金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略

張發(fā)海

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，徐州 221011）

金屬材料熱處理主要是在進(jìn)行原料加工時(shí)使用，從而提高金屬材料的性能，確保金屬材料能夠最大化利用，滿足人們對(duì)金屬材料的需求。不過(guò)，金屬材料熱處理過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變形的情況，當(dāng)金屬材料熱處理出現(xiàn)變形時(shí)，材料的有關(guān)功能效果也會(huì)發(fā)生一定的不利影響。因此，探究金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 金屬材料熱處理變形的影響因素

1.1 時(shí)效與冷處理

金屬材料熱處理時(shí)會(huì)有低溫回火的情況，低溫回火與時(shí)效會(huì)造成兩種金屬變形的情況，分別為馬氏體分解和碳化物析出，使金屬材料的體積減小，出現(xiàn)變形大的情況；還有應(yīng)力松弛影響，這種情況會(huì)造成金屬材料出現(xiàn)畸形的狀態(tài)。其中，冷處理的方式會(huì)造成殘存金屬材料中的奧氏體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使金屬材料體積發(fā)生變化，最終出現(xiàn)變形。

1.2 原始組織與應(yīng)力狀態(tài)

金屬材料在淬火前會(huì)受到有關(guān)聯(lián)的原始組織的影響，最常見(jiàn)的是碳化物的數(shù)量、碳化物的形態(tài)、合金元素產(chǎn)生的纖維方向等，都會(huì)帶來(lái)一定影響。經(jīng)過(guò)行之有效的調(diào)質(zhì)處理，可以縮減其對(duì)金屬材料熱處理時(shí)的變形情況，使金屬材料的淬火變形有一定的規(guī)律性，最終可以控制金屬材料的熱處理變形。

還有一種化學(xué)熱處理方式，主要作用是改善金屬材料表層的一些性能，使金屬材料發(fā)揮更好的效果。如化學(xué)熱處理可以提升金屬材料表層抗氧化功能、耐磨性能等。但需要注意的是，化學(xué)熱處理的深度在一定范圍內(nèi)，如果保證實(shí)現(xiàn)滲透層，在進(jìn)行化學(xué)熱處理后，就要進(jìn)行磨削加工[1]。通常情況下，金屬材料性能較差，化學(xué)熱處理過(guò)程中出現(xiàn)的變形情況相對(duì)難處理。

2 金屬材料熱處理變形的控制策略

金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)各種情況的變形，使金屬材料的加工會(huì)出現(xiàn)諸多不利影響。當(dāng)今社會(huì)的金屬材料熱處理應(yīng)用要求較高，要想適應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，就需要不斷深化改革創(chuàng)新，通過(guò)使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段以及取得成功的經(jīng)驗(yàn)等加以支持，最終實(shí)現(xiàn)合理控制金屬材料熱處理變形問(wèn)題。當(dāng)前，如何控制金屬材料熱處理變形，筆者有以下幾種見(jiàn)解。

2.1 熱處理前進(jìn)行預(yù)處理

實(shí)際上，金屬材料出現(xiàn)變形并不單單是熱處理時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，其他工藝如正火、退火等都會(huì)造成金屬變形。在進(jìn)行金屬材料熱處理時(shí)，由于正火中溫度較高，容易造成金屬材料的內(nèi)部組織變形，因此，可以先進(jìn)行預(yù)處理，控制溫度的正火處理最適當(dāng)。做好正火處理工作后，可適當(dāng)選擇相同溫度的淬火處理方式，加強(qiáng)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性，實(shí)現(xiàn)控制變形目標(biāo)。除此之外，還刻意通過(guò)打開退火工藝，根據(jù)金屬材料自身組織特征，選擇適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に?。退火工藝的?yīng)用能夠降低金屬材料受溫梯度的影響，在金屬材料在處理期間控制其變形，這種方式還能對(duì)金屬材料的熱處理質(zhì)量水平提供保障。

