影響金屬材料熱處理變形的因素及減小措施

趙 琳

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030009）

1 變形產(chǎn)生機(jī)理分析

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，金屬零件是機(jī)械制造中必不可少的組成部分。因此，在零件設(shè)計(jì)以及選材中，對(duì)其綜合性能的要求也越來(lái)越高，尤其在生產(chǎn)中，對(duì)其熱處理加工之后品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。然而，對(duì)于在熱處理中產(chǎn)生的變形問(wèn)題，一直影響著熱處理工藝的發(fā)展。以下就熱處理變形影響因素進(jìn)行分析[1]。

1.1 內(nèi)應(yīng)力塑形

金屬材料在進(jìn)行熱處理中，一般主要分為3 個(gè)階段，即加熱、保溫以及冷卻。由于在加熱環(huán)節(jié)以及冷卻環(huán)節(jié)缺少均勻性、固態(tài)變相下的金屬組織缺少相同性等因素，使金屬材料在進(jìn)行熱處理中，有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。并且在內(nèi)應(yīng)力的影響下，導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力塑形。同時(shí)按照應(yīng)力產(chǎn)生原因的不同，又分為組織應(yīng)力變形以及熱應(yīng)力變形。組織變形主要是由于金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)在不同的實(shí)踐發(fā)生相變而產(chǎn)生的。熱應(yīng)力形變主要是由于金屬材料在加熱與冷卻環(huán)節(jié)中，無(wú)法保證材料內(nèi)外溫度一致，導(dǎo)致其熱脹冷縮程度不一致而產(chǎn)生的。金屬工件的形狀、結(jié)構(gòu)等與內(nèi)應(yīng)力塑形有著直接關(guān)聯(lián)，在變形中的方向性較為明顯，其體積并無(wú)明顯變化，內(nèi)應(yīng)力因素對(duì)金屬材料造成的變形量，與其熱處理次數(shù)有著直接關(guān)系。

1.2 比容變形

在進(jìn)行材料熱處理時(shí)，由于其內(nèi)部組織相的不同，相變時(shí)產(chǎn)生微小尺寸以及體積等變化，即比容形變。一般，比容形變與材料本身淬透性、殘余奧氏體、鐵素體含量、滲碳體含量以及合金元素含量等有一定關(guān)系。與內(nèi)應(yīng)力塑形相比，比容變形的方向無(wú)法進(jìn)行有效確定。通常，在組織結(jié)構(gòu)較為均勻的情況下，其形變?cè)诓煌较虍a(chǎn)生相同變化。同時(shí)，金屬材料與熱處理工藝類型、次數(shù)的關(guān)聯(lián)性并不明顯[2]。

1.3 蠕變因素

蠕變是指鋼材在受熱之后，其塑形會(huì)有所增大，在無(wú)法確定支承方法的情況下，受到重力影響，產(chǎn)生撓曲變形。對(duì)于熱處理中的金屬工件，需要保證溫度較高，如果支承方法選用不合理，就會(huì)形成蠕變變形。金屬工件在蠕變彎曲影響下，會(huì)超出允許誤差范圍。隨著熱處理溫度與時(shí)間的增加，蠕變變形也會(huì)隨之增加。

2 影響因素分析

2.1 溫度參數(shù)

對(duì)熱處理造成變形的因素有很多，主要溫度為主要影響因素，溫度高低、保溫時(shí)間等都會(huì)直接影響熱應(yīng)力以及組織應(yīng)力形成以及產(chǎn)生的影響，另外，隨著溫度升高，金屬塑形會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致高溫蠕變趨勢(shì)更加明顯，在淬火環(huán)節(jié)，加熱溫度主要對(duì)金屬材料翹曲變形產(chǎn)生影響，對(duì)體積變形中所引發(fā)的尺寸變化并無(wú)明顯影響。因此，需要獲得熱處理參數(shù)的性能指標(biāo)，同時(shí)，要想降低變形，需要對(duì)熱處理的問(wèn)溫度進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量與控制[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸

