影響金屬材料熱處理變形的因素及減小措施

趙 琳

（山西省機電設計研究院，山西太原 030009）

1 變形產生機理分析

對于工業生產而言，金屬零件是機械制造中必不可少的組成部分。因此，在零件設計以及選材中，對其綜合性能的要求也越來越高，尤其在生產中，對其熱處理加工之后品質的要求也越來越高。然而，對于在熱處理中產生的變形問題，一直影響著熱處理工藝的發展。以下就熱處理變形影響因素進行分析[1]。

1.1 內應力塑形

金屬材料在進行熱處理中，一般主要分為3 個階段，即加熱、保溫以及冷卻。由于在加熱環節以及冷卻環節缺少均勻性、固態變相下的金屬組織缺少相同性等因素，使金屬材料在進行熱處理中，有內應力產生。并且在內應力的影響下，導致金屬材料產生內應力塑形。同時按照應力產生原因的不同，又分為組織應力變形以及熱應力變形。組織變形主要是由于金屬材料在進行熱處理時，其內部組織結構在不同的實踐發生相變而產生的。熱應力形變主要是由于金屬材料在加熱與冷卻環節中，無法保證材料內外溫度一致，導致其熱脹冷縮程度不一致而產生的。金屬工件的形狀、結構等與內應力塑形有著直接關聯，在變形中的方向性較為明顯，其體積并無明顯變化，內應力因素對金屬材料造成的變形量，與其熱處理次數有著直接關系。

1.2 比容變形

在進行材料熱處理時，由于其內部組織相的不同，相變時產生微小尺寸以及體積等變化，即比容形變。一般，比容形變與材料本身淬透性、殘余奧氏體、鐵素體含量、滲碳體含量以及合金元素含量等有一定關系。與內應力塑形相比，比容變形的方向無法進行有效確定。通常，在組織結構較為均勻的情況下，其形變在不同方向產生相同變化。同時，金屬材料與熱處理工藝類型、次數的關聯性并不明顯[2]。

1.3 蠕變因素

蠕變是指鋼材在受熱之后，其塑形會有所增大，在無法確定支承方法的情況下，受到重力影響，產生撓曲變形。對于熱處理中的金屬工件，需要保證溫度較高，如果支承方法選用不合理，就會形成蠕變變形。金屬工件在蠕變彎曲影響下，會超出允許誤差范圍。隨著熱處理溫度與時間的增加，蠕變變形也會隨之增加。

2 影響因素分析

2.1 溫度參數

對熱處理造成變形的因素有很多，主要溫度為主要影響因素，溫度高低、保溫時間等都會直接影響熱應力以及組織應力形成以及產生的影響，另外，隨著溫度升高，金屬塑形會逐漸增大，導致高溫蠕變趨勢更加明顯，在淬火環節，加熱溫度主要對金屬材料翹曲變形產生影響，對體積變形中所引發的尺寸變化并無明顯影響。因此，需要獲得熱處理參數的性能指標，同時，要想降低變形，需要對熱處理的問溫度進行嚴格測量與控制[3]。

2.2 結構尺寸

對于高碳鋼軸類零件以及長軸類零件，在淬透后是馬氏體組織，其主要組織應力形變，因此，其體積會有所增大，長度以及直徑會有所增強。合金鋼軸類零件有著良好的淬透性，材料變形主要是由熱應力以及組織應力共同作用產生，尺寸較小工件的長度與直徑均會有所增大，而大尺寸工件的直徑會縮小，長度會增大。環形套筒類零件，在淬火之后，其熱應力狀態分部位內表壁與外表壁受到壓力，并且心部受壓，高度與內徑減小、外徑增大。組織應力為外表壁與內表壁受到拉力，其心部受到壓力，高度與內徑增大、外徑減小。在2 種應力作用下，使金屬材料產生變形。同時不同組織具有不同體積，表1 為鋼中常見組織的比體積。

表1 鋼中常見組織的比體積

2.3 機械加工

在對細長類工件進行加工時，在切削量的影響下，會形成程度不同的應力，導致淬火變形敏感性增大，熱處理變形量、加工預留余量以及熱處理之后的加工量，存在的誤差較大，導致熱處理后的變形無法進行有效恢復。

