金屬材料熱加工裂紋與控制技術(shù)分析

唐偉

摘要：熱加工技術(shù)是現(xiàn)代常用金屬材料處理技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用價值較高，可實現(xiàn)對金屬材料的科學(xué)處理。為達到理想化金屬材料加工效果，本文將通過對金屬材料性能和熱加工技術(shù)間關(guān)系的分析，對常用金屬材料熱加工技術(shù)展開探討，進而通過對熱加工裂紋產(chǎn)生機理的解析，對金屬材料熱加工裂紋及其控制技術(shù)展開全面論述，旨在提升熱加工裂紋控制水平，保證金屬材料加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：熱加工技術(shù);材料耐久性;裂紋控制技術(shù);金屬材料;振動處理技術(shù)

0? 引言

作為工業(yè)生產(chǎn)主要材料，金屬材料加工質(zhì)量會直接影響到整體生產(chǎn)效果，是工業(yè)生產(chǎn)管控重點內(nèi)容之一。為進一步提升金屬材料加工質(zhì)量，降低熱加工裂紋問題影響程度，領(lǐng)域?qū)W者加大了對材料熱加工裂紋及其控制技術(shù)的研究力度。為獲得理想研究效果，學(xué)者在對加工裂紋以及控制技術(shù)展開研究之前，需要先明確金屬材料性能和熱加工技術(shù)間的關(guān)系，以為后續(xù)研究提供支持。

1? 金屬材料性能和熱加工技術(shù)間的關(guān)系

1.1 材料切割與熱加工預(yù)熱

在對金屬材料實施切割時，需要按照金屬材料自身所具有的各項特性，對切割工具展開選擇，以便獲得最佳切割效果。同時在進行切割時，由于施工現(xiàn)場相關(guān)環(huán)境會對金屬材料光澤以及變形等情況產(chǎn)生影響，所以需要做好熱加工工藝選擇，要按照具體情況科學(xué)展開預(yù)熱處理，以為后續(xù)材料切割順利開展奠定良好基礎(chǔ)[1]。合理的材料熱處理，可妥善解決切割環(huán)節(jié)刀具粘連問題，能夠達到切實提升切割精準度以及效率的目標，可切實強化金屬零部件質(zhì)量與性能。

1.2 材料耐久性與熱加工應(yīng)力

在長時間外力作用或腐蝕條件影響之下，金屬材料會因為熱加工應(yīng)力作用而出現(xiàn)開裂或腐蝕等問題，此時需要結(jié)合材料自身耐久性以及熱加工應(yīng)力等特征，對兩者間內(nèi)在聯(lián)系展開分析。在多數(shù)情況下，兩者之間關(guān)聯(lián)密切程度極高，想要徹底解決熱加工剩余應(yīng)力對于材料的負面影響，可通過提升材料耐久性以及質(zhì)量的方式達到相應(yīng)控制效果[2]。（圖1為熱加工應(yīng)力作用效果圖）

1.3 材料疲勞性與熱加工溫度

材料熱處理操作需要結(jié)合整體施工過程以及熱處理工藝等相關(guān)內(nèi)容，要通過綜合分析達到有效提高金屬產(chǎn)品性能以及質(zhì)量水平的目標。在經(jīng)過高溫處理后，如果可在短時間內(nèi)對其展開冷卻處理，可使材料承受應(yīng)力逼臨界值，此時材料很容易會出現(xiàn)斷裂問題，所以在實際操作時需要做好熱處理溫度把控，以防發(fā)生材料斷裂狀況。

2? 常用熱加工技術(shù)

2.1 振動處理技術(shù)

振動處理技術(shù)，即振動時效技術(shù)，會通過對振動器以及振動電源的運用，在金屬加工過程中對其施加一定頻率與方向的振幅的方式，對金屬內(nèi)應(yīng)力進行抵消，進而達到提升金屬材料穩(wěn)定性的目標，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料屈服強度的有效控制，材料加工變形量相對較低。該項技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)對金屬裂痕以及受熱彎曲問題的有效控制，能夠保證金屬大小不發(fā)生明顯改變[3]。同時在計算機控制技術(shù)支持下，振動處理技術(shù)應(yīng)用可達到對金屬振動過程各項參數(shù)實施有效控制的目標，能夠切實提高材料處理效果與效率，降低材料生產(chǎn)對于生態(tài)環(huán)境的影響，優(yōu)勢較為明顯，值得廣泛使用。

2.2 激光熱處理技術(shù)

