金屬材料熱處理變形的影響因素和策略研究

李健龍

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003）

隨著社會的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)τ诮饘俨牧系男枨笠仓饾u增大，尤其是機械設(shè)備制造企業(yè)。通過對金屬材料進行熱處理加工不僅可以有效的提升金屬材料的穩(wěn)定性，而且還可以提升材料的使用性能，但是在實際熱處理過程中往往會由于各方面因素的影響，譬如，金屬內(nèi)部成分或者應(yīng)力的影響，而導(dǎo)致金屬材料的變形，為此，必須要對熱處理工藝進行優(yōu)化升級，降低金屬材料熱處理變形量，進而推動金屬加工制造行業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展。

1 金屬材料性能以及熱處理工藝分析

1.1 金屬材料的性能

金屬材料的性能將直接影響到其的使用范圍，簡答來講金屬材料的性能主要包括四個方面，即力學(xué)、化學(xué)、物力以及工藝性能。其中，金屬材料通過載荷的作用下的力學(xué)性能稱之為力學(xué)性能，譬如，強度、硬度、疲勞極限以及沖擊韌性等。化學(xué)性能則是用來展示某種材料與各種化學(xué)試劑所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的可能性以及反應(yīng)速度等的相關(guān)參數(shù)，譬如，金屬的耐腐性對于金屬材料的腐蝕疲勞損傷方面具有重要作用。物力性能則是金屬材料自身所特有的性能以及材料所能承受熱、磁的能力，譬如，密度、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性能等。工藝性能則指的是金屬材料在實際應(yīng)用過程中生產(chǎn)所需要的能力，因此又被稱為加工性能[1]。

1.2 金屬材料熱處理工藝應(yīng)用分析

金屬材料的熱處理工藝主要包括四個步驟，即退火、正火、淬火以及回火。當(dāng)對金屬材料進行熱處理過程中，金屬材料當(dāng)被加熱至臨界溫度30℃~50℃以上時，需要暫緩一段時間內(nèi)方可進行加工。通過對金屬材料進行熱處理可以有效地促使金屬材料的性能得到提升，尤其是經(jīng)過熱處理，一些網(wǎng)狀碳化物或者細化顆粒物會附著在材料上，進而消除材料內(nèi)部應(yīng)力的作用，提升材料的容忍性以及強度。除此以外，通過熱處理工藝還可以有效地提升金屬材料的力學(xué)性能，可以促使金屬材料提升抗局部塑形變形以及表面損傷的問題，降低金屬材料出現(xiàn)開裂的幾率。

1.3 金屬材料熱處理過程中變形的種類

在對金屬材料進行熱處理工藝過程中難免會出現(xiàn)形變的問題，一般情況下，主要會產(chǎn)生兩種不同形式的形變，即比容形變以及內(nèi)應(yīng)力塑形形變。其中，比容形變主要是因為金屬材料中的碳元素和某些微量元素的影響，導(dǎo)致其發(fā)生形變，據(jù)相關(guān)實驗表明，金屬材料的比容形變發(fā)生幾率較大，其中最為根本的因素就是金屬材料中的鐵素體以及游離的碳的影響。對于金屬合金材料而言，其比容形變還具有同向性，即在對金屬合金進行熱處理時，其金屬內(nèi)部會朝著不同的方向而發(fā)生相同的形變，進而導(dǎo)致金屬合金的大小發(fā)生巨大的改變；而內(nèi)應(yīng)力塑形形變則主要是因為金屬塊的溫度受熱不均勻造成的，進而導(dǎo)致金屬材料不同部位的冷卻速度出現(xiàn)不同，而隨著溫度的下降，金屬不同位置所發(fā)生的熱脹冷縮也會不同，從而導(dǎo)致形變的發(fā)生。

2 金屬材料熱處理變形的影響因素

2.1 金屬材料內(nèi)部成分與應(yīng)力的影響因素

當(dāng)對金屬材料進行熱處理加工過程中，金屬材料的內(nèi)部成分也會導(dǎo)致金屬材料發(fā)生不同程度的形變。譬如，在淬火過程中，由于金屬材料內(nèi)部成分的改變導(dǎo)致一些碳化物被析出，進而導(dǎo)致整個金屬材料的體積有所減小，并且還會導(dǎo)致其金屬材料的強度發(fā)生改變，最后導(dǎo)致金屬材料發(fā)生形變。除此以外，通過對金屬材料進行熱處理可以有效地提升金屬材料的抗氧化性，以及提升金屬材料的抗磨損能力，但是在此過程中也會由于熱處理工藝的作用導(dǎo)致其金屬應(yīng)力的增強，而當(dāng)金屬材料的應(yīng)力高于其屈服強度時，自然也就導(dǎo)致金屬材料發(fā)生形變。而且，在熱處理工藝過程中，所產(chǎn)生應(yīng)力的位置也會有所出入，即應(yīng)力并不是完全平衡在金屬材料上，所以也會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)不同程度的形變[2]。

