金屬材料熱處理變形的影響因素與控制措施初探

姜傳坤

【摘 ?要】金屬材料是工業(yè)生產(chǎn)、社會生活中不可或缺的重要材料，對推動社會的發(fā)展，助科技進(jìn)步，以及提升廣大人民群眾的生活質(zhì)量起到了重要的促進(jìn)作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對金屬材料的性能要求也越來越高，尤其是一些特殊領(lǐng)域的金屬材料應(yīng)用，對硬度、強(qiáng)度、形狀、耐腐蝕度等都有嚴(yán)格的要求。因此，加強(qiáng)熱處理工藝的改進(jìn)與提升，采取有效的控制措施避免金屬材料的變形就成為當(dāng)前金屬材料加工行業(yè)需要特別重視的問題。本文就金屬材料在熱處理過程中常出現(xiàn)的變形現(xiàn)象以及變形原因進(jìn)行深入分析，并就金屬材料熱處理變形的預(yù)防和控制措施進(jìn)行簡單闡述。

【關(guān)鍵詞】金屬材料;熱處理變形;影響因素;控制措施

1.金屬材料熱處理變形的主要原因

隨著工業(yè)化水平的顯著提升，對金屬零部件的整體性能以及質(zhì)量要求越來越高，金屬材料的加工生產(chǎn)技術(shù)與管理過程也越來越先進(jìn)和完善，但是金屬材料在熱處理中的變形問題一直是影響其質(zhì)量的主要問題，引發(fā)金屬材料變形的原因主要表現(xiàn)在兩個方面：一是內(nèi)應(yīng)力塑性變形，金屬材料在熱處理時(shí)首先要加熱至一定的溫度，然后才能進(jìn)行下一步的操作，但是由于工藝、技術(shù)、設(shè)備以及金屬材質(zhì)的原因有可能會出現(xiàn)加熱不均的情況，就會導(dǎo)致金屬工件出現(xiàn)變形，而在這個加工過程中會產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。在金屬工件加工處理過程中，溫度的上升與下降會使得金屬工作處于塑性條件下，在這種條件下就會因?yàn)闇囟鹊淖兓霈F(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。這是因?yàn)闊崦浝淇s的原理會對金屬工件產(chǎn)生直接的影響，在業(yè)內(nèi)將這種現(xiàn)象稱之為塑性變形;除了塑性變形之外，還會出現(xiàn)比容變形現(xiàn)象，金屬工件由于金屬特性的不同，所需要加工的形狀、硬度要求也就有一定的差異。但是在熱處理過程中，不同相的比容會出現(xiàn)差異，這種差異會對工件的尺寸、形狀產(chǎn)生直接的變化，這與金屬本身所含的碳元素含量有關(guān)，當(dāng)金屬工件中的合金元素，或是碳元素處于游離狀態(tài)時(shí)就會出現(xiàn)比容變化而導(dǎo)致變形。

2.金屬材料熱處理變形的影響因素

2.1溫度變化造成的影響

所謂熱處理，顧名思義，合適的溫度是進(jìn)行熱處理的重要前提，但同時(shí)，溫度也是導(dǎo)致金屬工作變形的主要影響因素，溫度影響金屬工件變形主要是因?yàn)樵跓崽幚磉^程中，有工件受熱不均勻而發(fā)生的變形，此外，當(dāng)金屬工作在熱處理加工時(shí)溫度降到一定的點(diǎn)時(shí)，被處理的金屬工件高溫強(qiáng)度會隨著溫度的下降而減少，相應(yīng)的熱應(yīng)力以及組織應(yīng)力也在降低，這種溫度的變化就會導(dǎo)致金屬工件出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

2.2淬火介質(zhì)所造成的影響

金屬材料的材質(zhì)極為豐富，不同的金屬材料在進(jìn)行熱處理加工時(shí)，需要選擇不同的淬火介質(zhì)，在無數(shù)的實(shí)踐中證明了淬火介質(zhì)對金屬工件變形的影響是顯性的，淬火介質(zhì)的質(zhì)量、介質(zhì)的攪拌方式、介質(zhì)的攪拌速度等對金屬工件的穩(wěn)定性都有著直接的影響。所以，淬火介質(zhì)的選擇，以及在熱處理過程中科學(xué)、規(guī)范的操作對于保證金屬工件的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。

2.3預(yù)處理造成的影響

金屬材料在熱處理加工之前，必須先經(jīng)過一道預(yù)處理工序，預(yù)處理的主要目的在于最大程度的消除金屬應(yīng)力。當(dāng)前的預(yù)處理形式都是采用正火方式進(jìn)行，但是正火處理方式會受到場地的限制，而且正火處理多采用堆冷的處理工藝，這種處理方式容易導(dǎo)致加熱爐內(nèi)的金屬材料冷卻不均勻，從而進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部組織不均，從而發(fā)生變形現(xiàn)象。除此之外，正火不當(dāng)還會使金屬材料產(chǎn)生魏氏組織，從而進(jìn)一步增大了熱處理變形的可能性。

