金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略

朱慶賀

沈陽市金鋼鍛造研究所 遼寧沈陽 110045

在機(jī)械制造等行業(yè)中對金屬材料進(jìn)行熱處理是一種較為重要的工藝，熱處理與其他加工工藝不同，其過程不改變材料的外部形狀，除了材料表面可能發(fā)生局部化學(xué)成分改變以外，材料本體的化學(xué)成分一般不變，熱處理通過改變材料內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)，使材料獲得更優(yōu)的使用性能。

1 金屬材料熱處理變形的影響因素

1.1 冷處理過程的影響

在金屬加工過程中應(yīng)用熱處理時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)低溫回火，還有就是時(shí)效性的，這兩種情況的產(chǎn)生都會(huì)造成金屬材料的變形，對金屬加工產(chǎn)生不利的影響因素。時(shí)效性的發(fā)生和低溫回火的存在會(huì)是金屬合金材料發(fā)生碳的析出和馬氏體的分解。在后續(xù)的加工過程中，如在淬火時(shí)，金屬中的奧氏體轉(zhuǎn)換成馬氏體，導(dǎo)致金屬的變形和體積形變，對材料的質(zhì)量和制造的設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不良的影響。

1.2 應(yīng)力的影響

金屬材料都具有特定的密度，在熱加工的過程中，由于受熱不均會(huì)導(dǎo)致金屬材料的變形。一般情況下，金屬的熱加工要先進(jìn)行加熱，然后處于一段時(shí)間的保溫期，之后在進(jìn)行熱加工。然而在加熱和保溫時(shí)，材料的內(nèi)外以及不同的位置會(huì)產(chǎn)生溫度的差別，這就導(dǎo)致了不同位置狀態(tài)的不同，當(dāng)?shù)蜏靥庍€是硬的狀態(tài)時(shí)，高溫處已經(jīng)變軟，這種應(yīng)力的不同就會(huì)使材料產(chǎn)生不良的變形[1]。

1.3 原始組織影響

金屬熱處理過程中受到合金元素纖維方向和碳化物形狀等的影響，金屬材料會(huì)在淬火時(shí)產(chǎn)生一定的影響。這些就是原始組織的影響，在現(xiàn)代的熱處理過程中一般都加入了化學(xué)方法，在化學(xué)方法處理后，金屬材料的原始組織會(huì)變得更加的有規(guī)律。因此，就會(huì)使熱變形的程度變小并且使金屬表面的耐磨性等性質(zhì)得到提高。

2 金屬材料熱處理變形的控制策略

2.1 在金屬材料熱處理過程中選用合適的冷卻介質(zhì)

水是常見的淬火介質(zhì)之一，其優(yōu)點(diǎn)是冷卻能力較強(qiáng)、成本低、成分穩(wěn)定、不易變質(zhì)，但水作為淬火介質(zhì)其缺點(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)將使零部件產(chǎn)生變形或開裂。

為了克服水作為淬火介質(zhì)的缺點(diǎn)，通常采取在水中添加食鹽或堿等方式，當(dāng)高溫零部件浸入水溶液后，在蒸汽膜階段所析出的食鹽或堿的晶體產(chǎn)生爆裂，從而達(dá)到破壞蒸汽膜的作用，同時(shí)也起到了破壞零部件表層的氧化皮的作用，水溶液在高溫區(qū)的冷卻能力同水相比有較大幅度提升。為了控制水溶液對金屬的腐蝕性，通常將溶液濃度控制在10%-15% 之間，并且在淬火后對零部件進(jìn)行清洗和防銹處理[2]。

礦物油也是較為常用的冷卻介質(zhì)，如機(jī)油、變壓器油或柴油等，也可以將不同類型和黏度的礦物油按配比混合使用，進(jìn)一步通過提升特性溫度來增加淬火油在高溫區(qū)的冷卻能力。通過選擇合適的冷卻介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對金屬材料較高的淬透性和淬硬性，同時(shí)避免零部件產(chǎn)生較大變形。

2.2 在金屬材料熱處理過程中提高對溫度控制的精確度

各種金屬材料在常溫常壓下外形具有不同的尺寸穩(wěn)定性，微觀裂紋數(shù)量也有較大區(qū)別，其表現(xiàn)出的外部特征是由金屬材料性質(zhì)決定的，如果材料具有易產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在性質(zhì)，則在外力的長期作用下，材料就會(huì)表現(xiàn)出易斷裂的特性。金屬材料的斷裂特性與材料的強(qiáng)度相關(guān)，材料的強(qiáng)度越高，金屬零部件在實(shí)際工況中越抗斷裂，而材料的強(qiáng)度與其內(nèi)在的金屬晶體排列相關(guān)，晶體錯(cuò)位越少則金屬強(qiáng)度越大，所以，在熱處理工藝的設(shè)計(jì)方面需要精確控制各工藝階段的溫度，通過采取細(xì)化金屬內(nèi)部晶粒的措施改變晶粒排列，進(jìn)一步提高金屬材料的強(qiáng)度。

2.3 做好淬火處理工藝

做好淬火處理工藝。淬火環(huán)節(jié)中，溫度、介質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)的選擇都于金屬材料內(nèi)部應(yīng)力存在密切關(guān)聯(lián)性，若選擇不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部變形、開裂問題的產(chǎn)生。因此。從淬火速度的控制上來說，需要充分結(jié)合淬火介質(zhì)進(jìn)行選擇，以確保冷卻均勻，預(yù)防變形開裂。目前技術(shù)條件支持下，金屬材料熱處理中最常用淬火介質(zhì)為水油介質(zhì)，當(dāng)溫度在550-650℃區(qū)間內(nèi)時(shí)，其對應(yīng)冷卻速度約為600℃/s，即便溫度下降至200℃左右，其冷卻速度仍然可達(dá)到270℃/s 以上。這一過程當(dāng)中，金屬材料馬氏體轉(zhuǎn)化正在進(jìn)行，若速度過快則可能導(dǎo)致開裂。

2.4 合理加工

金屬材料熱處理技術(shù)應(yīng)用過程中，離不開機(jī)械設(shè)備的使用。運(yùn)用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工時(shí)，要將金屬材料熱變形量考慮在內(nèi)，從而對金屬材料進(jìn)行合理加工并有效增加淬火后的合格品數(shù)。在加工金屬材料過程中，需要對金屬材料的加工需要和金屬本身特點(diǎn)進(jìn)行充分的了解，從而選用機(jī)械夾裝的方式。工作人員要正確認(rèn)識到各種金屬材料的形變規(guī)律，運(yùn)用相應(yīng)的熱處理措施，保障金屬材料熱處理的正確實(shí)施[3]。通過對金屬材料熱處理變形值的估量，從而降低金屬材料的熱處理變形。

3 結(jié)語

綜上所述，本文分析了熱處理過程中影響金屬材料變形的因素和改進(jìn)措施，面對該問題，技術(shù)人員需要分析出金屬材料加工時(shí)，通過熱處理所出現(xiàn)的問題，其中材料變形問題是重點(diǎn)，分析影響金屬材料變形問題的因素，針對其中的影響因素收集加工時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析提出解決措施。時(shí)代在進(jìn)步，金屬材料的加工工藝也需要改進(jìn)，希望通過本文的解決措施可以為熱處理時(shí)出現(xiàn)的金屬材料變形問題提供建議。