金屬材料熱處理變形原因及防止變形的技術(shù)

周麗娜

青島天恒金屬材料檢驗(yàn)檢測有限公司 山東青島 266300

對于金屬工件而言，基本的變形問題主要集中在尺寸變形以及形狀變形兩方面，但是，無論是哪種變形情況，都和熱處理過程導(dǎo)致的工件內(nèi)部應(yīng)力息息相關(guān)。結(jié)合內(nèi)應(yīng)力的相關(guān)因素對問題因素進(jìn)行分析，從而制定具有針對性的監(jiān)督和管控措施，就能從根本上減少金屬材料熱處理變形和開裂導(dǎo)致的工件質(zhì)量缺失性問題。

1 金屬材料性能分析

在當(dāng)前的社會生產(chǎn)生活中，金屬材料的應(yīng)用范圍十分的廣泛。由于金屬材料具有韌性強(qiáng)、塑性好以及高強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此其在諸多行業(yè)中均有所應(yīng)用。當(dāng)前常用的金屬材料主要包括兩種：即多孔金屬材料以及納米金屬材料。納米金屬材料：一般情況下，只有物質(zhì)的尺寸達(dá)到了納米的級別，那么該物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均會發(fā)生改變。在分析與研究金屬材料性能的過程中，主要分析金屬材料的如下兩種性能：其一，硬度。一般情況下，金屬材料的硬度主要指的是金屬材料的抗擊能力。其二，耐久性。耐久性能和腐蝕性是金屬材料需要著重考慮的一對因素。在應(yīng)用金屬材料的過程中不可避免的會受到各種物質(zhì)的腐蝕，由此就會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)縫隙等問題。

2 金屬熱處理變形的原因分析

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種金屬零件早已成為機(jī)械制造的必要部分。在零件的設(shè)計(jì)、選材中，對綜合性能方面也提出了更高要求。特別是生產(chǎn)過程中，對產(chǎn)品熱處理加工后的品質(zhì)提出了新要求。但在熱處理過程中出現(xiàn)形變等質(zhì)量問題，一直是熱處理過程中難以克服的。以下就金屬材料的熱處理變形原因進(jìn)行簡要分析。

2.1 金屬熱處理的內(nèi)應(yīng)力塑性變形

金屬工件進(jìn)行熱處理時(shí)，通常經(jīng)歷加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。由于加熱和冷卻的不均勻性，金屬組織在固態(tài)相變時(shí)的不同時(shí)等因素，致使工件在熱處理過程中產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)應(yīng)力的作用下，金屬工件產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的不同原因，一般分為熱應(yīng)力塑型變形和組織應(yīng)力變形。熱應(yīng)力塑型變形是由于金屬工件在加熱和冷卻過程中，零件的內(nèi)外溫度不一致，致使熱脹冷縮的程度不同產(chǎn)生的。組織應(yīng)力變形是由于金屬工件在熱處理時(shí)內(nèi)部組織發(fā)生相變的時(shí)間不同而產(chǎn)生的。內(nèi)應(yīng)力塑性變形與工件的結(jié)構(gòu)和形狀有直接關(guān)系，變形具有明顯的方向性，體積變化并不明顯。內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致工件的塑性變形量與熱處理次數(shù)成正比。

2.2 金屬熱處理的比容變形

在熱處理過程中，由于金屬內(nèi)部組織的相不同，相變時(shí)出現(xiàn)體積、尺寸等微小變化就是比容變形。比容變形一般與奧氏體中合金元素含量、滲碳體和鐵素體的含量、殘余奧氏體的多少以及金屬材料本身的淬透性等因素有關(guān)。比容變形與內(nèi)應(yīng)力變形相比，具有變形方向不確定性。一般組織結(jié)構(gòu)較均勻時(shí)，其比容形變在不同方向上的變化是相同的。另外，材料的比容變形與其經(jīng)歷的熱處理工藝和次數(shù)無明顯的關(guān)聯(lián)性。

