淺談影響金屬材料熱處理變形的因素與控制策略

孔淑妹

摘要：工業(yè)發(fā)展日新月異，對機械精度和性能的要求也越來越高。金屬材料熱處理是獲得各種金屬材料優(yōu)良性能的重要手段，熱處理是必不可少的一部分，主要的作用原理為通過加熱、冷卻等適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)金屬合金內(nèi)容組織、結(jié)構(gòu)的變化，實現(xiàn)材料性能的改善。金屬熱處理雖然可能使材料的性能改善，但也不可避免的會出現(xiàn)變形，影響工件的強度、壽命、精度等。因此，在金屬材料熱處理的過程中要盡可能地降低其變形量。本文主要對變形控制的關(guān)鍵因素進行了分析，同時提出了降低變形量的有效措施。

關(guān)鍵詞：金屬材料；熱處理；措施

熱處理工藝在實現(xiàn)金屬材料性能改良方面有著非常重要的積極意義，但在利用熱處理技術(shù)進行金屬材料處理的過程中也存在材料變形等消極影響，只能采用相應(yīng)的方法盡量把變形量控制在盡量小的范圍內(nèi)。因此，在金屬材料熱處理的過程中要通過有效的方法對變形進行控制，使其保持在最小的范圍之內(nèi)。

一、金屬材料變形的影響因素

根據(jù)，不同零件的結(jié)構(gòu)特點，制定適合該零件的熱處理順序，可相應(yīng)的減小熱處理帶來的變形，盡量使各部分熱處理產(chǎn)生的變形可以相互抵消。一般情況下，除非非常精密的零件，才會采用此種方式。

金屬的正火、退火以及在進行淬火之前的調(diào)質(zhì)，都會對金屬最終的變形量產(chǎn)生一定的影響，直接影響到的是金屬組織結(jié)構(gòu)上的變化。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(chǎn)生的應(yīng)力越大，模具的變形也越大。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。

工件應(yīng)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(jié)構(gòu)不對稱；厚度不均勻零件采用預(yù)留加工量的方法。

采用合理的裝夾方式及夾具，此方法的目的是使工件加熱冷卻均勻，以減少熱應(yīng)力不均，組織應(yīng)力不均，來減小變形。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(yīng)滿足圖樣上規(guī)定的工件尺寸，而畸變量要根據(jù)上道工序加工尺寸確定。

采用合適的介質(zhì)，在保證同樣硬度要求的前提下，盡量采用油性介質(zhì)，實驗和實踐證明，水溫變化對水性介質(zhì)冷卻特性的影響較大，在同樣的熱處理條件下，油性介質(zhì)相對水性介質(zhì)淬火后的變形量要相對小。

二、減少金屬熱處理變形的措施和方法

為了有效地減少熱處理所導致的變形，其關(guān)鍵在于選擇合適的熱處理工藝。為了保證工件在熱處理后的精度，可以通過研究金屬工件熱處理變形規(guī)律的方法，從而使工件在熱處理之后的尺寸每個滿足設(shè)計的要求。這對于工件的變形規(guī)律提出了比較高的要求。這種方式等于金屬的熱處理要求比較高，是一種比較理想的方法。為了改善金屬熱處理的變形情況，可以采取以下幾個方面的措施：

（一）做好熱處理之前的預(yù)處理。

金屬熱處理的不同工藝都會影響到金屬的最終變形量。正火中的溫度過高，都會導致金屬材料內(nèi)部的變形增大。在研究中發(fā)現(xiàn)在正火處理之后，可以采用等溫淬火的方法來提高金屬材料結(jié)構(gòu)的均勻性，從而減少其變形。對于不同的工件的結(jié)構(gòu)特點，采用不同的熱處理工序，可以有效地減少熱處理中的變形，并且使熱處理中的變形能夠相互抵消，從而達到改善變形的目的。這種方法比較復雜，花費的時間比較多成本比較高，對于要求精度比較高的零件考慮采用這種方法。

