金屬材料熱處理變形的影響因素與控制

趙敏

摘要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)生重要的影響?；诖?，主要從金屬材料熱處理變形的影響因素入手，提出了相應(yīng)的改進措施。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;影響因素;控制

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(chǎn)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(chǎn)生至關(guān)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(nèi)。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(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，提高行業(yè)核心競爭力。

一、金屬材料熱處理過程中變形的種類

金屬合金在熱加工過程中發(fā)生形變是不可避免的，在多數(shù)的加工工藝過程中，會產(chǎn)生兩種類型的形變。一種是比容形變，這種形變和金屬材料中碳元素和一些微量的金屬元素有關(guān)，通過研究人員的探究發(fā)現(xiàn)，金屬合金材料的比容形變是普遍存在的，和鐵素體、游離碳和比容變化的差有不可分割的關(guān)聯(lián)。金屬合金材料的比容形變具有各向同性，也就是說在一塊均質(zhì)的金屬內(nèi)部，在進行熱加工的過程中，金屬材料向不同方向上發(fā)生著相同的形變。發(fā)生比容形變后的合金會發(fā)生尺寸大小的明顯變化;另一種金屬材料熱處理過程中的變形是內(nèi)應(yīng)力塑性形變，這種形變產(chǎn)生的原因是金屬塊的溫度不均勻?qū)е碌?，具體來說就是在熱加工過程中金屬塊的不同位置溫度不均勻，導(dǎo)致不同部位的冷卻速度也不同，因此隨著溫度的下降，金屬的不同位置發(fā)生著不盡相同的熱脹冷縮相應(yīng)，這種原因產(chǎn)生的不良形變就是熱應(yīng)力塑性形變。

二、熱處理過程中影響金屬材料變形的因素

1.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(shù)。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(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，其也是影響變形的關(guān)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(jié)構(gòu)在熱處理過程中受到了損壞。

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，由于受熱不均會導(dǎo)致金屬材料的變形。一般情況下，金屬的熱加工要先進行加熱，然后處于一段時間的保溫期，之后在進行熱加工。然而在加熱和保溫時，材料的內(nèi)外以及不同的位置會產(chǎn)生溫度的差別，這就導(dǎo)致了不同位置狀態(tài)的不同，當?shù)蜏靥庍€是硬的狀態(tài)時，高溫處已經(jīng)變軟，這種應(yīng)力的不同就會使材料產(chǎn)生不良的變形。

3.淬火的影響

金屬材料加工的過程中，淬火是一個必不可少的操作。淬火可以使材料的性質(zhì)發(fā)生改變，是材料的硬度變高，抗腐蝕性能變強等。在淬火的過程中一定要選擇合適的淬火介質(zhì)，可以控制金屬材料的形變程度，這對提升加工品質(zhì)是至關(guān)重要的。

4.預(yù)處理

在對金屬材料進行熱處理之前，為了徹底消除應(yīng)力，一般都需要進行預(yù)處理。通常情況下，預(yù)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(dǎo)致加熱爐內(nèi)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。

三、金屬材料熱處理變形應(yīng)對措施

1.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(nèi)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(nèi)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(yù)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(dǎo)致內(nèi)應(yīng)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.減少熱處理過程中的殘余應(yīng)力

由于殘余應(yīng)力對工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響，故應(yīng)加大研究力度，減少金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。實現(xiàn)方法：（1）根據(jù)金屬材料的不同性質(zhì)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)采用焊接、高溫塑變等方式對金屬材料進行修復(fù)，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。

3.合理淬火

在金屬材料熱處理工藝中，淬火是核心內(nèi)容，會對變形產(chǎn)生直接影響。在實際熱處理流程中，要高度重視工藝技術(shù)創(chuàng)新，降低淬火失誤率。一旦淬火介質(zhì)不合理，極易導(dǎo)致金屬材料內(nèi)應(yīng)力失衡嚴重，最終造成變形問題。就淬火介質(zhì)來看，主要包括水和油，因此必須要重視溫度控制，以降低熱處理變形幾率。一般情況下，將水溫控制在55℃-65℃之間，油溫控制在60℃-80℃之間，保證淬火速度合理，改善冷卻效果，確保金屬材料熱處理變形量得到明顯減少。

4.改進冷卻工藝

不同的淬火方式需要不同的冷卻方式。在金屬材料熱處理淬火過程中，使用較多的是單介質(zhì)淬火和雙介質(zhì)淬火，分級淬火等方式。以雙介質(zhì)淬火為例進行說明，金屬材料使用雙介質(zhì)淬火方式進行淬火冷卻，冷卻過程分兩個階段進行。首先，將淬火后的金屬部件放入快速冷卻介質(zhì)中冷卻，這時金屬部件溫度快速下降到300℃，而后經(jīng)過短時間的保溫階段，將淬火后的金屬部件放入慢速度冷卻介質(zhì)中冷卻，實現(xiàn)金屬材料的兩次冷卻。兩次冷卻過程因冷卻速度的差別所選用的冷卻介質(zhì)也會不同。冷卻工藝中，對熱變形影響最大的部分是快速冷卻，因為快速冷卻會提高金屬內(nèi)的拉力。

5.有效加工

在金屬材料熱處理過程中，機械加工環(huán)節(jié)需要保證余量存留的合理化，為金屬材料變形量提供充足保證，淬火合格率也能夠得到明顯提升。由于夾裝工具不同會對金屬材料形狀產(chǎn)生影響，因此在金屬材料熱處理操作過程中，要明確加工零件的要求及特點等情況，對夾裝方式進行合理化選擇，降低熱應(yīng)力不均衡而造成變形的幾率。若金屬材料加工過程中需要采取熱處理措施，則需要保證金屬材料具備形變的條件。要對金屬材料變形規(guī)律形成正確認識，保證淬火變形合格率，切實提升金屬材料質(zhì)量，依據(jù)加工工件技術(shù)要求來衡量金屬材料變形值，確保變形處于合理范圍內(nèi)。

結(jié)束語

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(yīng)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(shù)，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(yīng)力對材料變形造成的影響，保證熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。

參考文獻

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