金屬熱處理中變形的原因及控制策略
發布日期：2020-09-08
眾所周知，經過熱處理的工件，性能會更加出色，更符合機械零件性能的要求。可是在熱加工的過程中，金屬材料會出現一些問題，比如變形。金屬材料的外觀變形，對機械零部件的加工是致命的影響。因此，本文著重闡述在對金屬材料熱加工中影響變形的原因，以及解決方法，以此來克服在金屬材料加工當中的難題。在生產實際中，熱處理變形的表現形式多種多樣，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，就其產生的根源來說，可分為內應力造成的應力塑性變形和比容變化引起的體積變形兩大類。
（１）內應力塑性變形
熱處理過程中加熱冷卻的不均勻和相變的不等時性，都會產生內應力，在一定塑性條件的配合下，就會產生內應力塑性變形。在加熱和冷卻過程中，零件的內外層加熱和冷卻速度不同造成各處溫度不一致，致使熱脹冷縮的程度不同，這樣產生的應力變形叫熱應力塑性變形。在加熱和冷卻過程中，零件的內部組織轉變而發生的時間不同，這樣產生的應力變形叫組織應力變形塑性變形。
（２）體積變形
比容變形在熱處理過程中，各種相結構的組織比容不同，在相變時發生的體積和尺寸變化為比容變形。比容變形一般只與奧氏體中碳和金元素的含量、游離相碳化物、鐵素體的多少、淬火前后組織比容變化差和殘余奧氏體的多少和鋼的淬透性等因素有關。
減小熱處理變形的方法
一、溫度的測量與控制
工業上實際應用的熱處理工藝形式非常多，但是它們的基本過程都是熱作用過程，都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的。整個工藝過程都可以用加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度以及熱處理周期等幾個參數來描述。在熱處理工藝中，要用到各種加熱爐，金屬熱處理便在這些加熱爐中進行（如基本熱處理中的退火、淬火、回火、化學熱處理的滲碳、滲氨、滲鋁、滲鉻或去氫、去氧等等）。因此，加熱爐內的溫度測量就成為熱處理的重要工藝參數測量。每一種熱處理工藝規范中，溫度是很重要的內容。如果溫度測量不準確，熱處理工藝規范就得不到正確的執行，以至造成產品質量下降甚至報廢。溫度的測量與控制是熱處理工藝的關鍵，也是影響變形的關鍵因素。
二、控溫正火或等溫退火
正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏組織都會使內孔變形增大，所以要用控溫正火或等溫退火來處理鍛件。金屬的正火、退火以及在進行淬火之前的調質，都會對金屬最終的變形量產生一定的影響，直接影響到的是金屬組織結構上的變化。實踐證明，在正火時采用等溫淬火可有效地使金屬組織結構趨于均勻，從而使其變形量減小。
三、合理的冷卻方法
金屬淬火后冷卻過程對變形的影響也是很重要的一個變形原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在１００℃±２０℃。油的冷卻能力對變形也是至關重要的。淬火的攪拌方式和速度均影響變形。金屬熱處理冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產生的應力越大，模具的變形也越大。可以在保證模具硬度要求的前提下，盡量采用預冷；采用分級冷卻淬火能顯著減少金屬淬火時產生的熱應力和組織應力，是減少一些形狀較復雜工件變形的有效方法；對一些特別復雜或精度要求較高的工件，利用等溫淬火能顯著減少變形。
四、合理的零件結構
金屬熱處理后在冷卻過程中，總是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在滿足實際生產需要的情況下，應盡量減少工件厚薄懸殊，零件截面力求均勻，以減少過渡區因應力集中產生畸變和開裂傾向；工件應盡量保持結構與材料成分和組織的對稱性，以減少由于冷卻不均引起的畸變；工件應盡量避免尖銳棱角、溝槽等，在工件的厚薄交界處、臺階處要有圓角過渡；盡量減少工件上的孔、槽筋結構不對稱；厚度不均勻零件采用預留加工量的方法。
五、合理的裝夾方式及夾具
目的使工件加熱冷卻均勻，以減少熱應力不均，組織應力不均，來減小變形，可改變裝夾方式，盤類零件與油面垂直，軸類零件立裝，使用補償墊圈，支承墊圈，疊加墊圈等，花鍵孔零件可用滲碳心軸等。
六、機械加工
當熱處理是工件加工過程的最后工序時，熱處理畸變的允許值應滿足圖樣上規定的工件尺寸，而畸變量要根據上道工序加工尺寸確定。為此，應按照工件的畸變規律，熱處理前進行尺寸的預修正，使熱處理畸變正好處于合格范圍內。當熱處理是中間工序時，熱處理前的加工余量應視為機加工余量和熱處理畸變量之和。通常機械加工余量易于確定，而熱處理由于影響因素多比較復雜，因此為機械加工留出足夠的加工余量，其余均可作為熱處理允許畸變量。熱處理后再加工，根據工件的變形規律，施用反變形、收縮端預脹孔，提高淬火后變形合格率。
七、采用合適的介質
在保證同樣硬度要求的前提下，盡量采用油性介質，實驗和實踐證明，再其他條件無差異的前提下，油性介質的冷卻速度較慢，而水性介質的冷卻速度則相對快一些。而且，和油性介質相比，水溫變化對水性介質冷卻特性的影響較大，在同樣的熱處理條件下，油性介質相對水性介質淬火后的變形量要相對小。
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