金屬材料熱處理變形的影響因素分析及控制措施探究

李 明

（河鋼邯鋼技術(shù)中心長(zhǎng)材作業(yè)區(qū)，河北 邯鄲 056015）

1 金屬熱處理工藝概念介紹

金屬材料熱處理是一種重要手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一定的熱處理可以除去在高溫狀態(tài)下進(jìn)行加工對(duì)產(chǎn)品造成的缺陷問題，能夠促進(jìn)內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)變化，改善材料性能,同時(shí)還能夠消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象、降低殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力，使得組織結(jié)構(gòu)和性能更加均勻，而不恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚瑫?huì)造成人力、物力的浪費(fèi)。1863年時(shí)，英國(guó)鋼的內(nèi)部組織在加熱和溫度降低時(shí)會(huì)發(fā)生變化，鋼中的高溫相在淬火時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蚕?，英?guó)專家發(fā)現(xiàn)鋼鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的冷熱變化而變化，證實(shí)鋼鐵在淬火過程中會(huì)變得越來越堅(jiān)硬。漸漸人們也發(fā)現(xiàn)在對(duì)鋼鐵等進(jìn)行熱處理過程中，還能夠?qū)ζ湫纬杀Ｗo(hù)作用，避免被跟氧化合而致使鋼的含碳量減少。20世紀(jì)60年代，熱處理技術(shù)利用等離子體場(chǎng)效應(yīng)發(fā)展了離子氮碳共滲和低溫滲氮處理。發(fā)展至今，熱處理工藝多種多樣，常被應(yīng)用的熱處理工藝有加熱到一定溫度并持續(xù)一定時(shí)間后緩慢溫度降低、加熱到一定溫度后放在水或油或空氣中迅速溫度降低和表面加熱溫度降低改變表層力學(xué)性能等。對(duì)于熱處理的概念不能一概而論，它包含著詳細(xì)的分類。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理（熱處理一般可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：一是淬火環(huán)節(jié)，主要是利用冷卻水對(duì)軋制后的高溫鋼材進(jìn)行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強(qiáng)度與硬度的馬氏體結(jié)構(gòu)；第二環(huán)節(jié)是回火，經(jīng)過淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內(nèi)部溫度，此時(shí)鋼材內(nèi)部的熱量就會(huì)向外部傳遞，繼而使表面溫度升高。由于其溫升熱量來自于鋼材內(nèi)部，因而也被稱為自回火；第三是冷卻環(huán)節(jié)，經(jīng)過自回火后加工，其表面與內(nèi)部溫度逐漸趨于一致，內(nèi)部的奧氏體經(jīng)過等溫相變，獲得最終的金相組織。金屬熱處理常用的處理方法包括三種：表面熱處理、局部熱處理和化學(xué)熱處理。其中表面熱處理包含激光和感應(yīng)加熱熱處理以及火焰淬火；而日常所說的滲碳、滲氮、滲金屬、復(fù)合滲等則屬于化學(xué)熱處理。

2 金屬熱處理變形的影響因素及原因分析

金屬材料熱處理變形的影響因素：實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，熱處理形式繁多，但由于熱處理主要依靠溫度實(shí)現(xiàn)工藝目的，所以通俗點(diǎn)說就是一個(gè)熱作用過程，結(jié)合熱處理工藝特點(diǎn)來看基本都是通過加熱速率，加熱溫度，再經(jīng)過保溫時(shí)間控制，最后在冷卻的速度和時(shí)間周期等影響下達(dá)到工藝處理目的。由此看出造成變形的最直接的因素就是溫度。溫度變化引起深層次的調(diào)整就是金屬材料中殘存奧氏體與馬氏體之間的轉(zhuǎn)變以及熱處理過程中時(shí)效的把握。①原始組織與應(yīng)力狀態(tài)：在淬火之前，由于碳化物數(shù)量、形態(tài)不同以及合金元素纖維方向變化等關(guān)聯(lián)原始組織會(huì)直接影響金屬材料。調(diào)質(zhì)處理后，通過改善材料內(nèi)部變形規(guī)律性，從而減少熱處理的變形幅度，以此達(dá)到熱處理變形控制的目的。除此之外，化學(xué)熱處理方式也是引起材料原始組織與應(yīng)力狀態(tài)變化的原因之一。②時(shí)效與冷處理：時(shí)效處理的概念是指材料經(jīng)特定處理、塑性變形或鑄造后，在高溫或常溫下放置，其性能、形狀、尺寸隨時(shí)間而變化的熱處理工藝。主要包括三種處理方法：人工時(shí)效處理、自然時(shí)效處理和振動(dòng)時(shí)效。其中前兩種主要依靠溫度變化：高溫后冷處理方式不同達(dá)到材料處理目的，而振動(dòng)時(shí)效則是利用一定頻率的振動(dòng)達(dá)到消除材料內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力的目的。歸根結(jié)底，就是為了成功分解馬氏體，并使其中碳化物得以析出，從而達(dá)到材料體積變化的目的。

