1 概述
氣體淬火過(guò)程通常在高壓下實(shí)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(shí)，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(duì)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(méi)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(lái)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(lái)越受歡迎，且在很多應(yīng)用中取代了液體淬火。對(duì)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(guò)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(jì)，氣淬熱處理也建立起了針對(duì)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(guò)去的幾年里，LPC技術(shù)與HPGQ相結(jié)合已成為乘用車手動(dòng)和自動(dòng)變速器中齒輪組件處理的優(yōu)先選擇。
在HPGQ 過(guò)程開始時(shí)，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(shí)間。隨后，氣流循環(huán)通過(guò)負(fù)載并從工件中帶走熱量，同時(shí)氣體吸收的熱量被釋放到一個(gè)集成式熱交換器中。帶走的總熱量可用熱流密度（q) 來(lái)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(gè)重要工藝參數(shù)。
在HPGQ 工藝過(guò)程中，傳熱系數(shù)幾乎保持恒定。當(dāng)對(duì)氣淬和液淬（油、水、聚合物溶液）的傳熱機(jī)制進(jìn)行比較時(shí)，可以看出一個(gè)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(duì)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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(duì)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(zhǎng)期使用時(shí)，由于淬火冷卻介質(zhì)的污染，傳熱系數(shù)會(huì)變差。但是采用 HPGQ不會(huì)出現(xiàn)這種情況，而且隨著時(shí)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(gè)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(tái)集成的高性能風(fēng)機(jī)用于循環(huán)氣體，使氣體通過(guò)適當(dāng)?shù)臍怏w引導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)熱工件。為氣體風(fēng)機(jī)配置的電動(dòng)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(lái)選擇。典型的風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率在80~250kW 范圍，有時(shí)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(gè)室內(nèi)進(jìn)行，因此室的設(shè)計(jì)是兩種功能之間的優(yōu)化折中。氣體被一個(gè)風(fēng)機(jī)加速，并被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)負(fù)載和熱交換器。通過(guò)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(jì)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(jì)實(shí)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(tái)風(fēng)機(jī)來(lái)加速氣體通過(guò)負(fù)載和分別位于負(fù)載上方和下方的兩個(gè)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(jì)冷室時(shí)，氣體流量的設(shè)計(jì)不會(huì)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(gè)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(guò)。冷室的一個(gè)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(huì)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(duì)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(guò)在不同位置的淬火零件處放置熱電偶來(lái)測(cè)定的。建議在裝爐零件的極限位置處測(cè)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(cè)量冷卻曲線時(shí)，必須使用能在整個(gè)過(guò)程中跟隨料筐（或料盤）移動(dòng)的移動(dòng)電子數(shù)據(jù)記錄裝置。這種裝置的缺點(diǎn)是對(duì)測(cè)量的冷卻曲線有影響，因?yàn)槠涑叽缦鄬?duì)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)狻⒑夂蜌鍤狻?/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(jì)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(chǎng)合，因?yàn)楹獗鹊獨(dú)飧p，安裝一個(gè)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(duì)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(jì)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(shí)）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(méi)有在實(shí)實(shí)踐中得到應(yīng)用，因?yàn)樘峁┖途S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(huì)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(huì)導(dǎo)致淬火過(guò)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(guò)噴丸加工完全除去。關(guān)于工件表面硬化和耐磨性的問(wèn)題尚未有報(bào)道。如果淬火后氧化層可通過(guò)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(jì)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(gè)重要工藝參數(shù)。為了確定某個(gè)淬火室的設(shè)計(jì)氣體流速，可用熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)量局部的速度分布情況。該測(cè)量是在淬火室空載的裝料平臺(tái)上進(jìn)行的。隨后將此次測(cè)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(duì)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(duì)傳熱系數(shù)有相同的影響。