3 金屬材料熱處理變形的控制措施

3.1 金屬材料熱處理的預(yù)處理方法

不同的金屬材料熱處理工藝，舉例來說包括退火、正火工藝對于金屬材料的最終變形量均會產(chǎn)生影響。正火工藝溫度如果較高的話，會增加金屬材料內(nèi)部變形量，所以，在對工件進(jìn)行熱處理之前要展開正火處理，以合理的控制溫度。此外，還應(yīng)該展開退火工藝，合理選擇退火工藝，降低溫度梯度對于金屬材料的負(fù)面影響，控制熱處理過程中金屬材料的變形量、在正火處理之后，可選用等溫淬火的方式提升材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)而降低變形量。

3.2 對淬火工藝合理應(yīng)用

在金屬熱處理工作中，淬火工藝是最為核心化的一項(xiàng)工作步驟，且其發(fā)揮著極為重要的作用。不合理的淬火介質(zhì)，很容易導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力失調(diào)。所以在實(shí)際的處理過程中，要降低淬火階段的操作失誤情況，工作人員要在原有的工作基礎(chǔ)上，對淬火工藝進(jìn)行合理化的創(chuàng)新，調(diào)節(jié)冷卻的速度，降低材料的變形量，像油和水是常用的淬火介質(zhì)，為了提升淬火速度，保證冷卻效果，當(dāng)使用水作為淬火介質(zhì)時(shí)，其溫度應(yīng)該被控制在60℃左右；而使用油作為淬火介質(zhì)的時(shí)候，其溫度則應(yīng)該被控制在70℃左右。選擇合理的淬火介質(zhì)，能夠降低熱處理對材料內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的影響，對金屬材料的變形情況進(jìn)行控制。

3.3 冷卻介質(zhì)和冷卻方式

熱處理冷卻介質(zhì)的冷卻能力，特別是金屬工件淬火過程中，淬火介質(zhì)的淬火烈度對工件熱處理后的變形及開裂具有直接影響，是導(dǎo)致金屬工件變形的重要因素之一。在冷卻過程中，通常要對介質(zhì)進(jìn)行攪拌或通過循環(huán)泵對其進(jìn)行循環(huán)冷卻，降低介質(zhì)的溫度不均勻?qū)ぜ冃蔚挠绊?。金屬工件在熱處理的冷卻過程中，入液的方式對冷卻后的變形影響較為明顯。桿類、棒類、管類等細(xì)長類工件以垂直方式入液進(jìn)行冷卻，變形相對較小。板條狀、框架類的工件入液冷卻的原則是以工件最小截面積入液。一些薄厚不均，形狀較復(fù)雜的零件，在尖棱尖角或薄厚過渡明顯部位，應(yīng)采取石棉繩纏繞等緩冷措施。

3.4 適用科學(xué)的裝夾方式夾具

為了更好的控制金屬材料熱處理變形問題，必須要保證金屬材料加熱均已、冷卻均勻以及熱應(yīng)力均勻。而實(shí)現(xiàn)這一效果的主要方式就是選用科學(xué)的裝夾方式夾具，舉例來說要確保油面和盤類工件保持垂直的狀況，采用立裝的方式處理軸類工件。合理應(yīng)用墊圈，包括支承墊圈、疊加墊圈等。同時(shí)也可以采用專用的夾具確保滲碳層、滲氮層均勻，避免由于加熱造成的金屬材料蠕變問題。

3.5 合理加工

在金屬材料熱處理加工時(shí)，一定要在熱處理之前的機(jī)械加工的過程中，存留合理的加工余量，從而保證熱處理過程中材料變形量充足。在完成熱處理步驟后，工件一定要根據(jù)其實(shí)際的變形規(guī)律展開加工步驟，提升金屬材料淬火的合格率。

4 結(jié)語

在金屬工件的熱處理過程中應(yīng)盡量防止其變形，進(jìn)而滿足工件的加工和使用性能。熱處理過程中存在許多影響工件發(fā)生形變的因素，分析金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生變形的原因，制定合理的應(yīng)對技術(shù)措施，對改善和防止零件在熱處理過程中的形變，具有重要意義。