對(duì)于高碳鋼軸類零件以及長(zhǎng)軸類零件，在淬透后是馬氏體組織，其主要組織應(yīng)力形變，因此，其體積會(huì)有所增大，長(zhǎng)度以及直徑會(huì)有所增強(qiáng)。合金鋼軸類零件有著良好的淬透性，材料變形主要是由熱應(yīng)力以及組織應(yīng)力共同作用產(chǎn)生，尺寸較小工件的長(zhǎng)度與直徑均會(huì)有所增大，而大尺寸工件的直徑會(huì)縮小，長(zhǎng)度會(huì)增大。環(huán)形套筒類零件，在淬火之后，其熱應(yīng)力狀態(tài)分部位內(nèi)表壁與外表壁受到壓力，并且心部受壓，高度與內(nèi)徑減小、外徑增大。組織應(yīng)力為外表壁與內(nèi)表壁受到拉力，其心部受到壓力，高度與內(nèi)徑增大、外徑減小。在2 種應(yīng)力作用下，使金屬材料產(chǎn)生變形。同時(shí)不同組織具有不同體積，表1 為鋼中常見(jiàn)組織的比體積。

表1 鋼中常見(jiàn)組織的比體積

2.3 機(jī)械加工

在對(duì)細(xì)長(zhǎng)類工件進(jìn)行加工時(shí)，在切削量的影響下，會(huì)形成程度不同的應(yīng)力，導(dǎo)致淬火變形敏感性增大，熱處理變形量、加工預(yù)留余量以及熱處理之后的加工量，存在的誤差較大，導(dǎo)致熱處理后的變形無(wú)法進(jìn)行有效恢復(fù)。

3 措施分析

在金屬熱處理中，確定減變形量方案是一個(gè)較為復(fù)雜工作，需要相關(guān)人員能夠?qū)ψ冃蔚挠绊懸蛩剡M(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，并在這一前提下將實(shí)用性原則、易操作原則以及科學(xué)性原則作為工作指導(dǎo)原則，借助有效的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)其比容變形以及應(yīng)力塑形的控制，推動(dòng)熱處理技術(shù)的發(fā)展[4]。熱處理加工過(guò)程如圖1 所示。

圖1 熱處理加工過(guò)程

3.1 準(zhǔn)備工作

金屬材料熱處理方式不盡相同，比如，在正火與退火中，兩者存在明顯的差異，對(duì)材料變形量有著較大的影響。因此，在開展熱處理作業(yè)前，需要按照實(shí)際要求，嚴(yán)格控制溫度，完成金屬工件的正火處理操作。通過(guò)實(shí)踐能夠發(fā)現(xiàn)，金屬材料在經(jīng)過(guò)正火處理之后，其均與結(jié)構(gòu)均勻性以及結(jié)構(gòu)完整性能夠得到有效提升，降低內(nèi)部應(yīng)力對(duì)材料的破壞，進(jìn)而降低在熱處理中對(duì)材料變形量的影響。另外，為了保障正火處理效果，可以準(zhǔn)備退火工藝，并對(duì)退火工藝進(jìn)行合理選擇，能夠有效減小金屬材料在溫度梯度方面額影響，進(jìn)而達(dá)到有效控制熱處理中變形量的目的，提升熱處理技術(shù)的水平以及質(zhì)量[5]。

3.2 金屬材料結(jié)構(gòu)

金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)，內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生的形變，與材料結(jié)構(gòu)有著較大的關(guān)聯(lián)。在生產(chǎn)中的薄厚不均工件、薄板狀工件、長(zhǎng)條狀工件以及長(zhǎng)棒狀工件，容易產(chǎn)生變形。在工件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要對(duì)其在熱處理時(shí)產(chǎn)生的形變進(jìn)行充分分析，對(duì)于能夠借助校直方式實(shí)現(xiàn)變形調(diào)整的，應(yīng)該適當(dāng)減少加工余量。對(duì)于無(wú)法借助工件校直的，應(yīng)該保證加工余量充足，防止工件在熱處理加工后，由于形變而報(bào)廢。熱處理工序是最終生產(chǎn)工序的工件，在進(jìn)行工件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該合理選擇材料，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡量減少熱處理對(duì)工件使用性能以及質(zhì)量的影響。

