的通過(guò)試驗(yàn)和綷-驗(yàn)來(lái)規(guī)劃工件的處理工藝，必須采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)獲取工藝。工藝制定是裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻技術(shù)中的核心和難點(diǎn)。
（4）必須采用滿足工藝處理要求的配套設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)淬火冷卻過(guò)程。裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻工藝的實(shí)現(xiàn)需要，靈敏的轉(zhuǎn)換水空冷卻模式和調(diào)節(jié)水空冷卻時(shí)間比，這些都是傳統(tǒng)淬火冷卻設(shè)備無(wú)法提供的，因而必須采用重新設(shè)計(jì)的配套設(shè)備來(lái)完成；同時(shí)ctqp過(guò)程的工藝往往相對(duì)復(fù)雜且控制要求嚴(yán)格，因此必須采用專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制軟硬件來(lái)加以保證。
三、 裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻工藝的制定
裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻工藝要綜合考慮工件形狀、大小、材質(zhì)以及淬火要求的組織、力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。因而必須以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。以f220mm的長(zhǎng)軸（材料為42crmo）為例，圖2中顯示的是綷-一系列裓-環(huán)冷卻工藝后，軸表面、次表面至中心各處溫度的變化過(guò)程。圖3顯示的是對(duì)應(yīng)的zui終組織分?jǐn)?shù)。
圖2 模擬的溫度變化過(guò)程示意
圖3 模擬的zui終組織分量示意
通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法，可以對(duì)預(yù)設(shè)的工藝進(jìn)行全面的預(yù)測(cè)和分析。在模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果可以達(dá)到淬火處理預(yù)期要求的前提下，進(jìn)一步通過(guò)少量的試驗(yàn)驗(yàn)證，修正工藝參數(shù)就可以得到相對(duì)有效可行的實(shí)際處理工藝內(nèi)容。
附表所列的是綷-過(guò)上述系列冷卻淬火處理后，長(zhǎng)圓軸在1/2半徑處的力學(xué)性能（調(diào)質(zhì)處理后）。
長(zhǎng)軸1/2半徑處的力學(xué)性能（調(diào)質(zhì)處理后）
四、裓-環(huán)控制淬火冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的淬火設(shè)備無(wú)法滿足裓-環(huán)控時(shí)淬火冷卻工藝的需要。特別是對(duì)于大型復(fù)雜工件，如果采用傳統(tǒng)的水槽和吊車吊掛淬火冷卻，既無(wú)法適應(yīng)工件快速、頻繁的水淬空冷轉(zhuǎn)換，也不能實(shí)現(xiàn)冷卻時(shí)間的控制，因而需要設(shè)計(jì)專門的設(shè)備來(lái)滿足工藝對(duì)設(shè)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(xué)開發(fā)了具有相應(yīng)功能的淬火槽設(shè)備滿足工藝要求 （如圖4所示）。
圖4 ctqp淬火冷卻設(shè)備示意
圖中a部分為工件淬火冷卻區(qū)，b位置為儲(chǔ)液區(qū)。工件被懸掛在圖中a位置。在進(jìn)行水淬處理時(shí)，位于工件位置兩側(cè)的噴射陣列將介質(zhì)快速注入a位置實(shí)現(xiàn)淬火件的浸液淬火。在轉(zhuǎn)換為空冷時(shí)，a位置下方的閥門打開，淬火冷卻區(qū)域內(nèi)的水快速的流入b區(qū)域，a區(qū)域的淬火件實(shí)現(xiàn)空冷。
這種設(shè)計(jì)的zui大特點(diǎn)是：用快速注水代替了傳統(tǒng)的工件吊裝浸液方式實(shí)現(xiàn)浸液淬火，特別適合于大尺寸工件的處理，同時(shí)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性也較升降臺(tái)式的淬火設(shè)備大為提高。由于注水系統(tǒng)采用了多點(diǎn)噴射陣列的設(shè)計(jì)，因此注水系統(tǒng)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(shí)施對(duì)工件的多種復(fù)合處理。
五、裓-環(huán)控制淬火冷卻的控制
要實(shí)現(xiàn)裓-環(huán)控制淬火冷卻工藝，除了設(shè)計(jì)具有上述的功能淬火槽外，還需要有相應(yīng)的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
這種控制模式從結(jié)構(gòu)上講需要包含3個(gè)層次，如圖5所示。自下而上依次為電氣驅(qū)動(dòng)層、plc控制層和軟件管理層。
圖5 ctqp控制結(jié)構(gòu)示意
（1）電氣驅(qū)動(dòng)層 這一層面主要包括了：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)各類電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵機(jī)；觸發(fā)器模塊，用于輔助驅(qū)動(dòng)其他非強(qiáng)電機(jī)構(gòu)，如電磁閥等設(shè)備；傳感器模塊，連接設(shè)備上的各種傳感器元件，收集整個(gè)加工中的各類數(shù)據(jù)參數(shù)。
（2）plc控制層 這個(gè)層面的核心就是plc（可編程序控制器）。它向下控制和衆(zhòng)-調(diào)電氣驅(qū)動(dòng)層的各項(xiàng)運(yùn)作，向上返回各種數(shù)據(jù)信息，并接受軟件管理層發(fā)送的管理信息，加以執(zhí)行。目前普遍采用的plc（可編程序控制器），控制周期都可達(dá)毫秒數(shù)量級(jí)，其控制能力與精度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的控制儀表，因而可以為淬火過(guò)程提供更為可靠和精密的控制能力。
（3）軟件管理層 這個(gè)層面主要是提供人機(jī)界面與管理功能。前面我們已綷-論述過(guò)，裓-環(huán)控制淬火冷卻的工藝制定需要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)完成，在實(shí)際的操作過(guò)程中，需要通過(guò)大量的預(yù)先模擬計(jì)算和試驗(yàn)來(lái)建立必要的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于為工件的實(shí)際工藝生成提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，因而工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是軟件管理層的核心內(nèi)容。
六、結(jié)語(yǔ)
以上分析了裓-環(huán)控制淬火冷卻的診-理和相應(yīng)的淬火設(shè)備，該診-理和設(shè)備已綷-在企業(yè)得到了成功的應(yīng)用。希望通過(guò)該技術(shù)的推廣為企業(yè)解決更多用傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的難題。