淺析溫度對(duì)熱處理工藝的影響

賀妍

摘 要：金屬熱處理工藝在改善材料各種性能的同時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱處理變形，并且會(huì)直接影響到工件的精度、強(qiáng)度、噪聲和壽命，因此對(duì)于精度要求較高的零件要盡可能減小其變形量，文章在著重闡述溫度是控制變形的關(guān)鍵因素的同時(shí)羅列了幾點(diǎn)次要因素。

關(guān)鍵詞：金屬熱處理；變形；溫度

引言

金屬材料的熱處理，即采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)固態(tài)金屬或合金進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理，某些情況下還會(huì)對(duì)其施加機(jī)械作用和化學(xué)作用，金屬合金內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組織在熱處理的作用下發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改善材料性能的目的。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)金屬工件的力學(xué)、物理和化學(xué)性能都有著特定的要求，如果通過材料的合理選擇以及成形工藝的運(yùn)用都無(wú)法滿足要求，這時(shí)就必須采用熱處理的方式從而提高材料的性能。

然而，熱處理工藝在改善材料性能的同時(shí)，金屬材料的變形也隨之產(chǎn)生，不利于機(jī)械加工中精度和強(qiáng)度的提高，還會(huì)產(chǎn)生噪聲，減少其使用壽命。因此，如何在采用熱處理技術(shù)提高金屬材料性能的同時(shí)，盡量控制其變形量是當(dāng)前熱處理行業(yè)亟待解決的問題。

1 溫度是變形的關(guān)鍵因素

在工業(yè)生產(chǎn)中，雖然熱處理工藝的形式多種多樣，然而其基本過程都是熱作用的過程，并且由三個(gè)階段組成，即加熱、保溫和冷卻。所涉及到的參數(shù)也并不復(fù)雜，加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度以及熱處理周期等幾個(gè)參數(shù)就可以對(duì)其工藝過程進(jìn)行詳細(xì)完整的描述。顧名思義，熱處理工藝是需要對(duì)材料進(jìn)行加熱的，這就需要加熱設(shè)備，即加熱爐。在加熱爐中完成熱處理的過程，而加熱爐的溫度則直接影響到熱處理工藝，因此加熱爐內(nèi)的溫度是熱處理工業(yè)的一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量非常重要。溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性也必須保證，因?yàn)橹挥性跍囟葴y(cè)量準(zhǔn)確有效的前提下，才能對(duì)其進(jìn)行合理控制。在熱處理工業(yè)中，溫度是引發(fā)變形的關(guān)鍵因素，只有加強(qiáng)溫度的測(cè)量和控制，才能盡量減少變形，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，避免產(chǎn)品報(bào)廢的現(xiàn)象發(fā)生。

通過降低熱處理的工藝溫度能有效減少由此產(chǎn)生的變形。降低工藝溫度，能相對(duì)減少工件的高溫強(qiáng)度，并增強(qiáng)其塑性抗力以及抗應(yīng)力變形、抗淬火變形、抗高溫蠕變的能力。降低工藝溫度，還能夠減少工件加熱、冷卻的溫度區(qū)間。溫度區(qū)間減少后，由熱處理引起的各部位溫度的一致性也會(huì)增強(qiáng)，而溫度的不一致性正是引起工件組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的根本原因，隨著溫度不一致性減少，由此而導(dǎo)致的變形也會(huì)相應(yīng)減少。此外，在降低工藝溫度并縮短工藝時(shí)間的情況下，將縮短工件的高溫蠕變時(shí)間，從而減少變形。

2 變形的其他影響因素及減小措施

2.1 預(yù)備熱處理

在熱處理過程中，有可能引起內(nèi)孔的變形增大，如存在混晶、大量索氏體或魏氏組織以及過高的正火溫度。因此需要對(duì)正火溫度進(jìn)行控制，也可以采用等溫退火的方式來(lái)對(duì)鍛件進(jìn)行處理。金屬最終的變形量與很多因素有關(guān)，如淬火前進(jìn)行的調(diào)質(zhì)處理以及退火和正火。金屬產(chǎn)生變形進(jìn)而導(dǎo)致金屬組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。研究和實(shí)踐表明，為使金屬組織結(jié)構(gòu)均勻，在進(jìn)行正火處理時(shí)采用等溫淬火是一種有效的減小其變形量的措施。