在能夠保證工件性能的前提在，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證工件薄厚程度不會(huì)過(guò)于懸殊，保證工件便面的平均程度，盡量保證工件結(jié)構(gòu)對(duì)稱，進(jìn)而降低在啊過(guò)度區(qū)域中，由于冷熱不均以及應(yīng)力集中，產(chǎn)生的開裂傾向與畸變。對(duì)于需要熱處理的工件，應(yīng)該盡量避免小孔、溝槽、尖棱尖角等結(jié)構(gòu)，防止應(yīng)力過(guò)于集中。

3.3 淬火工藝的合理運(yùn)用

淬火工藝是金屬材料熱處理工作中的重要組成部分，在熱處理工序中扮演著重要角色，一旦淬火介質(zhì)使用缺少合理性，那么就會(huì)是金屬構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力增加，導(dǎo)致工件發(fā)生形狀變化以及結(jié)構(gòu)破壞。為了能夠使這一問(wèn)題得到有效解決，需要在熱處理過(guò)程中，減少淬火環(huán)節(jié)中的失誤，相關(guān)人員應(yīng)該以現(xiàn)階段淬火工藝為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化操作。在淬火冷卻中，需要合理調(diào)節(jié)淬火速度，若是速度過(guò)快會(huì)對(duì)材料冷卻均勻性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致材料變形量增加[6]。一般，會(huì)將水油作為介質(zhì)，當(dāng)水溫控制在550～650 ℃時(shí)，能夠保證良好的冷卻效果，因此，需要適當(dāng)提升淬火速度。當(dāng)油溫控制在200～300 ℃時(shí)，同樣能夠保證良好的冷卻效果，可以提升淬火速度。借助對(duì)淬火速度以及淬火介質(zhì)的合理選擇、高校應(yīng)用，能夠有效提升材料熱處理質(zhì)量，降低溫度影響以及內(nèi)部應(yīng)力變化，達(dá)到控制工件變形量的目的。

3.4 工藝參數(shù)

對(duì)于熱處理的工藝參數(shù)，主要涵蓋加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間以及冷卻速度等。在溫度高、加熱速度快的情況下，會(huì)使工件形變傾向增大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生過(guò)燒傾向與過(guò)熱傾向，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致工件報(bào)廢。尤其對(duì)于細(xì)長(zhǎng)形工件與薄壁形工件而言，更容易產(chǎn)生形變。因此，在開展熱處理作業(yè)時(shí)，應(yīng)該合理選擇加熱溫度與加熱速度。在確定保溫時(shí)間時(shí)，應(yīng)該對(duì)工件有效厚度進(jìn)行計(jì)算，保證在熱處理中，使工件能夠均勻化、組織轉(zhuǎn)化時(shí)間充足等，降低工件在比容變形方面的傾向。對(duì)于金屬材料，其在冷卻環(huán)節(jié)中的形變較為明顯，在工件冷卻時(shí)，工件形成內(nèi)應(yīng)力、產(chǎn)生彎曲等變形，同時(shí)在組織轉(zhuǎn)變下，形成比容形變，導(dǎo)致工件體積增大，因此，在保證硬度值等設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，需要合理確定冷卻速度。碳鋼組織轉(zhuǎn)變引起的尺寸變化見(jiàn)表2。