（二）做好淬火處理工藝。

淬火冷卻是熱處理中的關(guān)鍵，如果采用不合理的介質(zhì)，那么就會導致內(nèi)部比較大的應(yīng)力，引起變形或者開裂，因此在淬火冷卻的過程中要保證穩(wěn)定的速度。金屬淬火冷卻過程對變形的影響也比較大，如果熱冷卻處理的越快，那么冷卻也越不均勻，工件的內(nèi)部壓力也將越大，工件的變形也越大。在淬火冷卻的過程中采用水和油來作為介質(zhì)，水在550℃-650℃的范圍內(nèi)的冷卻速度比較大，在200℃-300℃的范圍其冷卻速度雖然大幅下降，但速度仍然比較大，最終容易使金屬材料的變形。但是在水中加入一定的鹽和堿，可以提高在550℃-650℃之間的冷卻速度，保證了200-300℃之間的冷卻速度不變。鹽水或者堿水都常常用來作為淬火的冷卻介質(zhì)，容易引起金屬材料的變形。油在200-300℃之間的冷卻速度比較慢，可以解決金屬材料在淬火時的變形情況。但油在550-650℃冷卻速度不大，只用在合金鋼的淬火冷卻中。因此硬度要求一致的前提下，盡量使用油來作為介質(zhì)，油和水在條件相同的情況下，油性介質(zhì)的冷卻速度慢，而水性介質(zhì)的冷卻速度較大，對于金屬的變形影響較大。

（三）冷卻方法的選擇。在金屬材料的熱處理中，冷卻是其關(guān)鍵的步驟。常見冷卻處理方法有雙液淬火、單液淬火法、等溫淬火以及分級淬火法，其中單液淬火的方法能夠滿足自動化和機械化，但其缺點是難以控制淬火冷卻的速度，且水淬法容易產(chǎn)生變形，而油淬法容易導致工件硬度不均勻以及硬度不足。雙液淬火法是加熱的工件先放在冷卻速度比較快的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，接著再立即放入到冷卻速度較慢的介質(zhì)中到冷卻。例如結(jié)構(gòu)比較復雜的碳鋼工件采用水淬和油淬相結(jié)合方法，在水中冷卻到300℃后再放到油中進行冷卻；對于合金鋼來說，需要采用油淬和空氣冷卻結(jié)合的方法。在保證工件硬度要求下，采用預(yù)冷的方式。分級淬火冷卻的方式，能夠減少工件內(nèi)部熱應(yīng)力和組織預(yù)冷，對于改善結(jié)構(gòu)比較復雜的工件變形有重要的幫助。分級淬火是將加熱的工件放到溫度較高的堿液或者鹽液中，持續(xù)2-5 分鐘待工件內(nèi)外溫度一致放到空氣中進行冷卻，但這種冷卻方法由于溶液的冷卻能力較低，只適用尺寸比較小以及尺寸精度要求較高的工件。對于結(jié)構(gòu)特別復雜以及精度要求比較高的工件，考慮采用等溫淬火冷卻的方法。

（四）夾持方法的選擇。

不同的夾裝方法對零部件熱處理過程中的變形具有一定的影響，選擇合理的裝夾方式能使工件熱處理過程中受熱和冷卻均勻，對降低金屬組織應(yīng)力不均以及變形都有重要的意義。可以考慮使用支承墊圈、補償墊圈、疊加墊圈等方式，有花鍵孔的零部件可以考慮使用花鍵心軸等方式。

三、總結(jié)

熱處理工藝存在的變形情況對工藝的效率有一定的影響，為了確保工件的精準性，在工件熱處理過程中須通過相應(yīng)措施將變形控制在最小范圍內(nèi)。在熱處理工藝過程中，對變形影響最大的因素是溫度，要注重溫度的控制，從而對金屬材料變形進行有效的控制。

參考文獻：

[1]周國新.研究淬火過程減少汽車零件的熱處理變形[J].汽車技術(shù)，2014，03（24）：55-57 .

[2]劉曄東，熱處理變形淺析.機械工人：熱加工.2007年10期.

[3]雷聲，齒輪熱處理變形的控制.機械工程師.2008年5期.