淺析金屬材料熱處理變形的影響因素及對策

摘要：隨著我國經濟的快速發(fā)展，工業(yè)生產能力迅速提高，對機械精度和性能的要求越來越高。在實際工件制造過程中金屬熱處理工藝必不可少，其在改善材料各種性能的同時，不可避免地會出現(xiàn)熱處理變形問題，會對金屬工件的強度、精度、傳輸功率、振動、使用壽命等方面產生重要的影響?；诖耍饕獜慕饘俨牧蠠崽幚碜冃蔚挠绊懸蛩厝胧?，提出了相應的改進措施。

關鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;影響因素;應對措施

0 引言

熱處理工藝是使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的重要手段，但在處理過程中金屬材料不可避免地會產生或多或少的變形，而變形則會對機械加工的后續(xù)工作產生至關重要的影響。目前要達到完全不變形是不可能實現(xiàn)的，但要盡量將變形量控制在允許的范圍內。本文主要針對金屬材料熱處理變形的影響因素進行分析探討，并提出有針對性的改進措施，旨在更好地促進金屬材料加工領域的可持續(xù)發(fā)展，提高行業(yè)核心競爭力。

1 金屬材料熱處理變形的影響因素

隨著我國工業(yè)生產能力快速提升，金屬材料在整體應用范圍上不斷擴大，對不同種類的金屬構件進行合理加工已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。金屬材料熱處理變形的表現(xiàn)形式多種多樣，在進行熱處理的過程中，工件出現(xiàn)變形的概率非常大，影響了材料的整體加工質量。下面筆者將從預處理、溫度的測量與控制、冷卻方法、淬火介質、殘余應力5個方面進行探討分析。

1.1? ? 預處理

在對金屬材料進行熱處理之前，為了徹底消除應力，一般都需要進行預處理。通常情況下，預處理采用的都是正火處理方式，受場地的限制，正火工藝的冷卻過程多為堆疊冷卻，由此容易導致加熱爐內的金屬材料冷卻不均勻，進而造成組織不均，當對金屬材料進行熱處理時，變形則會不一致。除此之外，正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏組織等都會進一步增大熱處理變形的可能性。

1.2? ? 溫度的測量與控制

溫度是熱處理工藝規(guī)范中非常重要的工藝參數。若溫度測量不準確，熱處理工藝規(guī)范就得不到有效執(zhí)行。溫度的測量與控制對于保證產品的質量至關重要，其也是影響變形的關鍵因素。目前，我國針對金屬材料熱處理工藝的溫度控制與檢測能力還較為薄弱，無法準確地控制材料熱處理過程中溫度檢測的精度，因而造成了金屬材料結構在熱處理過程中受到了損壞。此外，金屬材料本身各個部分的比容存在一定的差異，因此一旦在熱處理過程中，沒有科學合理地控制好溫度，就會導致比容變形的出現(xiàn)，增加金屬材料熱處理過程中出現(xiàn)變形的概率。

1.3? ? 冷卻方法

金屬材料熱處理過程分為退火、正火、淬火、回火4個步驟。金屬淬火后冷卻過程會對變形產生一定的影響，是導致金屬變形的重要因素之一。在此過程中，冷卻技術至關重要。如果冷卻方法選擇不當，容易發(fā)生金屬材料冷卻不均勻問題，不利于金屬材料產生拉伸應力，對其性能的改善將會產生較大的不利影響。

1.4? ? 淬火介質

熱處理工藝中淬火介質的選擇與金屬材料的變形有著密不可分的關系。經過實際的操作發(fā)現(xiàn)，淬火介質的質量及其攪拌方式、攪拌速度等都會對金屬材料的變形造成影響。

1.5? ? 殘余應力

機械加工過程中會對工件產生一定的擠壓、切割等作用，這些作用會改變金屬離子的位置和狀態(tài)，離子之間發(fā)生相互作用，從而在金屬內部產生應力，這些應力在加工完成之后還不能完全釋放出來，就形成了殘余應力。其對工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響。殘余應力的存在，降低了材料的力學性能，縮短了其使用壽命。

2 金屬材料熱處理變形應對措施

2.1? ? 進行必要的預先熱處理

在熱處理前，要對形狀比較復雜、要求比較高的工件進行必要的預先熱處理，這樣可以消除一些網狀碳化物和粗大晶粒。通過實踐可知，在預處理的正火處理方式中使用等溫淬火能夠保證金屬組織結構的均勻性，減少金屬變形情況的發(fā)生。

