金屬材料熱處理變形的影響因素和控制策略分析

楊巧云

采埃孚（天津）風(fēng)電有限公司 天津 300402

1 金屬材料熱處理變形的影響因素

1.1 原始組織和應(yīng)力狀態(tài)

在金屬材料熱處理的過程中，受金屬材料自身的密度影響，會(huì)使金屬材料本身由于受熱不均而出現(xiàn)變形[1]。在金屬材料的熱處理過程中，由于加熱和冷卻均無法實(shí)現(xiàn)金屬材料表層和中心部位的完全同步，熱傳導(dǎo)速度導(dǎo)致了金屬材料不同位置具有一定的溫度差，金屬材料不同位置間因溫度不同所產(chǎn)生的體積膨脹和收縮也不同，產(chǎn)生了熱應(yīng)力。當(dāng)金屬材料在冷卻過程中，表層溫度低于中心部位，冷卻前期在熱應(yīng)力的作用下，表層的收縮大于中心部位，使金屬材料表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，中心部位產(chǎn)生壓應(yīng)力。在冷卻中期熱應(yīng)力進(jìn)一步增加，導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生塑性變形。在冷卻后期表層的冷卻速度慢于中心部位的速度，中心部位的收縮降低了一部分前期產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)冷卻完全結(jié)束時(shí)，金屬材料表層殘留的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，而金屬材料中心部位殘留的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力。

1.2 淬火介質(zhì)

在對金屬材料實(shí)行熱處理的過程中，淬火介質(zhì)對于金屬變形的影響是較大的，所以需要操作人員依照不同的金屬材料和施工場地合理科學(xué)的選擇淬火介質(zhì)，優(yōu)質(zhì)的淬火介質(zhì)能夠有效控制金屬材料的變形。

1.3 預(yù)處理方式的影響

在金屬材料的熱處理過程中，高性能產(chǎn)品或者高碳高合金鋼，不能通過一次熱處理達(dá)到使用要求，需要對材料進(jìn)行預(yù)處理，能夠改善零件的加工性能，使材料組織均勻化，有效的消除應(yīng)力，對于大工件及大批量件由于受到場地的約束，在正火時(shí)，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)堆冷情況，會(huì)導(dǎo)致金屬材料的表面受熱不均而出現(xiàn)變形的情況。

2 金屬材料熱處理主要工藝

對零部件的表面進(jìn)行熱處理的工藝，必須精確控制對零部件的加熱過程，對零部件的表層進(jìn)行加熱的同時(shí)，不能使過多的熱量傳導(dǎo)至零部件內(nèi)部，通常采取的措施是選用具有高能量密度的熱源，對零部件整體熱處理的工藝，是對其整體進(jìn)行加熱，將金屬零部件放置在專用加熱裝置中，當(dāng)零部件達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，再按工藝要求的速度進(jìn)行冷卻，以達(dá)到改變零部件整體各項(xiàng)性能的目的。

對鋼鐵材料的整體熱處理有四種基本工藝，分別是退火、正火、淬火和回火處理。退火是將金屬零部件進(jìn)行加熱，當(dāng)零部件達(dá)到合適的溫度時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間需根據(jù)金屬材料和零部件外形尺寸設(shè)定，保溫結(jié)束后再對零部件進(jìn)行緩慢的冷卻，慢速冷卻的目的是盡可能使金屬內(nèi)部組織達(dá)到平衡狀態(tài)，通過內(nèi)部組織的再平衡也可以達(dá)到釋放前工序內(nèi)部應(yīng)力的作用，使金屬零部件工藝性能和使用性能得以提升。正火的過程與退火較為相似，當(dāng)零部件達(dá)到合適的溫度時(shí)，將零部件放置到空氣中自然冷卻。同退火相比正火后組織更細(xì)，金屬材料的切削性能有較大提升，在對零部件要求不高的場合，正火也可以作為一種最終的熱處理方式。淬火的目的是使零部件硬度增強(qiáng)，首先將零部件加熱，經(jīng)保溫后將零部件投入液體介質(zhì)中使其快速冷卻，常用的淬火液體有水、無機(jī)鹽溶液或油等，經(jīng)淬火的零部件在硬度增加的同時(shí)脆性也增加?；鼗鹗谴慊鸬暮蠊ば?，在某些時(shí)候?yàn)榱私档土悴考?jīng)淬火后的脆性，會(huì)采取回火工藝，即將零部件在650℃以下且高于室溫的環(huán)境下，進(jìn)行較長時(shí)間的恒溫保溫過程，然后再將零部件冷卻。

3 金屬材料熱處理變形的控制策略

3.1 科學(xué)淬火

對于金屬材料熱處理技術(shù)的使用而言，淬火是其中相對重要的環(huán)節(jié)，能夠直接作用于金屬材料本身的質(zhì)量。每種淬火技術(shù)都涵蓋了一種冷卻技術(shù)，對于單介質(zhì)淬火技術(shù)的冷卻處理技術(shù)使用方便，能夠借助一定的機(jī)械設(shè)備完成。技術(shù)人員需要特別控制淬火速度，控制不得當(dāng)很容易使金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的情況。對于雙介質(zhì)淬火而言，需要依照淬火介質(zhì)的特征實(shí)行快速冷卻，具體的流程如下：把淬火設(shè)施的溫度快速下降到300攝氏度，在保溫技術(shù)的協(xié)助下，在2分鐘之后把金屬材料放到適當(dāng)溫度的冷卻介質(zhì)中。常見的淬火介質(zhì)有水和油，在實(shí)際淬火的過程中，技術(shù)人員就需要科學(xué)的控制溫度，高度整合水的溫度以及油的溫度，對于低碳素鋼等淬透能力一般的材料，在水溫達(dá)到55℃～65℃之間，油溫達(dá)到60℃～80℃之間，才能夠保障金屬材料均勻冷卻，對于合金鋼等高淬透能力的材料，水溫可以提高10-20℃達(dá)到80℃，油溫可適當(dāng)提高10℃達(dá)到90℃左右，針對不同材料選擇不同的淬火冷卻介質(zhì)，為得到組織均勻尺寸穩(wěn)定的材料給提供重要的前提保障，提高金屬材料的質(zhì)量，強(qiáng)化金屬材料的性能[2]。技術(shù)人員在對金屬材料進(jìn)行冷卻的過程中，根據(jù)金屬材料尺寸和種類的不同，選擇不同的冷卻方式。

3.2 做好預(yù)處理

預(yù)處理一般包括正火與退火。熱處理的正火與退火對金屬材料的組織和切削性能有很大影響。在正火過程中，由于溫差相對較大，會(huì)使金屬內(nèi)部變形明顯增加，對此，在熱處理開始前，需做好溫度控制。通過實(shí)踐，完成正火處理以后，可采用等溫淬火這一方法來保證金屬內(nèi)部達(dá)到均勻，實(shí)現(xiàn)對變形的有效控制。另外，為保證預(yù)處理達(dá)到良好效果，根據(jù)材料結(jié)構(gòu)特征，科學(xué)合理的選取退火工藝，通過對溫度梯度控制實(shí)現(xiàn)金屬材料在熱處理過程中變形的有效控制，實(shí)現(xiàn)對處置質(zhì)量及水平的有效改善[3]。

4 結(jié)語

金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用較為常見，對熱處理變形進(jìn)行有效控制，能夠提高材料利用率，保證尺寸穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最終性能優(yōu)化提升，滿足多樣化應(yīng)用需求，對于金屬加工制造行業(yè)的發(fā)展也具有重要意義。