分析冷卻曲線時(shí)，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(shí)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(shí)，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(chǎng)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(guò)幾個(gè)步驟的淬火。該工藝被稱為分級(jí)淬火。用于避免淬火過(guò)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(shí)，在過(guò)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(lái)氣體流速也有所增加。現(xiàn)在，當(dāng)使用氮?dú)鈺r(shí)，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(shí)，由于它的密度低，其氣體流速可顯著提高而不需增加電動(dòng)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(cè)定了HPGQ在冷室中獲得的淬冷烈度。例如，在HPGQ冷室中用試驗(yàn)方法測(cè)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(gè)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(guò)從冷卻曲線上讀取的信息來(lái)確定，即從800℃冷卻到500℃所需的時(shí)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(cè)形狀復(fù)雜工件的冷卻曲線時(shí)，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(yàn)測(cè)定的傳熱系數(shù)，通過(guò)測(cè)量Q型探頭表面和心部的冷卻曲線來(lái)獲得這些數(shù)據(jù)。表3 中還列出了由式（2 ) 算得的 α 值。可見，計(jì)算的與測(cè)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(cè)試中的淬火室類型。如果式（2 ) 計(jì)算不同類型淬火室的 α 值，則須采用不同的C值。
▼表3 計(jì)算與測(cè)量的冷室中的傳熱系數(shù)
①有由（2）計(jì)算得到C=0.10535；計(jì)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(guò)試驗(yàn)方法（即測(cè)量HPGQ過(guò)程中的冷卻曲線）來(lái)確定。這是傳統(tǒng)的用來(lái)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(yàn)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(yàn)工作。另一種可能的方法是通過(guò)計(jì)算機(jī)流體力學(xué)模擬計(jì)算 α 值，采用此方法時(shí)，必須通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)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(gè)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(jì)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(cè)值對(duì)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(dòng)零件熱處理的例子闡述了在工業(yè)實(shí)踐中是如何預(yù)測(cè)心部硬度值的。當(dāng)為齒輪或齒輪軸設(shè)計(jì) HPGQ 工藝時(shí)，必須預(yù)測(cè)使用不同鋼種作為零件材料時(shí)，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(wèn)題可通過(guò)預(yù)測(cè)基于鋼材的末端淬火的淬透性曲線的方法來(lái)解答。
末端淬火淬透性曲線是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，如DIN EN ISO 642中所述，使用Φ25mm×100mm的圓柱形試樣作為測(cè)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(duì)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(cè)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(yàn)方法外，也可以根據(jù)鋼種的化學(xué)成分來(lái)計(jì)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?yàn)槟┒舜慊饻y(cè)試是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的淬火測(cè)試。當(dāng)對(duì)一個(gè)試樣進(jìn)行淬火時(shí)，其內(nèi)部的每個(gè)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(lái)描述。
采用預(yù)測(cè)的方法時(shí)，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(cè)定的末端淬火值僅適用于特定淬火場(chǎng)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(cè)方法的基本步驟如圖12 所示。目的是對(duì)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(cè)使用不同鋼種時(shí)的齒根心部所能達(dá)到的硬度。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的預(yù)測(cè)，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(duì)應(yīng)于高冷卻速度，高末端淬火值則對(duì)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(cè)選擇不同鋼種時(shí)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(shí)，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(jí)鋼的淬透性曲線。從而可預(yù)測(cè)使用這些鋼種時(shí)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(shí)，測(cè)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(jí)鋼的淬透性曲線。
圖15 對(duì)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(gè)特定的合金元素含量范圍。因此，每種材料都有一個(gè)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(gè)新應(yīng)用選擇鋼種時(shí)，必須考慮淬透性分布帶。
7 淬火時(shí)的氣流換向
高壓氣淬的氣流方向通常為從頂部穿過(guò)負(fù)載到底部。但這種單向淬火會(huì)導(dǎo)致硬化結(jié)果的波動(dòng)，這種波動(dòng)是由淬火氣體的溫度升高和空氣動(dòng)力學(xué)流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)不同）。現(xiàn)在的氣淬室為淬火過(guò)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(dòng)是從頂部到底部和從底部到頂部來(lái)回交替。通過(guò)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(dòng)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(shí)間來(lái)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(shí)，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(lái)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(dòng)變速器中的最終傳動(dòng)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(gè)。一次裝爐量為9層共1056個(gè)零件。
