減小金屬熱處理形變的試驗研究

周原

（云南大學(xué)，昆明600691）

1 前言

金屬熱處理是將金屬工件在適當(dāng)?shù)臏囟认峦ㄟ^加熱、保溫和冷卻等過程，使金屬工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改善材料力學(xué)、物理、化學(xué)性能的工藝。熱處理是改善金屬工件性能的一種重要手段[1]。在工件制造中選取合適的材料后，為了達(dá)到工藝要求而經(jīng)常采用熱處理工藝。

但是熱處理除了具有積極作用外，在處理過程中也不可避免地會產(chǎn)生形變，而這在機(jī)械加工中又是需要極力避免的。為了解決這一矛盾，必須將變形量控制在盡可能小的范圍內(nèi)[2]。

2 影響熱處理形變因素探討及其減少變形的試驗研究

影響工件形變的因素有很多，比如工件尺寸、加熱速率、保溫時間、冷卻、溫度均勻性等，其中溫度又是最重要的因素之一。

2.1 熱處理溫度

在熱處理工藝中，對工件熱加工溫度的設(shè)定是重中之重，而僅僅設(shè)定準(zhǔn)確還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在熱處理過程中，爐內(nèi)的溫度測量是熱處理工藝的重要參數(shù)測量。要是測量不準(zhǔn)確，熱處理質(zhì)量就無法得到保證，而且溫度與熱處理后的工件性能密切相關(guān)。

為了驗證熱處理溫度對變形量的影響，采用直徑為5mm、長為100mm的45#鋼試樣進(jìn)行試驗，熱處理爐為100 kW的鹽浴爐。試驗數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，在溫度超過AC3線后，工件的硬度并不隨溫度的上升有明顯提高，但是由于溫度升高導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加大，加大了變形量，由此可見：

（1）降低工藝溫度后，工件的高溫強(qiáng)度損失較小，塑性抗力增強(qiáng)，這樣工件的抗應(yīng)力形變、抗淬火形變、抗高溫蠕變的綜合能力增強(qiáng)，從而減小了形變。

（2）工藝溫度降低后，工件加熱、冷卻的溫度區(qū)間減少，由此引起的各個部位的溫度不一致性也會降低，從而導(dǎo)致的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力也相對減少，這樣變形也會減少

（3）如果工藝溫度降低且熱處理工藝時間縮短，則工件高溫蠕變時間減少，變形也會減少。

2.2 工件的冷卻

在工件熱處理中影響形變的第二大因素就是冷卻，在熱處理過程中冷卻速度越快、冷卻越不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，工件的變形也就越大。所以在冷卻過程中冷卻介質(zhì)的選擇就至關(guān)重要。為了驗證冷卻介質(zhì)對工件變形量的影響，采用直徑為5 mm、長100mm的45#鋼和40Cr分別進(jìn)行試驗，熱處理爐為100 kW的鹽浴爐，水溶性介質(zhì)采用好富頓PAG-777水溶性淬火介質(zhì)，以5%的比例與水混合，試驗數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出當(dāng)采用水溶性介質(zhì)時工件在硬度、變形量方面取得了較好的平衡，由此可見應(yīng)盡量采用水溶性介質(zhì)，必要時可以采用等溫淬火的方法讓內(nèi)應(yīng)力逐步釋放出來將形變減小到最低。而且在冷卻時需要使冷卻介質(zhì)以適當(dāng)?shù)牧魉倬鶆虻亓鬟^所有工件，使每一個工件的各個部位都均勻地冷卻，從而減少因溫度差而引起的熱應(yīng)力。

2.3 爐內(nèi)溫度均勻性

爐內(nèi)溫度均勻性是造成熱處理形變的因素之一，如果在工件的不同部位產(chǎn)生溫差，那末有溫差就有熱應(yīng)力，就會導(dǎo)致變形。為了驗證加熱不均勻性對工件的影響，用直徑為5mm、長100mm的45#鋼棒做對比試驗，分別將3根長約50mm的試樣浸入鹽浴中，上半部裸露于空氣中，模擬加熱不均勻的狀況，試驗數(shù)據(jù)見表3。

由表3可見，隨著爐內(nèi)溫度的升高，試樣的溫度均勻性下降，由此帶來變形量增大。所以提高爐溫均勻性，尤其是保證工件加熱階段的溫度均勻性，將有助于減小變形；放置在不同部位的零件應(yīng)以相同的速度升溫，并同時達(dá)到滲碳溫度也是控制變形的關(guān)鍵，這樣就可以有效地減小變形散差。在加熱前先進(jìn)行預(yù)熱，也可減少因升溫過快而造成的溫度分布不均勻，并且可以避免因加熱過快而造成的開裂。

2.4 對工件進(jìn)行預(yù)處理

正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏體組織都會使內(nèi)孔變形增大，所以要用控溫正火或等溫退火來處理鍛件。金屬的正火、退火以及調(diào)質(zhì)處理都會對工件的最終變形量產(chǎn)生影響，對工件進(jìn)行預(yù)處理能有效地改善組織的均勻性。當(dāng)前，鍛坯等溫正火已在國內(nèi)熱處理行業(yè)得到了推廣和應(yīng)用。與普通空冷正火相比，等溫正火能獲得更加優(yōu)良和均勻的預(yù)備組織。

2.5 采用合理的裝夾方式和夾具

采用夾具和合理的裝夾方式可以明顯改善工件加熱的均勻性，減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的不均勻，從而減少了形變。

3 結(jié)束語

通過一定的分析和試驗研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）溫度對熱處理形變有著很大的影響，在熱處理過程中，在保證熱處理工件強(qiáng)度的前提下應(yīng)采用盡可能低的熱處理溫度。

（2）冷卻產(chǎn)生的工件內(nèi)應(yīng)力過大會造成工件形變，在保證工件質(zhì)量的同時應(yīng)盡可能采用先進(jìn)的水溶性介質(zhì)，必要時進(jìn)行分級冷卻。

（3）保證爐溫的均勻性將有助于減少變形。

（4）對工件進(jìn)行預(yù)處理，必要時對工件進(jìn)行夾裝，從而減少形變。

1劉曄東.熱處理變形淺析[J].機(jī)械工人熱加工，2007(10).

2孫宇.減小金屬熱處理變形的方法之探討[j].科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2008(10)

3魏強(qiáng)，劉曉清.熱處理淬火變形的控制[J].汽車工藝與材料，2008(7).

4朱利卿.鋼的熱處理變形[M].湖北人民出版社，1980：32-34.