大型零件熱處理變形研究

呂 揚

(中國一重鑄鍛鋼事業部熱處理廠，黑龍江161042)

1 大型零件熱處理變形的原因

1.1 加熱

大型零件加熱時，有殘余應力存在，加熱不均勻者，在加熱過程中會發生變形。殘余應力主要是由機械加工引起的。如存在這樣的應力，即使加熱均勻，鋼件的屈服點也會隨著溫度上升而下降。因此只要有殘余應力存在，加熱時就會導致零件變形。

一般零件外表面的殘余應力較大，因此，從零件外部進行加熱時，往往在零件外表面出現變形。由殘余應力引起的變形，包括彈性變形和塑性變形。通常加熱的時候發生熱應力和相變應力，這就成為變形的原因。加熱速度越快，零件越大或零件截面變化越大，加熱變形就越大。熱應力是由溫度分布不均和溫度梯度等引起的，它起因于熱膨脹不同。對塑性變形的影響與其說是材料的高溫屈服點，倒不如說是熱應力，熱應力越高，越易引起塑性變形，并以變形的形式表現出來。

1.2 冷卻不均勻

冷卻不均勻，則發生熱應力，這是變形的原因。即使冷卻已經充分均勻，零件的外表面與心部也存在著冷卻速度的差異，因此無論如何也防止不了熱應力的產生，這是引起變形的原因。在淬透的情況下，在變形上又疊加相變應力(由馬氏體引起的膨脹相變)，所以使變形復雜起來。若再加上組織不均勻，或有脫碳，則相變的發生溫度就更不同，甚至連相變膨脹量也不同，因此相變應力被復雜化了，所以變形也成為難以預測的了。

相變應力和熱應力引起變形，但并非所有的應力都消耗于變形上，其中也還有一部分應力作為殘余應力殘留下來，它是引起失效變形和自生裂紋的原因。

1.3 冷處理

冷處理僅能促進奧氏體向馬氏體的轉變，由于溫度低，所以冷處理中的變形比淬火冷卻時發生的機會更少，然而應力卻比淬火冷卻時大。由于殘余應力、相應變力、熱應力等的疊加，多半發生裂紋。

1.4 回火

通常是經過回火，使內應力均勻化，同時使其減輕或消除，由于還發生組織變化，所以有減少變形的傾向，然而一旦發生變形，就不那么容易矯正了。若要矯正，必須用加壓回火或噴丸處理等方法。像高速工具鋼和模具鋼等回火硬化鋼，從回火溫度冷卻時，發生馬氏體化(二次馬氏體)，這時往往發生變形和裂紋。所以，在這種情況下，必須使它從回火溫度均勻而緩慢的冷卻下來。

1.5 重復淬火

重復淬火之間不加退火(中間退火)時變形很大，圖1為因重復淬火而發生的變形。重復淬火總變形是各次變形的疊加，最后成為球形，直到發生龜裂。由于球形是最穩定的形狀，所以最后成為這種形狀。因此在重復淬火時，應插入中間退火，且重復淬火次數最好不要超過兩次。日本工業標準中規定淬火的重復次數是兩次(把最初1次淬火算在內共3次)，就是這個原因。

1.6 殘余應力

圖1 因重復淬火而發生的變形Figure 1 Deformation caused by the repeated quenching

鋼加熱到約450℃時就從彈性體變成塑性體，此時易發生塑性變形。另一方面，加熱到約高于450℃以上時，由于再結晶殘余應力消失。因此只要不快速加熱，即使有殘余應力也不會因為加熱而發生變形。但是，如果快速加熱，加熱到450℃以上的部分會變為塑性體，該塑性體受到內部低溫部位殘余應力的作用而發生變形。這些部分冷卻下來后，變形就顯示出來了。因為真空爐加熱緩慢，所以加熱變形少，然而即使在真空爐內加熱的零件，如果在油中淬火，也會發生與普通電爐加熱一樣的淬火應變。

2 熱處理變形預防措施

大型零件熱處理變形的預防措施如下：

(1)在淬火前應把加工應力預先消除，其中應認真做好退火，至少要進行消除應力退火(450～600℃)。

(2)應緩慢而均勻地進行加熱，對鋼件最好進行預熱，第一級預熱采用400℃，第二級預熱采用靠近臨界溫度以下的溫度為宜。

(3)為防止由自重引起的下垂，應該在加熱爐床上擺放鐵板，或使用支撐件，支撐件的間隔小于等于3倍工件直徑，最好采用零件懸掛起來的加熱方法。

(4)應進行奧氏體等溫淬火或分級淬火，或熱浴淬火。

(5)應進行加壓淬火或模壓淬火等的模具挾持淬火。

(6)應加上反翹曲措施后再進行淬火。

(7)應在產生淬火彎曲的一側綁上加強筋后再進行淬火。

(8)應使零件壁厚均勻，開工藝孔及可拆卸孔，或在壁薄的地方填上石棉、粘土等。

3 結束語

介紹分析了大型零件熱處理變形的原因，采取有效的措施避免變形，對零件的使用壽命及精度都有著重要的意義。