金屬材料熱處理形變的影響因素及預(yù)防措施

史媛媛

（湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

作為金屬合金的主要組成成分，有色金屬、黑色金屬均具有明顯的亮黑色質(zhì)感，在特殊作用情況下，該類(lèi)型金屬材料能夠長(zhǎng)久保持延展性與導(dǎo)熱性能力。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，裝備制造產(chǎn)業(yè)正面臨著極大的轉(zhuǎn)型與升級(jí)壓力，如何在保障金屬合金材料應(yīng)用能力的同時(shí)，制造出更多的可加工原料型材，已經(jīng)成為了各大制造類(lèi)企業(yè)的主流發(fā)展方向。金屬合金之所以能夠成為裝備制造工業(yè)與機(jī)械制造領(lǐng)域的核心應(yīng)用材料，與金屬材料可塑性強(qiáng)、耐久性高、價(jià)格適中等優(yōu)良特性條件具有不可分割的關(guān)系[1]。在金屬材料的可塑性加工過(guò)程中，最常用的就是熱加工處理技術(shù)，金屬熱處理加工可使金屬材料變成應(yīng)用設(shè)計(jì)所需的規(guī)格和形狀，但也存在一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)，例如因溫度處理不當(dāng)，造成金屬材料本身的性質(zhì)受到損害，造成待加工零件的機(jī)械強(qiáng)度水平不斷下降，最終使得金屬設(shè)備的質(zhì)量與運(yùn)行能力受到影響，對(duì)企業(yè)造成無(wú)法預(yù)料的損失[2]。因此，在金屬材料的熱處理加工過(guò)程中，必須準(zhǔn)確掌握零件結(jié)構(gòu)溫度形變與加工方案之間的內(nèi)在聯(lián)系，在精確控制金屬材料加工尺寸數(shù)值的同時(shí)，遵照高標(biāo)準(zhǔn)約束制度進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)與加工。

1 熱處理金屬材料的形變影響因素

全面分析金屬材料熱處理過(guò)程中所發(fā)生的變形因素，能夠幫助企業(yè)理清金屬材料熱處理流程與各類(lèi)操作工藝的具體實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)制定具有針對(duì)性的處理措施，不但能夠?qū)饘俨牧系淖冃纬潭冗M(jìn)行有效控制，也可為金屬材料熱處理形變量控制工作的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。

受到結(jié)構(gòu)特性、自身密度構(gòu)成、外界因素等加工條件的影響，金屬材料在熱處理過(guò)程中會(huì)展現(xiàn)出冷熱分布不均、不等時(shí)性等形變特點(diǎn)。從宏觀角度來(lái)看，金屬材料熱處理可分為加熱、保溫、冷卻三個(gè)處理流程，在確保金屬材料均勻受熱的情況下，由于外界溫度值的明顯變化，金屬物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力情況也會(huì)隨之發(fā)生改變，從而增大了金屬材料出現(xiàn)熱處理形變的風(fēng)險(xiǎn)性水平。其次這種形變情況的發(fā)生幾率較高，每進(jìn)行一個(gè)熱處理加工，金屬材料的內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)都會(huì)隨之發(fā)生改變，且材料自身的形變量水平始終與其所受的熱處理頻率保持正向相關(guān)的物理關(guān)系。最后，由內(nèi)應(yīng)力塑性原因所引起的熱處理形變不會(huì)對(duì)金屬材料自身的物理性能產(chǎn)生影響，換句話(huà)說(shuō)，這種外界熱處理形變的作用對(duì)象僅限于金屬材料的本體結(jié)構(gòu)。

從實(shí)際操作流程來(lái)看，為更好保障熱處理技術(shù)的實(shí)施質(zhì)量與水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料屬性水平的大幅提升，可將熱處理工藝細(xì)化成正火、淬火、回火、退火等多個(gè)施工方面，且在正式操作的過(guò)程中，需要根據(jù)金屬材料所屬種類(lèi)對(duì)所采用的處理操作進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，并收集大量的數(shù)據(jù)信息與處理參數(shù)，以便于對(duì)淬火、正火等工藝流程進(jìn)行及時(shí)且有效的調(diào)整。

