淺談溫度對熱處理工藝的影響

摘 要：金屬熱處理工藝在改善材料各種性能的同時，不可避免地會產生熱處理變形，并且會直接影響到工件的精度、強度、噪聲和壽命，因此對于精度要求較高的零件要盡可能減小其變形量，文章在著重闡述溫度是控制變形的關鍵因素的同時羅列了幾點次要因素。

關鍵詞：金屬熱處理；變形；溫度

引言

金屬材料的熱處理，即采用適當的方式對固態金屬或合金進行加熱、保溫和冷卻處理，某些情況下還會對其施加機械作用和化學作用，金屬合金內部的結構和組織在熱處理的作用下發生改變，進而實現改善材料性能的目的。實際應用中，對金屬工件的力學、物理和化學性能都有著特定的要求，如果通過材料的合理選擇以及成形工藝的運用都無法滿足要求，這時就必須采用熱處理的方式從而提高材料的性能。

然而，熱處理工藝在改善材料性能的同時，金屬材料的變形也隨之產生，不利于機械加工中精度和強度的提高，還會產生噪聲，減少其使用壽命。因此，如何在采用熱處理技術提高金屬材料性能的同時，盡量控制其變形量是當前熱處理行業亟待解決的問題。

1 溫度是變形的關鍵因素

在工業生產中，雖然熱處理工藝的形式多種多樣，然而其基本過程都是熱作用的過程，并且由三個階段組成，即加熱、保溫和冷卻。所涉及到的參數也并不復雜，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就可以對其工藝過程進行詳細完整的描述。顧名思義，熱處理工藝是需要對材料進行加熱的，這就需要加熱設備，即加熱爐。在加熱爐中完成熱處理的過程，而加熱爐的溫度則直接影響到熱處理工藝，因此加熱爐內的溫度是熱處理工業的一個非常重要的工藝參數，對其進行測量非常重要。溫度測量的準確性也必須保證，因為只有在溫度測量準確有效的前提下，才能對其進行合理控制。在熱處理工業中，溫度是引發變形的關鍵因素，只有加強溫度的測量和控制，才能盡量減少變形，從而提高產品的質量，避免產品報廢的現象發生。

通過降低熱處理的工藝溫度能有效減少由此產生的變形。降低工藝溫度，能相對減少工件的高溫強度，并增強其塑性抗力以及抗應力變形、抗淬火變形、抗高溫蠕變的能力。降低工藝溫度，還能夠減少工件加熱、冷卻的溫度區間。溫度區間減少后，由熱處理引起的各部位溫度的一致性也會增強，而溫度的不一致性正是引起工件組織應力和熱應力的根本原因，隨著溫度不一致性減少，由此而導致的變形也會相應減少。此外，在降低工藝溫度并縮短工藝時間的情況下，將縮短工件的高溫蠕變時間，從而減少變形。

科學合理的熱處理工藝是減小熱處理變形的關鍵因素。由圖1可以看出，在650%球化退火后的硬度梯度和740%球化+680%等溫處理的硬度梯度結果相近，未經球化退火的齒輪的硬度較前兩個低。這是因為球化退火可使淬火后滲層表面殘留奧氏體量減少，從而提高了齒表面硬度，因此20CrNi2MoA鋼齒圈滲碳后應采用球化退火工藝，同時為減小熱處理變形，在650℃球化退火效果更好。

2 變形的其他影響因素及減小措施

2.1 預備熱處理

在熱處理過程中，有可能引起內孔的變形增大，如存在混晶、大量索氏體或魏氏組織以及過高的正火溫度。因此需要對正火溫度進行控制，也可以采用等溫退火的方式來對鍛件進行處理。金屬最終的變形量與很多因素有關，如淬火前進行的調質處理以及退火和正火。金屬產生變形進而導致金屬組織結構也發生變化。研究和實踐表明，為使金屬組織結構均勻，在進行正火處理時采用等溫淬火是一種有效的減小其變形量的措施。

2.2 運用合理的冷卻方法

金屬淬火后冷卻過程的控制也是必須考慮的一個因素。淬火后采用油進行冷卻，因此其變形直接受到油的冷卻能力的影響。通常來說，熱油淬火產生的變形小于冷油淬火，一般控制在100+20%。同時，變形還受到淬火的攪拌方式和速度的影響。在進行金屬熱處理時，金屬產生的應力及模具的變形與冷卻的速度和冷卻的均勻程度有關。過快的冷卻速度和不均勻冷卻都會導致應力及模具變形的增大。因此，應盡量采用預冷，不過需要注意的是應保證模具的硬度要求。為減少熱應力和組織應力，可以選用分級冷卻淬火，這種方式對形狀復雜的工件十分有效，能顯著減少其變形。采用等溫淬火的方式，則適用于十分復雜并且有較高精度要求的工件，能使金屬變形顯著減少。

2.3 零件結構要合理

改善零件的結構是減少熱處理變形的關鍵環節。經過熱處理后的工件，其厚度不同的部分冷卻的速度也是不同的。因此，在滿足工件使用性能的前提下，應使工件的厚度差別不能過大，盡量使零件的截面均勻，減少由應力集中導致的過渡區的畸變和開裂現象。保持結構與材料成分和組織的對稱性，避免尖銳棱角、溝槽等。此外，采用預留加工量的方式也是減少厚度不均勻零件變形的有效方式之一。

2.4 采用合理的裝夾方式及夾具

通過采用合理的裝夾方式和夾具，能夠使工件獲得均勻的加熱和冷卻，從而減少熱應力以及組織應力的不均，有效減小熱處理導致的工件變形。

2.5 機械加工

工件的加工通常需要經過很多道工序，如果熱處理加工是最后的工序，則應控制其畸變的允許值，使之滿足圖樣規定的工件尺寸。依據上道工序的加工尺寸來對畸變量加以確定，因此掌握畸變規律尤為重要，為使熱處理導致的畸變處于合格的范圍，在進行熱處理前應對尺寸進行預修正。如果熱處理是中間的工序，機加工余量和熱處理畸變量之和即為熱處理前的加工余量。導致熱處理變形的因素多而復雜，因此相較于機械加工余量來說，熱處理的加工余量不易確定，在實際加工中應留出足夠的加工余量用于機械加工。

2.6 采用合適的介質

在熱處理的過程中，介質的選擇也十分重要，應選擇有利于減小變形量的介質。研究和實驗表明，硬度要求相同的情況下，采用油性介質是更好的選擇。不同介質具有不同的冷卻速度，在其他條件相同的情況下，同油性介質相比較，水性介質的冷卻速度較快。此外，水溫的變化也會對介質的冷卻性能造成影響，其變化對油性介質冷卻特性產生的影響較小。熱處理條件相同的情況下，水性介質淬火后會產生相對較大的變形量。

3 結束語

熱處理能改善工件的機械性能，提高工件的強度和硬度，但引起的變形影響是不可避免的。我們要重視我國現階段的熱處理技術和裝備的改進，不斷學習國外先進的技術，提高熱處理工件質量及合格率，為我國的熱處理行業做出貢獻。

參考文獻

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