該項技術(shù)穿透能力較強，可在表面堅硬材料處理中進行使用。熱處理加工效果以及金屬表面硬度強化效果較為理想。為達到精準應(yīng)用目標，在對該項技術(shù)進行使用過程中，需要通過對計算機以及相關(guān)設(shè)備的借助，對激光使用實施管控，以求達到精準使用目標[4]。因為受到計算機技術(shù)支持，該項技術(shù)應(yīng)用自動化水平呈現(xiàn)出了顯著提升的態(tài)勢。

2.3 熱處理CAD技術(shù)

CAD屬于先進型材料熱處理工藝，在具體進行技術(shù)應(yīng)用過程中，會通過對計算機技術(shù)的運用，對熱處理過程展開模擬，進而通過智能化手段完成相應(yīng)加工任務(wù)。在具體操作時，技術(shù)人員會通過對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的運用展開熱處理模型構(gòu)建，進而通過模擬獲得相應(yīng)結(jié)果，篩選出最佳處理方案，做好各項細節(jié)調(diào)節(jié)[5]。

2.4 薄層滲透技術(shù)

該項技術(shù)是將化學(xué)成分薄層滲透到金屬材料之中的一種熱加工技術(shù)，與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，此種技術(shù)在進行應(yīng)用時，并不需要滲透過深，便可以對金屬表面柔韌性以及硬度展開調(diào)整，技術(shù)應(yīng)用可實現(xiàn)對金屬表層形態(tài)的有效改變，能夠達到切實降低材料加工過程中的不必要浪費[6]。就目前技術(shù)應(yīng)用成效來看，該項技術(shù)應(yīng)用具有加工效果理想、生產(chǎn)方式簡單以及加工成本低廉等方面的優(yōu)勢，且節(jié)能減排效果較為理想，材料加工效率較高。

3? 熱加工裂紋產(chǎn)生機理

金屬材料熱加工主要包括熱處理、鑄造、鍛壓、焊接以及軋鋼五部分內(nèi)容。按照材料學(xué)以及傳統(tǒng)力學(xué)理論，裂紋屬于不可逆熱力學(xué)過程，在進行金屬材料損傷容限評估生產(chǎn)以及使用過程中，一般會假定斷裂是微裂紋發(fā)展必然趨勢[7]。但從另一層面而言，結(jié)構(gòu)與成分的不均質(zhì)問題，像含有微裂紋材料等，均會在熱力條件允許環(huán)境中，向均勻化方向進行發(fā)展，而這也是熱力學(xué)根本原理的直觀呈現(xiàn)。綜上所述，金屬材料熱加工裂紋產(chǎn)生機理可以理解為，是在擴散作用影響下，金屬原子宏觀、定向遷移，生成裂紋之后，降低系統(tǒng)化學(xué)自由焓的現(xiàn)象。

4? 熱加工裂紋和控制技術(shù)

為明確控制技術(shù)具體應(yīng)用方式，在此將以某公司圓鋼生產(chǎn)為例，通過對熱加工裂紋形成情況的分析，對裂紋控制方式展開詳細探究。

4.1 案例分析

某公司在進行圓鋼軋制生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了間歇式連續(xù)微裂紋。經(jīng)過綜合調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該批次產(chǎn)品裂紋發(fā)生概率極高，需要及時展開處理，以防對公司形象產(chǎn)生不利影響。鑒于此，公司決定運用金相分析以及顯微鏡等調(diào)查手段確定裂紋產(chǎn)生具體原因。在調(diào)查時，技術(shù)人員對圓鋼宏觀形貌、顯微組織、附近組織脫碳情況、鑄坯低倍形貌等展開了詳細調(diào)查與分析，確定了本批次產(chǎn)品缺陷問題形成主要原因。

4.2 裂紋影響因素

4.2.1 銅管倒錐度與結(jié)晶器冷卻

如果鋼管錐度超過標準數(shù)值，在進行鑄坯運動時，便會產(chǎn)生較大摩擦力，進而對表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時結(jié)晶器水量，也是對鑄坯初生坯殼形成影響的主要因素之一，需要做好相關(guān)控制。

4.2.2 二次冷卻強度

通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器是造成表面裂紋的重要原因，如果結(jié)晶器存在裂紋，且此時產(chǎn)品已經(jīng)處于二冷區(qū)環(huán)境中，此時若冷卻強度較大，且會因為鑄坯熱應(yīng)力影響，而加劇裂紋影響程度。