2.2 淬火處理工藝

金屬熱處理中較重要的一項(xiàng)環(huán)節(jié)就是淬火處理工藝，在這一過(guò)程中如果引入淬火介質(zhì)不適合，會(huì)造成金屬材料內(nèi)部應(yīng)力增加，進(jìn)而造成內(nèi)部應(yīng)力變形。要想處理淬火處理中出現(xiàn)的問(wèn)題，就需要技術(shù)人員充分重視淬火處理工藝，并從現(xiàn)有工藝出發(fā)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇慊鹛幚砉に嚒ＭǔＧ闆r下，金屬材料淬火冷卻過(guò)程中，要合理控制淬火速度，當(dāng)淬火速度過(guò)快將會(huì)造成冷卻不均勻，金屬材料也容易變形。淬火常用的介質(zhì)為水油，當(dāng)水溫在500～600℃時(shí)，冷卻速度可以在每秒550℃，當(dāng)水溫在200～300℃時(shí)，冷卻速度可以選擇每秒約270℃。這一過(guò)程中金屬材料會(huì)出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)冷卻速度較高時(shí)，會(huì)造成金屬材料變形。當(dāng)在水中加入相當(dāng)量的堿或鹽時(shí)，冷卻速度將會(huì)迅速提升，比如，上述的水溫在500～600℃時(shí)，冷卻速度可以在每秒550℃迅速變化為每秒1100℃[2]。因此，水、鹽水以及堿水在碳鋼淬火冷卻時(shí)作為介質(zhì)的情況較多，但也可能會(huì)出現(xiàn)變形和開裂的狀況。

2.3 適當(dāng)?shù)睦鋮s方式

最常見(jiàn)的冷卻方式有分級(jí)淬火法、單液淬火法和雙液淬火法等，其中，單液淬火法容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，卻難以滿足淬火冷卻速度需要，容易出現(xiàn)變形；雙液淬火法是將金屬材料加熱，在冷卻到速度較高的介質(zhì)中，直到溫度在300℃左右，再迅速轉(zhuǎn)至另一種介質(zhì)中，使金屬材料溫度達(dá)到常溫狀態(tài)。分級(jí)淬火法主要將受熱的金屬材料置于溫度較高的硝煙浴中，保溫處理3min左右，直到金屬材料室內(nèi)外溫度統(tǒng)一[3]。

2.4 零件結(jié)構(gòu)合理配置

金屬材料熱處理和冷卻時(shí)，還會(huì)受到零件結(jié)構(gòu)影響，進(jìn)而產(chǎn)生變形的情況。金屬材料較厚的地方冷得慢，薄處冷得快，在實(shí)際生產(chǎn)中要減少薄厚差異，盡可能控制過(guò)渡區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中產(chǎn)生的變形情況。當(dāng)金屬材料出現(xiàn)開裂狀況時(shí)，要采取措施確保零件截面的均勻分布，科學(xué)控制冷卻速度不均勻而造成的變形。零部件和材料組織成分要呈現(xiàn)對(duì)稱性，才能更好地確保應(yīng)力的均勻性。因此，在設(shè)計(jì)零部件時(shí)，要避免有溝槽及棱角出現(xiàn)，造成薄厚不均勻的情況。

2.5 裝夾方式要合理

控制金屬材料熱處理變形情況，要保證金屬材料加熱和冷卻時(shí)都能達(dá)到均勻或誤差在允許范圍內(nèi)的狀態(tài)，保證金屬應(yīng)力均勻，產(chǎn)生均勻的組織應(yīng)力。可以通過(guò)使用裝夾方式夾具，運(yùn)用墊圈、支撐墊圈等確保應(yīng)力均勻。

2.6 機(jī)械加工要重視

金屬材料進(jìn)行熱處理后，就需要開展機(jī)械加工，加工過(guò)程中要遵循金屬材料變形規(guī)律，采用收縮端預(yù)脹孔、反變形等方式控制金屬材料的變形，緊接著進(jìn)入加工制造的最后階段。此時(shí)，要注意熱處理變形有一定的規(guī)定值，在加工處理前對(duì)工序尺寸進(jìn)行檢測(cè)和修正，提升金屬材料熱處理效率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探討金屬材料熱處理變形影響因素和控制策略，能夠科學(xué)有效地解決金屬材料加工企業(yè)進(jìn)行熱處理時(shí)出現(xiàn)的變形情況，保證熱處理工藝的具體運(yùn)用。金屬材料熱處理相關(guān)工作人員，要繼續(xù)不斷探究，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)歷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)金屬材料熱處理變形的影響因素有全面的認(rèn)識(shí)，并遵循科學(xué)原則，結(jié)合當(dāng)下技術(shù)工藝發(fā)展?fàn)顩r，探索出更好地處理金屬材料熱處理變形問(wèn)題的方法，從而促進(jìn)金屬材料熱處理工作高效進(jìn)行。