表2 碳鋼組織轉(zhuǎn)變引起的尺寸變化

3.5 工裝工具與加熱方式選擇

為了保證工件裝爐效率以及出爐冷卻效率，需要對(duì)熱處理工件，設(shè)計(jì)特定工裝，在設(shè)計(jì)工具工裝時(shí)，需要對(duì)工件在工裝上的放置數(shù)量以及放置狀態(tài)進(jìn)行考慮，棒類工件、管類工件以及桿類工件應(yīng)該采取垂直方式進(jìn)行放置，其他類工件應(yīng)該采取平放方式進(jìn)行放置，保證工件在加熱、冷卻環(huán)節(jié)中的變形能夠得到降低。金屬材料在進(jìn)行熱處理時(shí)，一般會(huì)采用的加熱爐有井式以及臺(tái)車式。而臺(tái)車式加熱爐較為常見(jiàn)，其爐膛內(nèi)溫度較為均勻、加熱升溫較為平穩(wěn)，能夠有效降低金屬材料在加熱中所產(chǎn)生的形變。對(duì)于形狀不同，大小不一的工件，需要對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行合理選擇，比如，對(duì)于長(zhǎng)桿類工件、長(zhǎng)管類工件以及圓筒類工件，應(yīng)該采用垂直懸掛裝爐以及井式爐進(jìn)行加熱，避免活件在加熱時(shí)產(chǎn)生徑向彎曲。在熱處理工件裝爐時(shí)，應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)活件堆垛碼放現(xiàn)象，尤其是薄壁類工件，需要以單件的形式平放（圖2）。

3.6 冷卻方式與冷卻介質(zhì)

在金屬材料冷卻時(shí)，一般需要攪拌介質(zhì)、或借助循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)冷卻目的，減小介質(zhì)溫度不均，對(duì)金屬材料變形產(chǎn)生的影響。材料在冷卻環(huán)節(jié)中，入液方式對(duì)材料變形的影響較為明顯。管類工件、棒類工件以及桿類工件應(yīng)該采取垂直入液方式進(jìn)行冷卻，能夠有效減小變形?？蝾惞ぜ约鞍魲l狀工件應(yīng)該以其最小截面積進(jìn)行入液冷卻。對(duì)于形狀復(fù)雜、薄厚不均的工件，在薄厚過(guò)渡以及尖棱尖角部位應(yīng)該借助緩冷方式進(jìn)行冷卻，如石棉繩纏繞等。

冷卻介質(zhì)的實(shí)際性能，尤其在金屬材料淬火環(huán)節(jié)中，介質(zhì)的淬火烈度直徑影響，熱處理之后材料的變形情況以及開裂情況，是影響金屬材料變形的重要原因之一。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻介質(zhì)的性能增強(qiáng)，冷卻后的變形傾向也隨之增強(qiáng)。與水性介質(zhì)相比，油性介質(zhì)冷卻速度較慢，而對(duì)于油淬之后的材料，其變形量更小。在滿足淬火硬度的前提下，應(yīng)該盡量采取冷卻性能較差的介質(zhì)進(jìn)行冷卻。

圖2 熱處理工裝

3.7 合理調(diào)整機(jī)加工工藝與裝夾方式

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)類工件的企業(yè)切削用量應(yīng)該合理選擇，盡量借助高速小前角道具進(jìn)行加工，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，需要在其半精加工完成后，加熱至回火溫度，并保溫6 h 左右，之后隨爐緩冷至300 ℃左右，進(jìn)行應(yīng)力消除處理。

合理選擇裝夾方式，保證工件能夠均勻受熱與冷卻，防止由于缺少均勻性而產(chǎn)生組織應(yīng)力或是熱因力導(dǎo)致工件變形。比如，對(duì)軸類工件與盤類工件應(yīng)該選擇立式裝夾，對(duì)于具有孔槽工件應(yīng)該選擇心軸裝夾。也可以借助專用夾具保證滲氮層活滲碳層均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在金屬材料熱處理中，溫度對(duì)材料變形的影響較大，因此，企業(yè)需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格把握，保證熱處理溫度能夠維持在規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)在加工環(huán)節(jié)中，速度也是一個(gè)重要的影響因素，需要保證均勻的速度，對(duì)變形進(jìn)行有效控制。隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)技術(shù)要求日益增高，因此需要對(duì)熱處理工藝中的不足之處進(jìn)行改善，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。