低淬透性钢表面的淬火冷却

　　0 前言

　　实际生产中，强化低淬透性钢时通常采用两种方法进行淬火冷却:

　　*喷水淬火，也即所谓喷射淬火;

　　*用高速流动水冲刷被冷却表面[1]。

　　如果冷却烈度不够，如无序和不均匀设置喷孔及喷头与被淬火表面的距离不当时，就会在工件表面形成所谓的托氏体“软”点。图1(a)为经体积-表面淬火的明斯克汽车厂汽车后桥60ПП钢圆柱齿轮; 图1(b)为在德国《WEISSER》车削加工中心加工后的圆柱内表面上的软点形貌。

　　研究表明，这些区域除硬度较低之外，工件的几何形状也会发生变化，甚至导致工件报废。图2为在经整体-表面淬火的60ПП钢工件的屈氏体点与淬火表面之间的过度处，加工后的表面几何形状与所达到的硬度之间的关系。

　　1 喷水淬火

　　喷水器上有许多规则排列的孔洞，冷却液在压力下通过这些孔洞喷射到被淬火工件上。图3为工件喷冷淬火的一般示意图。为了确保低淬透性钢工件1表面得到均匀而强烈的冷却，正确选择喷头的各项参数，如孔距t、喷射器壁厚h和喷头与工件淬火面之间的距离是十分重要的。

　　如果从流体动力学的角度来研究液体通过单个喷孔的流动，则应将这种情况视为在冷却系统工作泵的恒定压力下通过带锐边的圆柱孔流向固定障碍物(被淬火表面)。此时，只能将最初2%～4%的冷却时间当作未被水流淹没的时间(在喷头壁与被淬火工件表面间的空隙被液体充满的时间)，而其余96%～98%的冷却时间才被液流充满。这种单一液流的一个重要的评定指标是其覆盖淬火面的面积。在这种情况下，该面积将随冷却方式和喷头至淬火面的距离而变化。如果单个喷孔是带锐边的圆柱形，则在《未充满液流》工作方式下液流也呈圆柱状，而在《充满液流》工作方式下其形状则呈圆锥状[2]，在距喷头外表面L处的液流的直径d1可按下式确定(图3):

　　喷头棋盘式排列的液流在互相接触前所能覆盖的最大面积是淬火面积的78.5%而与喷孔间距t无关(图4)。

　　设喷孔间距为t，则4 个喷孔组合的单元的面积为t2。单孔液流在与相邻液流接触前的最大直径也等于t，则覆盖(淹没)四孔单元的面积等于πt2/4。覆盖面积与单元面积的比值等于:

　　从所绘示意图5可计算出采用两种冷却方式时，从喷孔内径到相邻液流接触处的理论距离(被冷却表面的最大覆盖面积) 。

　　此时内圆的周长为:

　　而α角为:

　　如果通过单个喷孔中心向喷头内径划一条直线，则可得到一个等腰三角形，其精度很高的高度H就是所求的数值，而尺寸Δ则可以忽略。因为当孔距为5～6mm时弧与弦的差非常小。