3 金屬材料熱處理工藝中材料變形的種類

在生產(chǎn)實(shí)際中，熱處理變形的表現(xiàn)形式多種多樣，有體積和尺寸的增大和收縮變形，也有彎曲、歪扭、翹曲等變形，就其根源來說，可分為內(nèi)應(yīng)力造成的應(yīng)力塑性變形和比容變化引起的體積變形兩大類：①內(nèi)應(yīng)力變形是指材料由于經(jīng)過不同原因?qū)е聝?nèi)部宏觀及微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的。熱處理過程中的溫度變化，造成材料內(nèi)部機(jī)構(gòu)受影響的不均勻，從而引起相變的不等時(shí)性，這所有過程中均會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力塑性變形。②比容變形其實(shí)是指材料本身內(nèi)含有多種相結(jié)構(gòu)，而且其組織比容各不相同，經(jīng)過熱處理后，在溫度的影響下，相變時(shí)引起的體積和尺寸變化。

4 金屬材料熱處理工藝中材料變形的控制措施探究

（1）謹(jǐn)遵三大原則，理性控制熱處理變形：①遵守科學(xué)性的原則，就是采用科學(xué)的管理方法（科學(xué)精神、科學(xué)手段和科學(xué)理念）來應(yīng)實(shí)施金屬材料的熱處理等。②操作簡(jiǎn)化原則，根據(jù)不同的環(huán)境和工況，制定優(yōu)化熱處理操作流程，降低工藝實(shí)施過程中操作失誤率，切實(shí)提高容錯(cuò)率，從而實(shí)現(xiàn)熱處理變形目標(biāo)控制。③遵循實(shí)用性的原則，科學(xué)利用各種途徑匯總整理實(shí)用的工藝操作方法，秉持實(shí)用性為根本，減少浪費(fèi)，節(jié)約材料降低成本，保證熱處理的有效性。通過保證質(zhì)量實(shí)現(xiàn)實(shí)用性原則的最大化。

（2）合理選用合適的冷卻介質(zhì)，最常見的淬火介質(zhì)就是水和油。水，其優(yōu)點(diǎn)眾多，但缺點(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)將使試樣產(chǎn)生變形甚至開裂。因此，可通過在水中添加不同原料以達(dá)到克服水作為淬火介質(zhì)的缺點(diǎn)。一般在水中添加食鹽或堿等方式，可提高水溶液在高溫區(qū)的冷卻能力。另一種常用的冷卻介質(zhì)就是礦物油（機(jī)油、變壓器油或柴油等），可通過不同配比混合使用，達(dá)到提升特性溫度來增加淬火油在高溫區(qū)的冷卻能力，從而減少材料變形。

（3）加強(qiáng)熱處理工藝中溫度環(huán)節(jié)的精確把控，可有效減低熱處理變形目標(biāo)的影響。熱處理工藝的特性來看，整個(gè)工藝其實(shí)就是一個(gè)溫度變化調(diào)整處理。熱處理主要利用加熱爐來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，爐內(nèi)溫度是熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的重要參數(shù)之一。溫度升高會(huì)使材料內(nèi)部均勻性下降，從而引起變形量的加大，由此看出，溫度均勻性可有助于減低材料變形量。通過不同方法和措施保證加熱爐內(nèi)材料各個(gè)部分均勻受熱，并按要求提升至指定溫度，使其達(dá)到滲碳要求，可以減小熱處理變形，從而減小變形散差。。切實(shí)落實(shí)各工藝階段溫度的精確控制，細(xì)化金屬內(nèi)部晶粒的措施，改變晶粒排列，提高金屬材料的強(qiáng)度，從而減少變形。

（4）減少熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。熱處理過程中由于塑性變形產(chǎn)生殘留的應(yīng)力，因?yàn)椴荒芡耆?，?huì)破壞金屬材料表面的保護(hù)膜，殘余應(yīng)力值越高表現(xiàn)出有害就越大，會(huì)降低試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，還會(huì)降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致試樣在淬火時(shí)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣可能因而產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內(nèi)溫度溫差不能超過±20℃/小時(shí)，保溫時(shí)間不宜過長(zhǎng)和過快，在熱處理升溫過程中要有緩慢升溫階段，也要有緩慢冷卻階段，這種方法是消除殘余應(yīng)力的有效方法。對(duì)此類有缺陷的試樣也可以在熱處理之前預(yù)先采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施。

5 結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)的高速發(fā)展，離不開需要高質(zhì)量、高性能的材料，熱處理的運(yùn)用越來越廣泛，已經(jīng)不單單是一種材料處理手段，而是實(shí)現(xiàn)高性能、高經(jīng)濟(jì)工業(yè)企業(yè)所必須的科技。本文所述熱處理影響因素分析及部分措施介紹，只是冰山一角，還需企業(yè)投入更多精力與人力，研究解決該工藝實(shí)施工過程中的問題，針對(duì)不同的材料，全面考慮其應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)探析出更加全面的解決方案。