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熱處理變形原因及其控制方法
2021-02-27姜林
（中航工業(yè)吉林航空維修有限責(zé)任公司）
金屬材料的熱處理是將固態(tài)金屬采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，有時(shí)并兼之以化學(xué)作用和機(jī)械作用，使金屬合金內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而獲得改善材料性能的工藝。熱處理工藝是使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的重要手段。很多實(shí)際應(yīng)用中合理選用材料和各種成形工藝并不能滿足金屬工件所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，這時(shí)熱處理工藝是必不可少的。
但是熱處理工藝除了具有積極的作用之外，在處理過程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生或多或少的變形，而這又是機(jī)械加工中必須避免的，兩者之間是共存而又需要避免的關(guān)系，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)。
但是熱處理工藝除了具有積極的作用之外，在處理過程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生或多或少的變形，而這又是機(jī)械加工中必須避免的，兩者之間是共存而又需要避免的關(guān)系，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)。
一、熱處理變形產(chǎn)生的原因
鋼在熱處理的加熱、冷卻過程中可能會(huì)產(chǎn)生變形，甚至開裂，其原因是由于淬火應(yīng)力的存在。淬火應(yīng)力分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，使熱處理后零件產(chǎn)生不同殘留應(yīng)力，可能引起變形。當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)變形就會(huì)產(chǎn)生，因此，淬火變形還與鋼的屈服強(qiáng)度有關(guān)，材料塑性變形抗力越大，其變形程度越小。
1.熱應(yīng)力
在加熱和冷卻時(shí)由于零件表里有溫差存在造成熱脹冷縮的不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。零件由高溫冷卻時(shí)表面散熱快，溫度低于心部，因此表面比心部有更大的體積收縮傾向，但受心部阻礙而使表面受拉應(yīng)力，而心部則受壓應(yīng)力。表里溫差增大應(yīng)力也增大。
2.組織應(yīng)力
組織應(yīng)力是因?yàn)閵W氏體與其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之間的組織轉(zhuǎn)變時(shí)間不同而產(chǎn)生的。由于奧氏體比容最小，淬火冷卻時(shí)必然發(fā)生體積增加。淬火時(shí)表面先開始馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，心部仍為奧氏體體積不變。由于心部阻礙表面體積增大，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。
二、減少和控制熱處理變形的方法
1.合理選材和提高硬度要求
對(duì)于形狀復(fù)雜，截面尺寸相差較大而又要求變形較小的零件，應(yīng)選擇淬透性較好的材料，以便使用較緩和的淬火冷卻介質(zhì)淬火。對(duì)于薄板狀精密零件，應(yīng)選用雙向軋制板材，使零件纖維方向?qū)ΨQ。對(duì)零件的硬度要求，在滿足使用要求前提下，盡量選擇下限硬度。
2.正確設(shè)計(jì)零件
零件外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、均勻、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以免因冷卻不均勻，使變形開裂傾向增大。盡量避免截面尺寸突然變化，減少溝槽和薄邊，不要有尖銳棱角。避免較深的不通孔。長(zhǎng)形零件避免截面呈橫梯形。
3.合理安排生產(chǎn)路線，協(xié)調(diào)冷熱加工與熱處理的關(guān)系
對(duì)于形狀復(fù)雜、精度要求高的零件，應(yīng)在粗、精加工之間進(jìn)行預(yù)先處理，如消除應(yīng)力、退火等。做好毛坯預(yù)備熱處理，使組織更加均勻化[2]。
4.改進(jìn)熱處理工藝和操作
（1）熱處理溫度的控制
在滿足熱處理工藝要求的情況下，盡量降低淬火加熱溫度且縮短保溫時(shí)間，這樣零件的高溫強(qiáng)度損失較少。塑性抗力增強(qiáng)，零件的抗應(yīng)力形變、抗淬火變形的綜合能力增強(qiáng)，從而減少了變形。
（2）選擇較緩和的淬火冷卻介質(zhì)
冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它關(guān)系到淬火質(zhì)量的好壞，也是淬火工藝中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，金屬淬火后冷卻過程對(duì)變形的影響也是很重要的一個(gè)原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在90℃左右。在保證硬度的前提下，盡量采用油性介質(zhì)，油性介質(zhì)冷卻速度較慢，而水性介質(zhì)冷卻速度相對(duì)快一些，而且水溫變化對(duì)水性介質(zhì)冷卻特性影響較大。
采用分級(jí)淬火能顯著減少金屬淬火時(shí)產(chǎn)牛的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些形狀復(fù)雜零件的有效辦法。這種淬火方法由于在馬氏體轉(zhuǎn)變前零件各部分溫度已經(jīng)趨于均勻，并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣不僅減小了淬火熱應(yīng)力，而且顯著降低組織應(yīng)力，因而有效地減小或預(yù)防止零件淬火變形。
等溫淬火也能顯著減小零件變形，等溫淬火與分級(jí)淬火的區(qū)別在于前者獲得下貝氏體組織，由于下貝氏體組織的強(qiáng)度、硬度較高，而且韌性良好，比熱容比馬氏體的比熱容小，組織轉(zhuǎn)變時(shí)零件內(nèi)外溫度一致，故淬火組織應(yīng)力也較小。等溫淬火和分級(jí)淬火只能適用于尺寸較小的零件。
（3）正確掌握熱處理操作方法
為了減小和控制熱處理變形還必須正確掌握熱處理操作方法。截面均勻冷卻時(shí)，如細(xì)長(zhǎng)軸類（絲錐、軸）垂直淬入，上下移動(dòng)，也有垂直逐漸淬入并靜止不動(dòng)。截面不均勻冷卻時(shí)，水平快速淬入或傾斜淬入，如厚薄不均零件，應(yīng)將厚的部分先淬入。對(duì)于薄片應(yīng)側(cè)向進(jìn)入，對(duì)帶有孔和凹面零件，應(yīng)將盲孔和凹面朝上淬入，以利于氣泡排出?？傊沽慵魈幚渌倬鶆?，有些需要防護(hù)的零件做好淬火前保護(hù)。
三、已變形零件的挽救方法
盡管采取減少變形措施，但變形仍不可避免，因此進(jìn)行補(bǔ)救是很必要的，常用的方法有冷校直和熱校直。如果淬火回火后硬度低于40HRC的零件，可以采用冷校直直接用壓力機(jī)校正。如果金屬在淬火冷卻過程中，尚未冷卻到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)以下，此時(shí)零件塑性較好，進(jìn)行加壓校直效果良好，校直時(shí)加力應(yīng)注意緩慢[3]。
四、結(jié)語
熱處理能改善零件的力學(xué)性能，提高零件的強(qiáng)度和硬度，滿足各種性能需要，但引起的變形影響是不可避免的。在選擇預(yù)防熱處理變形的具體方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況制定具體辦法，許多辦法都是源于實(shí)踐，要反復(fù)試驗(yàn)才能探索規(guī)律。我們要重視現(xiàn)階段的熱處理技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)發(fā)展自主創(chuàng)新，不斷提高熱處理零件的質(zhì)量及合格率，為熱處理發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
鋼在熱處理的加熱、冷卻過程中可能會(huì)產(chǎn)生變形，甚至開裂，其原因是由于淬火應(yīng)力的存在。淬火應(yīng)力分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，使熱處理后零件產(chǎn)生不同殘留應(yīng)力，可能引起變形。當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)變形就會(huì)產(chǎn)生，因此，淬火變形還與鋼的屈服強(qiáng)度有關(guān)，材料塑性變形抗力越大，其變形程度越小。
1.熱應(yīng)力
在加熱和冷卻時(shí)由于零件表里有溫差存在造成熱脹冷縮的不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。零件由高溫冷卻時(shí)表面散熱快，溫度低于心部，因此表面比心部有更大的體積收縮傾向，但受心部阻礙而使表面受拉應(yīng)力，而心部則受壓應(yīng)力。表里溫差增大應(yīng)力也增大。
2.組織應(yīng)力
組織應(yīng)力是因?yàn)閵W氏體與其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之間的組織轉(zhuǎn)變時(shí)間不同而產(chǎn)生的。由于奧氏體比容最小，淬火冷卻時(shí)必然發(fā)生體積增加。淬火時(shí)表面先開始馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，心部仍為奧氏體體積不變。由于心部阻礙表面體積增大，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。