2.2 運(yùn)用合理的冷卻方法

金屬淬火后冷卻過程的控制也是必須考慮的一個(gè)因素。淬火后采用油進(jìn)行冷卻，因此其變形直接受到油的冷卻能力的影響。通常來(lái)說(shuō)，熱油淬火產(chǎn)生的變形小于冷油淬火，一般控制在100+20%。同時(shí)，變形還受到淬火的攪拌方式和速度的影響。在進(jìn)行金屬熱處理時(shí)，金屬產(chǎn)生的應(yīng)力及模具的變形與冷卻的速度和冷卻的均勻程度有關(guān)。過快的冷卻速度和不均勻冷卻都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力及模具變形的增大。因此，應(yīng)盡量采用預(yù)冷，不過需要注意的是應(yīng)保證模具的硬度要求。為減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，可以選用分級(jí)冷卻淬火，這種方式對(duì)形狀復(fù)雜的工件十分有效，能顯著減少其變形。采用等溫淬火的方式，則適用于十分復(fù)雜并且有較高精度要求的工件，能使金屬變形顯著減少。

2.3 零件結(jié)構(gòu)要合理

改善零件的結(jié)構(gòu)是減少熱處理變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過熱處理后的工件，其厚度不同的部分冷卻的速度也是不同的。因此，在滿足工件使用性能的前提下，應(yīng)使工件的厚度差別不能過大，盡量使零件的截面均勻，減少由應(yīng)力集中導(dǎo)致的過渡區(qū)的畸變和開裂現(xiàn)象。保持結(jié)構(gòu)與材料成分和組織的對(duì)稱性，避免尖銳棱角、溝槽等。此外，采用預(yù)留加工量的方式也是減少厚度不均勻零件變形的有效方式之一。

2.4 采用合理的裝夾方式及夾具

通過采用合理的裝夾方式和夾具，能夠使工件獲得均勻的加熱和冷卻，從而減少熱應(yīng)力以及組織應(yīng)力的不均，有效減小熱處理導(dǎo)致的工件變形。

2.5 機(jī)械加工

工件的加工通常需要經(jīng)過很多道工序，如果熱處理加工是最后的工序，則應(yīng)控制其畸變的允許值，使之滿足圖樣規(guī)定的工件尺寸。依據(jù)上道工序的加工尺寸來(lái)對(duì)畸變量加以確定，因此掌握畸變規(guī)律尤為重要，為使熱處理導(dǎo)致的畸變處于合格的范圍，在進(jìn)行熱處理前應(yīng)對(duì)尺寸進(jìn)行預(yù)修正。如果熱處理是中間的工序，機(jī)加工余量和熱處理畸變量之和即為熱處理前的加工余量。導(dǎo)致熱處理變形的因素多而復(fù)雜，因此相較于機(jī)械加工余量來(lái)說(shuō)，熱處理的加工余量不易確定，在實(shí)際加工中應(yīng)留出足夠的加工余量用于機(jī)械加工。

2.6 采用合適的介質(zhì)

在熱處理的過程中，介質(zhì)的選擇也十分重要，應(yīng)選擇有利于減小變形量的介質(zhì)。研究和實(shí)驗(yàn)表明，硬度要求相同的情況下，采用油性介質(zhì)是更好的選擇。不同介質(zhì)具有不同的冷卻速度，在其他條件相同的情況下，同油性介質(zhì)相比較，水性介質(zhì)的冷卻速度較快。此外，水溫的變化也會(huì)對(duì)介質(zhì)的冷卻性能造成影響，其變化對(duì)油性介質(zhì)冷卻特性產(chǎn)生的影響較小。熱處理?xiàng)l件相同的情況下，水性介質(zhì)淬火后會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形量。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱處理能改善工件的機(jī)械性能，提高工件的強(qiáng)度和硬度，但引起的變形影響是不可避免的。我們要重視我國(guó)現(xiàn)階段的熱處理技術(shù)和裝備的改進(jìn)，不斷學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，提高熱處理工件質(zhì)量及合格率，為我國(guó)的熱處理行業(yè)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]劉曄東.熱處理變形淺析[J].機(jī)械工人：熱加工，2007（10）.