2.2? ? 控制熱處理溫度

在金屬熱處理過程中，由于溫度對金屬材料變形有著重要影響，所以必須加強對爐內溫度的精確控制，以滿足熱處理工藝的需要。具體方法：（1）提高爐內溫度均勻性，特別是保證工件加熱階段的溫度均勻性，有助于減小變形。（2）確保不同部位的零件以相同的速度升溫，也能有效控制變形。（3）在加熱前先進行預熱，減少因升溫過快而引起的溫度分布不均勻，從而避免由此造成的變形。（4）在溫度超過Ac3后，溫度升高而導致內應力加大，增加了變形的可能性，此時降低工藝溫度，縮短熱處理時間，都會減少變形量。

2.3? ? 運用合理的冷卻方法

在金屬熱處理過程中，冷卻方法選擇不當易引起金屬變形。如果金屬熱處理冷卻速度較快且不均勻，那么處理過程中產生的應力就越大，模具的變形也就更大。因此必須選擇合理的冷卻方法以減少工件變形。主要方法：（1）對金屬材料的尺寸大小進行考量，分析相關工藝參數，選擇最適宜的冷卻處理方法。（2）現(xiàn)階段金屬材料熱處理的冷卻方法包含了雙液淬火、單液淬火等多種方式，根據不同的熱處理要求，科學選擇淬火冷卻方法，可以提升冷卻工作的質量與水平。（3）在保證模具硬度要求的前提下，采用預冷和分級冷卻，是減少一些形狀較復雜工件變形的有效方法。

2.4? ? 科學應用淬火工藝

淬火工藝是金屬材料熱處理工藝流程中最核心的工序，具有極為重要的作用。如果淬火介質使用不當，就會造成金屬材料內部應力的變化失調，最終影響整個材料的結構和形狀。故在熱處理過程中，應盡可能減少失誤，這就要求相關工作人員必須深入探究節(jié)能高效、綠色環(huán)保的高性能淬火工藝，并加以科學運用。主要方法：（1）在淬火冷卻的過程中，必須科學合理地調節(jié)冷卻的速度，才能降低材料變形的可能性。（2）采用合適的介質。水和油是較為常用的淬火介質。通常情況下，水溫應該控制在55～65 ℃，而油溫一般控制在60～80 ℃，同時需提高淬火的速度，以確保最終的冷卻效果。研究表明，在同樣的條件下，水性介質比油性介質的冷卻速度要快一些，水溫變化對水性介質冷卻特性的影響較大，油性介質相對水性介質淬火后的變形量要相對小，故從長期穩(wěn)定性方面考慮，應使用油性介質。

2.5? ? 減少熱處理過程中的殘余應力

由于殘余應力對工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響，故應加大研究力度，減少金屬材料熱處理過程中產生的殘余應力。實現(xiàn)方法：（1）根據金屬材料的不同性質，在其中添加一定比例的合金元素，不僅能夠使金屬材料的抗應力性能得到優(yōu)化，還能延長金屬材料的使用壽命，使其更好地適應熱處理工藝的要求。（2）金屬材料熱處理前，需對金屬材料本體缺陷進行處理，加大檢測力度，如存在表面粗糙、劃傷、裂紋等不利因素，應采用焊接、高溫塑變等方式對金屬材料進行修復，防止其在淬火過程中因熱脹冷縮的作用力而引起變形或開裂，為后續(xù)的金屬材料熱處理提供保障。

2.6? ? 采用合理的裝夾方式

在加熱、冷卻過程中裝夾方式的不同，加工件形狀受到的影響也就不同。采用合理的裝夾方式不僅能夠讓工件均勻受熱，還能減少因熱應力分布不均和組織應力分布不均造成的工件變形。在裝夾的過程中，可以根據實際情況改變裝夾的方式，通過補償墊圈、疊加墊圈等實現(xiàn)裝夾方式的合理化。

3 結語

綜上所述，金屬材料熱處理變形受多種因素影響，每種因素變化都會或多或少地影響其變形度。因此，在選擇熱處理變形的控制方法時應具體問題具體分析，因地制宜，因時制宜，通過改進熱處理工藝技術，采用科學合理的方式，才能確保在整個熱處理過程中有效地控制應力對材料變形造成的影響，保證熱處理產品的質量和合格率。

[參考文獻]

[1] 李洪彬，郭鵬，劉爽慶.影響金屬材料熱處理變形的因素及減小措施分析[J].工程技術研究，2017（2）：126.

[2] 張斌華.淺談溫度對熱處理工藝的影響[J].民營科技，2011（10）：35.

[3] 趙梅春，孫志輝.金屬材料熱處理變形及開裂問題研究[J].世界有色金屬，2019（15）：148.

收稿日期：2020-03-06

作者簡介：呂鐵錚（1962—），男，浙江新昌人，機械高級工程師，研究方向：機械材料與制造。