二、減少和控制熱處理變形的方法
1.合理選材和提高硬度要求
對(duì)于形狀復(fù)雜，截面尺寸相差較大而又要求變形較小的零件，應(yīng)選擇淬透性較好的材料，以便使用較緩和的淬火冷卻介質(zhì)淬火。對(duì)于薄板狀精密零件，應(yīng)選用雙向軋制板材，使零件纖維方向?qū)ΨQ。對(duì)零件的硬度要求，在滿足使用要求前提下，盡量選擇下限硬度。
2.正確設(shè)計(jì)零件
零件外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、均勻、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以免因冷卻不均勻，使變形開裂傾向增大。盡量避免截面尺寸突然變化，減少溝槽和薄邊，不要有尖銳棱角。避免較深的不通孔。長(zhǎng)形零件避免截面呈橫梯形。
3.合理安排生產(chǎn)路線，協(xié)調(diào)冷熱加工與熱處理的關(guān)系
對(duì)于形狀復(fù)雜、精度要求高的零件，應(yīng)在粗、精加工之間進(jìn)行預(yù)先處理，如消除應(yīng)力、退火等。做好毛坯預(yù)備熱處理，使組織更加均勻化[2]。
4.改進(jìn)熱處理工藝和操作
（1）熱處理溫度的控制
在滿足熱處理工藝要求的情況下，盡量降低淬火加熱溫度且縮短保溫時(shí)間，這樣零件的高溫強(qiáng)度損失較少。塑性抗力增強(qiáng)，零件的抗應(yīng)力形變、抗淬火變形的綜合能力增強(qiáng)，從而減少了變形。
（2）選擇較緩和的淬火冷卻介質(zhì)
冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它關(guān)系到淬火質(zhì)量的好壞，也是淬火工藝中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，金屬淬火后冷卻過程對(duì)變形的影響也是很重要的一個(gè)原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在90℃左右。在保證硬度的前提下，盡量采用油性介質(zhì)，油性介質(zhì)冷卻速度較慢，而水性介質(zhì)冷卻速度相對(duì)快一些，而且水溫變化對(duì)水性介質(zhì)冷卻特性影響較大。
采用分級(jí)淬火能顯著減少金屬淬火時(shí)產(chǎn)牛的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些形狀復(fù)雜零件的有效辦法。這種淬火方法由于在馬氏體轉(zhuǎn)變前零件各部分溫度已經(jīng)趨于均勻，并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣不僅減小了淬火熱應(yīng)力，而且顯著降低組織應(yīng)力，因而有效地減小或預(yù)防止零件淬火變形。
等溫淬火也能顯著減小零件變形，等溫淬火與分級(jí)淬火的區(qū)別在于前者獲得下貝氏體組織，由于下貝氏體組織的強(qiáng)度、硬度較高，而且韌性良好，比熱容比馬氏體的比熱容小，組織轉(zhuǎn)變時(shí)零件內(nèi)外溫度一致，故淬火組織應(yīng)力也較小。等溫淬火和分級(jí)淬火只能適用于尺寸較小的零件。
（3）正確掌握熱處理操作方法
為了減小和控制熱處理變形還必須正確掌握熱處理操作方法。截面均勻冷卻時(shí)，如細(xì)長(zhǎng)軸類（絲錐、軸）垂直淬入，上下移動(dòng)，也有垂直逐漸淬入并靜止不動(dòng)。截面不均勻冷卻時(shí)，水平快速淬入或傾斜淬入，如厚薄不均零件，應(yīng)將厚的部分先淬入。對(duì)于薄片應(yīng)側(cè)向進(jìn)入，對(duì)帶有孔和凹面零件，應(yīng)將盲孔和凹面朝上淬入，以利于氣泡排出?？傊沽慵魈幚渌倬鶆?，有些需要防護(hù)的零件做好淬火前保護(hù)。
三、已變形零件的挽救方法
盡管采取減少變形措施，但變形仍不可避免，因此進(jìn)行補(bǔ)救是很必要的，常用的方法有冷校直和熱校直。如果淬火回火后硬度低于40HRC的零件，可以采用冷校直直接用壓力機(jī)校正。如果金屬在淬火冷卻過程中，尚未冷卻到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)以下，此時(shí)零件塑性較好，進(jìn)行加壓校直效果良好，校直時(shí)加力應(yīng)注意緩慢[3]。
四、結(jié)語
熱處理能改善零件的力學(xué)性能，提高零件的強(qiáng)度和硬度，滿足各種性能需要，但引起的變形影響是不可避免的。在選擇預(yù)防熱處理變形的具體方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況制定具體辦法，許多辦法都是源于實(shí)踐，要反復(fù)試驗(yàn)才能探索規(guī)律。我們要重視現(xiàn)階段的熱處理技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)發(fā)展自主創(chuàng)新，不斷提高熱處理零件的質(zhì)量及合格率，為熱處理發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志