▲圖18 最終傳動(dòng)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：?jiǎn)蜗蚝娃D(zhuǎn)向氣流的比較，最終傳動(dòng)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(shí)，氣體僅從頂部穿過(guò)負(fù)載流向底部。有了轉(zhuǎn)向氣流，氣體流動(dòng)能夠在從頂部到底部和從底部到頂部之間來(lái)回交替，如圖16 所示。在圖19 中，使用單向氣流時(shí)，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(duì)于來(lái)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(dòng)小行星齒輪的齒，只需要加工齒輪的孔和表面。這個(gè)例子顯示了應(yīng)用氣流轉(zhuǎn)向工藝來(lái)減少變形的顯著潛力。
8 氣冷淬火動(dòng)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(guò)程中改變淬冷烈度的可能。當(dāng)在冷室中采用該工藝時(shí)，稱為動(dòng)態(tài)淬火或級(jí)淬火。動(dòng)態(tài)淬火的目的是減少變形。淬冷烈度的變化通常是時(shí)控的。通過(guò)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(guò)降低氣流速度來(lái)減小零件任意部位的淬冷烈度，由此熱梯度及其帶來(lái)的零件中的熱應(yīng)力都會(huì)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(guò)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(dòng)態(tài)淬火過(guò)程中的冷卻曲線示意圖。
▲圖29 不同尺寸淬火動(dòng)力學(xué)示意圖
圖中顯示了當(dāng)氣體流速在某一時(shí)刻減小至零時(shí)，不同尺寸零件的表面和心部的溫度。對(duì)于大試樣，氣體流速為零后其表面溫度會(huì)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(gè)防止再升溫的水平。
馬氏體形成過(guò)程中，零件內(nèi)部的均勻的溫度場(chǎng)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(shuō)明動(dòng)態(tài)淬火過(guò)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(dòng)態(tài)HPGQ后S的變化輕微減少；采用動(dòng)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(cè)量熱處理后的絕對(duì)值外，還需測(cè)量熱處理過(guò)程中f hβ的變化。這里，熱處理過(guò)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(dòng)態(tài)HPGQ時(shí)，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(dòng)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(dòng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)期要求的150μm 。通過(guò)使用碳纖維增強(qiáng)碳（CFC ) 夾具，跳動(dòng)值顯著減小。當(dāng)同時(shí)使CFC 夾具和動(dòng)態(tài)淬火時(shí)，成功地滿足最大跳動(dòng)值為150μm的要求。因?yàn)橐炎C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(gè)由5130M鋼制造的內(nèi)齒圈的應(yīng)用中，熱處理過(guò)程中的平均跳動(dòng)量減少至7μm, 通過(guò)采用動(dòng)態(tài)淬火，最大跳動(dòng)量減少至41μm 。
總之，采用 HPGQ 和動(dòng)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?yàn)橛材軌虼蠓葴p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(jì)負(fù)載結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)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(jì)夾具時(shí)，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(guò)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(shí)，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(shí)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(shí)不會(huì)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(huì)發(fā)生彎曲或破裂。當(dāng)在CFC夾具上處理零件時(shí)，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(shì)。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(guò)350℃, 因此CFC不能用于空氣滲碳，因?yàn)楣に嚉怏w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(zhǎng)，在工業(yè)應(yīng)用中已證實(shí)了其壽命可達(dá)11年甚至更長(zhǎng)。當(dāng)在 CFC 夾具中進(jìn)行熔模鑄造時(shí)，其預(yù)計(jì)工作壽命通常為5年，而合金設(shè)備的預(yù)計(jì)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(shí)，才能實(shí)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(shí)，HPGQ 過(guò)程可實(shí)現(xiàn)小變形。
由于氣體介質(zhì)沒(méi)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(chǎng)合，導(dǎo)致生產(chǎn)問(wèn)題的并不是變形的絕對(duì)大小，而是變形的散差。當(dāng)變形散差程度低時(shí)，可在軟加工中進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，所以對(duì)于很多場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，難點(diǎn)在于通過(guò)熱處理過(guò)程，使其負(fù)載內(nèi)部和隨著時(shí)間推移負(fù)載與負(fù)載之間的變形散差很小，來(lái)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(dòng)的對(duì)比。斜齒輪由 ASTM 8625鋼制造，高280mm, 頭部直徑為85mm 。通過(guò)采用氣流轉(zhuǎn)向和動(dòng)態(tài)氣淬工藝可實(shí)現(xiàn)變形的進(jìn)一步減小。
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