4.2.3 鑄坯矯直壓力與溫度

在張力作用影響下，在脆化溫度區(qū)中的鑄坯很容易會產(chǎn)生橫裂紋現(xiàn)象。此時如果二冷制度存在問題，在鋼脆性溫度區(qū)內(nèi)展開矯直處理時，也會產(chǎn)生不同程度的裂紋。在矯直力數(shù)值超過鑄坯應(yīng)變相應(yīng)數(shù)值時，便會出現(xiàn)矯直裂紋問題。

4.2.4 保護渣性能

保護渣性能問題主要體現(xiàn)在三個方面：①保護渣相對較高，在結(jié)晶器壁和鑄坯間的流入渣量相對較少，或存在液渣膜厚度不達標狀況，沒有達到良好的潤滑效果，導(dǎo)致出現(xiàn)振痕扭曲或混亂問題，造成皮下部分出現(xiàn)裂紋問題;②在進行鑄坯運動時，產(chǎn)生了一定量的摩擦力，導(dǎo)致凝固坯殼出現(xiàn)溫度不斷上升狀況，致使坯殼粘黏在結(jié)晶器壁之上，此時會在鑄坯表面生成細小裂紋;③如果保護渣導(dǎo)熱性能不達標，會在而冷卻階段產(chǎn)生不均勻問題，會形成一定量的拉應(yīng)力，進而對鑄坯形成影響，導(dǎo)致存在黏渣鑄坯處出現(xiàn)裂紋。

4.3 裂紋控制技術(shù)

鑒于裂紋影響因素分析結(jié)果，技術(shù)人員采用以下幾項手段對裂紋問題展開了控制：

①對銅管錐度以及結(jié)晶器水量展開調(diào)整。按照錐度以及水量問題分析結(jié)果，對錐度以及水量展開適當(dāng)調(diào)節(jié)。根據(jù)本次加工具體情況，技術(shù)人員將結(jié)晶器水量調(diào)整到了110t，降水溫差調(diào)節(jié)到了8至10攝氏度范圍內(nèi)，而在對銅管錐度問題進行處理時，將桶口上下口差調(diào)整到了1.2毫米。

②對二冷強度實施調(diào)控，在溫度達到1000攝氏度以上時，對矯直前溫度展開控制，保證其可以順利避開脆性溫度區(qū)，確保鑄坯表面溫度可以被控制在合理范圍之內(nèi)。

③降低拉胚速度，對振動參數(shù)實施優(yōu)化，確?？赏ㄟ^對振動頻率、拉速以及振幅的合理調(diào)整，實現(xiàn)對振痕深度的有效控制，以便達到切實降角部裂紋概率的目標。

④對結(jié)晶器保護渣實施優(yōu)化處理。由于本次加工圓鋼屬于高碳合金結(jié)構(gòu)鋼材料，材料內(nèi)部中合金元素相對較高，而結(jié)晶器內(nèi)彎月面位于鋼水之內(nèi)，水面漂浮著大量雜物，所以為避免出現(xiàn)雜物進入到鑄胚皮下或表面的狀況，需要增強保護渣性能，保證其吸收能力可以達到相應(yīng)標準要求，且具備良好的同化雜質(zhì)物的能力。同時，由于圓鋼之內(nèi)存在多種元素，在各種元素影響下，坯殼高溫塑性相對較低，如果此時結(jié)晶器下部傳熱均勻性無法達到預(yù)期要求或存在較大摩擦力阻礙，此時很容易會在鑄坯皮下出現(xiàn)裂紋，或可能會因為二次冷卻操作不當(dāng)，而造成裂紋發(fā)展速度加劇的狀況，此時需要對熔渣展開科學(xué)選擇，應(yīng)通過保證熔渣組分多樣性的方式，利用熔渣堿度以及較強吸附能力，對雜質(zhì)物實施吸附。

5? 結(jié)束語

通過本文對金屬材料以及材料熱加工處理相關(guān)內(nèi)容的論述，使我們對熱加工裂紋產(chǎn)生機理以及具體控制方式有了更加清晰的認知。各生產(chǎn)企業(yè)需要明確認識到產(chǎn)品裂紋對于產(chǎn)品生產(chǎn)與使用所產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)加大對熱加工及熱加工裂紋問題的研究力度。需要在明確金屬材料基本情況的基礎(chǔ)上，通過對熱加工處理技術(shù)以及裂紋產(chǎn)生機理具體情況的分析，有針對性展開裂紋控制方案編制，從而通過合理手段實現(xiàn)對裂紋問題的有效控制，確保問題影響程度可以被控制在最低，進而獲得最佳金屬加工產(chǎn)品，為企業(yè)帶來更高的利潤。

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