金屬材料熱處理變形控制措施探析

張 磊

（鄭州煤礦機械制造技工學校，鄭州 450000）

熱處理是機械零件和工具制造過程中的重要工序，經歷加熱-保溫-冷卻的工藝過程，內部原子在高溫下發生劇烈運動，晶胞和晶格類型可能要發生改變，工藝性能和機械性能都會發生變化。在溫控科學、加熱和冷卻速度適中的情況下，可細化晶粒，提高材料致密度，力學性能會有所改善，使用壽命也會提高。但熱處理過程中，加熱和速度控制不當，會使組織相變，造成不良效果。尤其在冷卻速度控制不合理的情況下，零件內部會出現殘余應力和變形，影響零件的使用安全。

1 材料熱處理變形因素分析

影響材料熱處理變形的因素有很多，例如，在相同熱輸入的條件下，材料本身的線膨脹系數和剛度、材料熱處理的方法等都會使材料的組織相變和應力表現有所不同，而變形是內應力的釋放形式，是組織相變和應力產生的外在表現。因此，分析材料熱處理變形因素主要是考慮內部組織結構和形態的改變。

1.1 時效處理造成的影響

時效處理是指工件經固溶處理，冷塑性變形或鑄造、鍛造后，在較高的溫度或室溫下放置，其性能、形狀、尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。高溫時效（人工時效）會使殘余的奧氏體轉變為硬度比較高的馬氏體，晶粒體積變大，致密性降低，工件的強度硬度提高，內應力也會大大減少，但塑性塑性也會大大下降。低溫回火和自然時效會使材料內部的馬氏體組織分解成鐵素體，內部應力釋放，恢復原形，穩定外觀尺寸。

1.2 材料成分和合金化程度造成的影響

原材料的成分及含量會影響金屬材料的變形，如碳化物數量、合金元素的形態和偏析。碳鋼的含碳量越高，硬度越大，塑性越低，熱處理時變形量就小，但內部殘存應力大。合金元素含量多，也會提高材料的強度和硬度，熱處理工藝可在一定程度上減小變形，消除應力。化學熱處理就是將金屬材料表面合金化的應用，可以提高金屬材料的表面性能，如滲碳、滲氮、熱鍍鋅鍍鉻等。

2 金屬材料熱處理變形控制措施應滿足的幾個要求

2.1 科學有效

分析金屬材料熱處理變形的因素時，人們應從熱處理工藝過程、金屬材料的組織形態和性能入手，制定科學有效的熱處理變形控制措施，盡可能將材料的變形量控制在相關技術標準范圍內。

2.2 簡單易做

控制材料熱處理變形時，必須遵循嚴格的操作規程。一般情況下，金屬材料熱處理技術一般安排在城市的近郊進行，條件比較簡陋，外部環境對金屬材料變形影響也比較大。若操作場地的條件無法達到熱處理變形控制的合理范圍，就必須在設計熱處理變形控制方案中，最大限度地降低方案的容錯率，盡可能控制材料的變形，減少外部環境對變形造成的影響。熱處理變形控制措施要簡單易做，減少干擾因素，確保熱處理工藝的質量。

2.3 經濟實用

在研究金屬材料熱處理變形控制方案中，企業投入的技術費用和金屬材料都比較多。如何在保證金屬材料熱處理效果和變形控制有效的前提下，降低企業的經濟成本，也是熱處理變形控制方案應該考慮的內容。

3 熱處理變形的控制措施

溫度是影響熱處理變形的重要因素，不同的熱處理方法加熱溫度和冷卻方式不同，熱處理的效果就不同。金屬材料熱處理工藝變形是內部組織結構和形態發生變化的外在表現。操作者必須根據材料的物理、化學、工藝與使用性能，分析與熱處理工藝相關的影響因素，然后在此基礎上制定科學合理的方法和技術，確保材料的殘余變形與應力最小。

3.1 金屬材料預先熱處理

金屬材料加工前可進行正火或退火處理，消除網狀滲碳體，提高材料的均勻性和結構完整性，消除內應力，為淬火、切削加工等后續工作做組織準備，為金屬材料的最終熱處理做組織準備，進一步提高熱處理的質量，有效控制金屬材料的變形。

3.2 金屬材料最終熱處理

金屬材料加工成形后，為改善零件的使用性能，消除應力和變形，常采用淬火或回火處理。淬火工藝是對金屬材料熱處理較為關鍵的一步，可以提高材料的強度和硬度。冷卻介質有油、水、鹽水、堿水等，其冷卻能力依次增加。如果不合理使用冷卻介質，將會導致內部組織結構和形態發生變化，金屬材料的內部應力也會異常改變。因此，在金屬材料熱處理過程中，要不斷改進淬火工藝。在金屬材料的淬火冷卻過程中，必須合理地控制冷卻速度，以保證淬火的效果，要考慮淬透性和淬硬性，真正達到熱處理的目的。

3.3 金屬材料熱處理中冷卻方法的選擇

金屬材料的熱處理主要是單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火和等溫淬火等。常用的是單介質淬火單介質和雙介質淬火。單介質淬火是將淬火零件放到一種淬火介質中冷卻，這種方法操作簡單，易實現機械化和自動化，但易變形和開裂。而雙介質淬火是將加熱后的金屬材料先放到冷卻速度比較快的介質中冷卻，等溫度在短時間內達到300℃時，保溫2～3min，再放入冷卻速度比較低的冷卻介質中冷卻。金屬熱處理的冷卻過程主要由冷卻速度決定淬火介質。如果金屬的冷卻速度過快，會導致金屬表面不均勻冷卻，影響材料的淬透性，從而使材料內部的拉應力增加，工件自然變形量就大。

3.4 夾具和裝夾方式的選擇

為了控制材料變形，確保金屬材料加熱和冷卻過程中重心平衡、溫度應力均勻，要合理地選用夾具和夾緊方式。另外，在熱處理過程中，材料要留有足夠的自由變形量，確保無外力干預下自由伸縮，盡量減少應力和變形。

4 結語

熱處理工藝是金屬材料加工過程中的重要工序之一，用途廣泛。其本質就是通過改變金屬內部或表面的組織結構和形態，提高金屬材料的工藝性能和使用性能，如強度、硬度、耐磨性和耐蝕性等。同時也可以彌補材料在某些性能方面的不足，如金屬材料表面的化學熱處理，如滲碳、滲氮、滲硼、離子鍍滲鋁等，極大地滿足了零件本身和科技發展的需要。不同金屬材料的熱處理變形是不可避免的，人們需要在長期實踐基礎上不斷總結變形規律，找到更好的工藝方法，做到預防和控制相結合，盡可能地減少工件變形，提高產品質量，最大限度地滿足金屬材料的使用需求。