2.4作業(yè)人員的影響因素

盡管當(dāng)前對金屬熱處理工藝的實(shí)施要點(diǎn)與重點(diǎn)做出了明確的規(guī)定與指導(dǎo)，但是在實(shí)際的操作過程中還是會受人為因素的影響而導(dǎo)致加工過程的不規(guī)范，使金屬工件變形，具體表現(xiàn)在操作過程中沒有嚴(yán)格按照規(guī)范作業(yè)，疏忽大意且責(zé)任心不強(qiáng)，沒有在處理過程中對金屬工件的變化進(jìn)行密切關(guān)注，對存在的問題沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，也就無法保證最終金屬材料熱處理的質(zhì)量。

3金屬材料熱處理工藝中材料變形的控制措施探究

3.1謹(jǐn)遵三大原則，理性控制熱處理變形：（1）遵守科學(xué)性的原則，就是采用科學(xué)的管理方法（科學(xué)精神、科學(xué)手段和科學(xué)理念）來應(yīng)實(shí)施金屬材料的熱處理等。（2）操作簡化原則，根據(jù)不同的環(huán)境和工況，制定優(yōu)化熱處理操作流程，降低工藝實(shí)施過程中操作失誤率，切實(shí)提高容錯率，從而實(shí)現(xiàn)熱處理變形目標(biāo)控制。（3）遵循實(shí)用性的原則，科學(xué)利用各種途徑匯總整理實(shí)用的工藝操作方法，秉持實(shí)用性為根本，減少浪費(fèi)，節(jié)約材料降低成本，保證熱處理的有效性。通過保證質(zhì)量實(shí)現(xiàn)實(shí)用性原則的最大化。

3.2合理選用合適的冷卻介質(zhì)，最常見的淬火介質(zhì)就是水和油。水，其優(yōu)點(diǎn)眾多，但缺點(diǎn)也較為突出，水在500℃～600℃區(qū)間處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快。當(dāng)金屬材料溫度在100℃～300℃時(shí)，水處于沸騰階段，冷卻能力過強(qiáng)，導(dǎo)致材料馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快、內(nèi)應(yīng)力增大，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)將使試樣產(chǎn)生變形甚至開裂。因此，可通過在水中添加不同原料以達(dá)到克服水作為淬火介質(zhì)的缺點(diǎn)。一般在水中添加食鹽或堿等方式，可提高水溶液在高溫區(qū)的冷卻能力。另一種常用的冷卻介質(zhì)就是礦物油（機(jī)油、變壓器油或柴油等），可通過不同配比混合使用，達(dá)到提升特性溫度來增加淬火油在高溫區(qū)的冷卻能力，從而減少材料變形。

3.3加強(qiáng)熱處理工藝中溫度環(huán)節(jié)的精確把控，可有效減低熱處理變形目標(biāo)的影響。熱處理工藝的特性來看，整個工藝其實(shí)就是一個溫度變化調(diào)整處理。熱處理主要利用加熱爐來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，爐內(nèi)溫度是熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的重要參數(shù)之一。溫度升高會使材料內(nèi)部均勻性下降，從而引起變形量的加大，由此看出，溫度均勻性可有助于減低材料變形量。通過不同方法和措施保證加熱爐內(nèi)材料各個部分均勻受熱，并按要求提升至指定溫度，使其達(dá)到滲碳要求，可以減小熱處理變形，從而減小變形散差。切實(shí)落實(shí)各工藝階段溫度的精確控制，細(xì)化金屬內(nèi)部晶粒的措施，改變晶粒排列，提高金屬材料的強(qiáng)度，從而減少變形。

3.4減少熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。熱處理過程中由于塑性變形產(chǎn)生殘留的應(yīng)力，因?yàn)椴荒芡耆?，會破壞金屬材料表面的保護(hù)膜，殘余應(yīng)力值越高表現(xiàn)出有害就越大，會降低試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，還會降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應(yīng)力會導(dǎo)致試樣在淬火時(shí)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣可能因而產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內(nèi)溫度溫差不能超過±20℃/小時(shí)，保溫時(shí)間不宜過長和過快，在熱處理升溫過程中要有緩慢升溫階段，也要有緩慢冷卻階段，這種方法是消除殘余應(yīng)力的有效方法。對此類有缺陷的試樣也可以在熱處理之前預(yù)先采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施。

4結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)的高速發(fā)展，離不開需要高質(zhì)量、高性能的材料，熱處理的運(yùn)用越來越廣泛，已經(jīng)不單單是一種材料處理手段，而是實(shí)現(xiàn)高性能、高經(jīng)濟(jì)工業(yè)企業(yè)所必須的科技。本文所述熱處理影響因素分析及部分措施介紹，只是冰山一角，還需企業(yè)投入更多精力與人力，研究解決該工藝實(shí)施工過程中的問題，針對不同的材料，全面考慮其應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)探析出更加全面的解決方案。

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