2.2 溫度把控不合理以及冷處理過程的影響

金屬材料在進行熱處理過程中由于對溫度的要求較高，所以如果在熱處理中沒有嚴格的對溫度進行控制也會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的問題。譬如，由于沒有嚴格按照相關(guān)要求對金屬材料的溫度進行精密測量，而是直接對其進行熱處理，將會導(dǎo)致該金屬材料出現(xiàn)報廢的情況。除此以外，在金屬進行熱處理加工過程中，由于會使用到低溫回火，所以這就要求必須要具有一定的時效性，無論是哪種情況的發(fā)生均會導(dǎo)致金屬材料發(fā)生變形。那是因為，時效性以及低溫回火的作用將會導(dǎo)致金屬材料發(fā)生碳析出以及奧氏體的分解，而在后期的熱處理過程中，譬如在淬火過程中，金屬中奧氏體的分解而再次轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，則會導(dǎo)致金屬的體積發(fā)生形變，進而給材料的質(zhì)量以及設(shè)備的可靠性帶來不良影響。

3 金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 高精度低溫回火爐

目前我國使用的極薄鋼板對硬度、強度及板形要求較高，生產(chǎn)作業(yè)中需要借助回火處理來提升鋼板性能（中厚板是前段的闡述內(nèi)容，該兩段為并列關(guān)系，此處指極薄鋼板的質(zhì)量要求）。不過我國現(xiàn)有的回火爐在使用中，其溫度精度只能控制在±15℃左右，與規(guī)范要求的±5℃嚴重不符，所以需要開展高精度低溫回火爐設(shè)備的研發(fā)。在該設(shè)備研發(fā)中，要利用高速熱風(fēng)循環(huán)加熱方式，通過強制對流處理來達到加熱目的，再結(jié)合特殊的路型結(jié)構(gòu)滿足熱回收處理要求。該方式下研發(fā)的高精度低溫回火爐優(yōu)勢有：利用強制熱風(fēng)對流完成加熱，降低低溫過程的換熱效率，增強熱能供應(yīng)的均勻性；加熱溫度范圍100℃~600℃，100℃~300℃加熱均勻性好，升溫速度快；爐溫控制精度±2℃之內(nèi)，爐溫均勻性±3℃之內(nèi)；加熱器可采用燃氣燒嘴或電加熱器，加熱后鋼板表面質(zhì)量好；對高溫循環(huán)風(fēng)機的數(shù)量有一定要求；生產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量高、成本低廉，且不會存在過多損耗。

3.2 真空熱處理技術(shù)的應(yīng)用

真空熱處理是一種在真空環(huán)境中進行的技術(shù)，在這樣的環(huán)境中對金屬材料進行熱處理，就可以實現(xiàn)低壓滲碳金屬材料表面工藝，最后高溫滲碳，使得金屬材料所需要的生產(chǎn)周期大大縮減。這種技術(shù)由于對熱處理技術(shù)的要求十分高且需要在真空環(huán)境中進行，為此并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。我國的金屬材料熱處理中應(yīng)用真空技術(shù)比重非常小，只有百分之五左右，而一些發(fā)達國家占比已經(jīng)達到了百分之二十。由此看來我國的真空熱處理技術(shù)還是需要很長的發(fā)展時間[3]。

4 金屬材料熱處理變形控制策略

4.1 合理淬火

作為金屬材料熱處理工藝的核心環(huán)節(jié)，淬火工藝顯得尤為重要，其對于金屬材料的變形具有直接影響。為此，在實際的熱處理過程中，相關(guān)技術(shù)人員必須要加強對淬火環(huán)節(jié)的重視，并從多角度、多方面的降低淬火的失誤率。一般情況下，由于采用了不合理的淬火介質(zhì)導(dǎo)致金屬材料的內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)失衡的情況，進而引發(fā)了金屬材料的變形。就目前而言，水以及油是最為常用的淬火介質(zhì)，但是該介質(zhì)對于溫度的要求較為嚴格，即水溫則應(yīng)當(dāng)控制在55℃~65℃，而油溫則需要控制在60℃~80℃間，并且還要注意淬火的速度，進而保證金屬冷卻效果的良好降低金屬材料的變形發(fā)生量。通過采取科學(xué)的淬火措施，可以有效地對金屬材料在熱處理變形進行控制。