2 金屬材料熱處理形變控制技術(shù)

隨著熱處理金屬應(yīng)用需求量的增加，如何針對(duì)原有工藝中存在的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行改善與優(yōu)化，已經(jīng)成為了相關(guān)加工企業(yè)的主要研究方向，基于此針對(duì)金屬材料的熱處理形變控制技術(shù)展開(kāi)研究。

（1）增設(shè)金屬材料的熱變形預(yù)處理環(huán)節(jié)。就現(xiàn)有研究成果來(lái)看，大部分金屬材料的形變問(wèn)題都會(huì)直接表現(xiàn)在熱處理工藝的實(shí)際操作環(huán)節(jié)中，但卻不僅僅只有不當(dāng)?shù)臒崽幚憝h(huán)節(jié)才會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的金屬材料形變問(wèn)題。

（2）優(yōu)化現(xiàn)有的金屬材料淬火處理工藝。淬火處理是一種極為常見(jiàn)的金屬材料熱處理形變加工工藝，在處理過(guò)程中，外界因素、溫度介質(zhì)等條件的不當(dāng)都會(huì)對(duì)形變作用力造成影響，從而使得金屬材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)連接形式發(fā)生改變，這也是導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)不可逆熱處理彎曲形變量的主要原因。為了解決這一問(wèn)題，需要專(zhuān)業(yè)性研究參與人員針對(duì)金屬材料的淬火處理工藝進(jìn)行重點(diǎn)研究，這就需要專(zhuān)業(yè)人員在實(shí)際操作過(guò)程中，充分認(rèn)識(shí)到淬火熱處理工藝的應(yīng)用重要性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料熱性形變比例的有效控制。針對(duì)此問(wèn)題，在未來(lái)的淬火處理實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)以水油混合物作為中間介質(zhì)，通過(guò)添加適當(dāng)鹽、堿等物質(zhì)的方式，使熱處理形變溫度得到有效控制，從而加快由熱固型金屬材料到熱塑型金屬材料的轉(zhuǎn)換速率。該方法能夠較好控制金屬材料熱處理形變過(guò)程中的降溫變化速率，不但能夠有效解決淬火操作所帶來(lái)的金屬材料形變問(wèn)題，也可使金屬類(lèi)材料自身的形變性能得到較好保護(hù)。

圖1 金屬材料的淬火處理工藝

（3）完善并更新原有的冷卻方式。分析現(xiàn)有的金屬材料熱處理工藝可知，在實(shí)際加工過(guò)程中，最常見(jiàn)的金屬材料冷卻方式主要包含分級(jí)淬火、單液淬火兩種。其中，單液淬火方法的應(yīng)用范圍相對(duì)較為廣泛，是最易實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化金屬材料熱處理冷卻方式，但由于其不能直接達(dá)到預(yù)期的冷卻速率，間接導(dǎo)致了不同程度的金屬材料熱處理形變問(wèn)題，基于此可將傳統(tǒng)的單液淬火方式轉(zhuǎn)換為間接性的分析淬火方式，首先將高溫金屬材料靜置于硝煙之中，當(dāng)其溫度快速下降后，改用淬火速率相對(duì)較慢的方式進(jìn)行冷卻處理，從而使原有的金屬材料冷卻方式可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的淬火處理目標(biāo)。受到合金元素纖維方向及碳化物形狀等物理?xiàng)l件的影響，金屬材料在熱處理過(guò)程中也會(huì)對(duì)淬火冷卻工藝產(chǎn)生一定的抵制作用。為解決此問(wèn)題，大多數(shù)金屬加工類(lèi)企業(yè)重新規(guī)定了“原始組織”這一定義，且在現(xiàn)代處理工藝中，金屬材料熱處理通常需要借助多種化學(xué)方法，且經(jīng)過(guò)處理后金屬材料原始組織的物理性能也會(huì)更加具有規(guī)律性。因此可認(rèn)為，經(jīng)過(guò)熱處理形變加工后的金屬材料，其結(jié)構(gòu)表面的耐磨性、耐熱性等屬性能力都會(huì)得到大幅提升。

3 預(yù)防金屬材料熱處理形變的有效措施

預(yù)防并減少金屬材料熱處理形變量是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，需要施工企業(yè)工作人員充分認(rèn)識(shí)到影響金屬材料產(chǎn)生形變作用的因素，并針對(duì)各項(xiàng)影響條件進(jìn)行定向改進(jìn)。

（1）完善金屬材料熱處理前的準(zhǔn)備工作。根據(jù)金屬材料熱處理工藝方式的不同，材料結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的屬性特征也會(huì)有所不同，如熱處理過(guò)程中退火、正火等多方面的差異性，都會(huì)直接影響金屬材料的形變量水平。因此，在實(shí)施金屬材料熱處理工藝之前，應(yīng)仔細(xì)分析與材料結(jié)構(gòu)體相關(guān)的處理要求，在對(duì)處理溫度進(jìn)行有效控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的正火操作與處理。

（2）科學(xué)應(yīng)用金屬材料的熱處理淬火工藝。淬火工藝作為金屬材料熱處理過(guò)程中的核心構(gòu)成環(huán)節(jié)，不僅扮演著關(guān)鍵的形變量控制角色，也對(duì)金屬型材物理屬性的表現(xiàn)能力造成了嚴(yán)重影響。一旦使用了不合理的淬火工藝介質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力表現(xiàn)強(qiáng)度不斷增大，從而使得材料結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)與表現(xiàn)性狀受到破壞。為更好應(yīng)對(duì)這種情況，應(yīng)控制金屬材料熱處理過(guò)程中淬火工藝所出現(xiàn)的失誤次數(shù)，這就需要相關(guān)工作人員在熟悉現(xiàn)階段所使用淬火工藝技術(shù)的同時(shí)，對(duì)具體的淬火操作步驟進(jìn)行科學(xué)化管理。在對(duì)金屬材料進(jìn)行淬火冷卻的過(guò)程中，需要對(duì)淬火工藝的實(shí)施速度進(jìn)行合理化控制與調(diào)節(jié)，若淬火處理的實(shí)施速度過(guò)快，將會(huì)造成金屬材料表面出現(xiàn)不均勻冷卻的情況，從而使得金屬材料的熱處理形變量不斷增加。大多數(shù)情況下，熱處理淬火工藝使用水油混合物作為主要隔離介質(zhì)，當(dāng)水溫處于550℃～650℃之間時(shí)，熱處理淬火工藝的冷卻效果最好，因此對(duì)于淬火工藝的實(shí)際實(shí)施速度應(yīng)進(jìn)行適度提升。

（3）選擇有效的金屬材料熱處理冷卻方法。常見(jiàn)的雙液淬火冷卻方式，需要在金屬材料熱處理溫度達(dá)到既定數(shù)值水平時(shí)，將處理材料快速放置于冷卻速度相對(duì)較快的物理介質(zhì)之中，并使其表現(xiàn)溫度值快速下降至300℃左右，然后再將其轉(zhuǎn)入至冷卻速度更低的物理介質(zhì)中，進(jìn)行二次冷卻處理。因此，針對(duì)不同的熱處理要求，只有對(duì)金屬材料的熱處理淬火冷卻方法進(jìn)行有效選擇，才能最大化提升冷卻工作的實(shí)際施工水平與施工質(zhì)量。

圖2 金屬材料的熱處理冷卻方法

（4）金屬材料熱夾持方式。從某些角度來(lái)看，夾持方式也會(huì)對(duì)金屬材料的熱處理形變量造成影響。因此，為收獲到良好的金屬材料熱處理施工效果，應(yīng)在原有夾持方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)金屬材料在熱處理過(guò)程中所表現(xiàn)處理的形變因素進(jìn)行分析與討論，不但能夠幫助施工企業(yè)對(duì)金屬材料的制造工藝進(jìn)行科學(xué)化控制，也能較好保證金屬材料的實(shí)際應(yīng)用效果，在提升金屬制造類(lèi)企業(yè)材料生產(chǎn)能力的同時(shí)，對(duì)熱處理形變后金屬材料的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而在一定程度上促進(jìn)相關(guān)企業(yè)的長(zhǎng)久性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的合理保護(hù)。