4.2 強化對金屬工件結(jié)構(gòu)的處理，調(diào)整以往所用材料

在對金屬材料進行加工設(shè)計的過程中，相關(guān)人員首先應(yīng)當(dāng)對材料在熱處理過程中可能導(dǎo)致變形的因素進行分析，從而在加工過程中可以通過校直的方法來對變形進行科學(xué)的調(diào)整。即便不能通過校直的方式來對工件進行調(diào)整也刻意確保工件留有富余的再加工余量，進而有效的避免因為熱處理變形而導(dǎo)致金屬材料的報廢問題，提升對金屬材料的利用率。為此，在滿足金屬材料實際使用功能的前提下，在對其進行設(shè)計時要盡可能的確保材料截面的均勻分布以及工件結(jié)構(gòu)的對稱等。除此以外，還要對以往所用的材料進行科學(xué)的調(diào)整。對于我國大部分金屬材料加工廠而言其主要是對正常的金屬材料進行加工，但是此類的材料無論是隔熱還是導(dǎo)熱性能均較差，所以在進行熱處理時往往需要更多的電力或者能源來進行熱處理操作。而如果選用陶瓷纖維類的高性能的材料進行熱處理操作不僅可以降低加工時間，而且還可以為企業(yè)獲取更多的經(jīng)濟利益。而且對于大部分的金屬材料加工廠而言其均沒有安裝回流設(shè)備，如果在此時進行熱處理勢必會造成環(huán)境污染，所以，在實際熱處理過程中必須要安裝回流裝置，進而保證熱處理過程中所產(chǎn)生的氣體流入到燃燒爐中，起到節(jié)約能源的目的。

4.3 科學(xué)冷卻

對于不同的金屬材料而言，其在熱處理后所需要的冷卻方式也會不同，而通過科學(xué)的冷卻方式將有效的降低金屬材料的變形量。就目前而言，金屬材料的熱處理主要包含雙介質(zhì)、單介質(zhì)、分級以及溫萃等，其中對于單介質(zhì)淬火而言，由于僅有一種淬火介質(zhì)所以對于冷卻方式也較為簡單，極易實現(xiàn)機械以及自動化，但是對于淬火速度的控制較為困難，進而極易導(dǎo)致金屬材料發(fā)生形變或者開裂。而雙介質(zhì)淬火則可以通過對特殊介質(zhì)的冷卻來實現(xiàn)快速的降溫度減低到300℃作用，然后在通過2~3分鐘的保溫處理后將其放入到冷卻速度較低的介質(zhì)中，進而再次冷卻。對于不同金屬材料而言其冷卻速度也不同，根據(jù)大量實踐表明，快速的冷卻方式將直接提升金屬材料的變形程度，為此，為了有效地對材料變形進行控制，必須要選擇合理的冷卻方案。

總而言之，隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)對于金屬材料的需求也逐漸增加，而為了更好的滿足社會發(fā)展需求，發(fā)揮金屬材料的優(yōu)勢作用，通過對金屬材料進行熱處理加工可以有效地提升金屬材料的使用性能，抗磨損以及延長金屬材料的使用壽命等。但是在金屬材料熱處理過程中，由于各方面因素的影響，譬如，金屬材料內(nèi)部成分與應(yīng)力的影響因素、溫度把控不合理以及冷處理過程的影響等，導(dǎo)致金屬材料發(fā)生不同程度的形變，甚至嚴重還會出現(xiàn)金屬材料的開裂，嚴重降低了金屬質(zhì)量。基于此，必須要通過采取相關(guān)措施，譬如，合理淬火、強化對金屬工件結(jié)構(gòu)的處理，調(diào)整以往所用材料、科學(xué)冷卻等方式來有效的對金屬材料的變形進行科學(xué)控制，進而發(fā)揮金屬材料的各項性能，促進我國金屬材料加工行業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展。另外，傳統(tǒng)的金屬材料熱處理設(shè)備、處理技術(shù)已經(jīng)不能夠符合現(xiàn)代的發(fā)展需求，所以新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)不可阻擋。新技術(shù)也是未來金屬制造行業(yè)以及工業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。新技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了能源的消耗，還減輕了對生態(tài)環(huán)境的污染，提升了金屬產(chǎn)品的質(zhì)量，為企業(yè)的未來發(fā)展打好了基礎(chǔ)。