3 措施分析

在金屬熱處理中，確定減變形量方案是一個較為復雜工作，需要相關人員能夠對變形的影響因素進行充分認識，并在這一前提下將實用性原則、易操作原則以及科學性原則作為工作指導原則，借助有效的措施，實現對其比容變形以及應力塑形的控制，推動熱處理技術的發展[4]。熱處理加工過程如圖1 所示。

圖1 熱處理加工過程

3.1 準備工作

金屬材料熱處理方式不盡相同，比如，在正火與退火中，兩者存在明顯的差異，對材料變形量有著較大的影響。因此，在開展熱處理作業前，需要按照實際要求，嚴格控制溫度，完成金屬工件的正火處理操作。通過實踐能夠發現，金屬材料在經過正火處理之后，其均與結構均勻性以及結構完整性能夠得到有效提升，降低內部應力對材料的破壞，進而降低在熱處理中對材料變形量的影響。另外，為了保障正火處理效果，可以準備退火工藝，并對退火工藝進行合理選擇，能夠有效減小金屬材料在溫度梯度方面額影響，進而達到有效控制熱處理中變形量的目的，提升熱處理技術的水平以及質量[5]。

3.2 金屬材料結構

金屬材料在進行熱處理時，內應力作用下發生的形變，與材料結構有著較大的關聯。在生產中的薄厚不均工件、薄板狀工件、長條狀工件以及長棒狀工件，容易產生變形。在工件設計環節，需要對其在熱處理時產生的形變進行充分分析，對于能夠借助校直方式實現變形調整的，應該適當減少加工余量。對于無法借助工件校直的，應該保證加工余量充足，防止工件在熱處理加工后，由于形變而報廢。熱處理工序是最終生產工序的工件，在進行工件設計時，應該合理選擇材料，合理設計結構，盡量減少熱處理對工件使用性能以及質量的影響。

在能夠保證工件性能的前提在，在設計時應該保證工件薄厚程度不會過于懸殊，保證工件便面的平均程度，盡量保證工件結構對稱，進而降低在啊過度區域中，由于冷熱不均以及應力集中，產生的開裂傾向與畸變。對于需要熱處理的工件，應該盡量避免小孔、溝槽、尖棱尖角等結構，防止應力過于集中。

3.3 淬火工藝的合理運用

淬火工藝是金屬材料熱處理工作中的重要組成部分，在熱處理工序中扮演著重要角色，一旦淬火介質使用缺少合理性，那么就會是金屬構件內部應力增加，導致工件發生形狀變化以及結構破壞。為了能夠使這一問題得到有效解決，需要在熱處理過程中，減少淬火環節中的失誤，相關人員應該以現階段淬火工藝為基礎，實現科學化操作。在淬火冷卻中，需要合理調節淬火速度，若是速度過快會對材料冷卻均勻性產生影響，導致材料變形量增加[6]。一般，會將水油作為介質，當水溫控制在550～650 ℃時，能夠保證良好的冷卻效果，因此，需要適當提升淬火速度。當油溫控制在200～300 ℃時，同樣能夠保證良好的冷卻效果，可以提升淬火速度。借助對淬火速度以及淬火介質的合理選擇、高校應用，能夠有效提升材料熱處理質量，降低溫度影響以及內部應力變化，達到控制工件變形量的目的。

3.4 工藝參數

對于熱處理的工藝參數，主要涵蓋加熱速度、加熱溫度、保溫時間以及冷卻速度等。在溫度高、加熱速度快的情況下，會使工件形變傾向增大，同時還會導致工件產生過燒傾向與過熱傾向，嚴重時會直接導致工件報廢。尤其對于細長形工件與薄壁形工件而言，更容易產生形變。因此，在開展熱處理作業時，應該合理選擇加熱溫度與加熱速度。在確定保溫時間時，應該對工件有效厚度進行計算，保證在熱處理中，使工件能夠均勻化、組織轉化時間充足等，降低工件在比容變形方面的傾向。對于金屬材料，其在冷卻環節中的形變較為明顯，在工件冷卻時，工件形成內應力、產生彎曲等變形，同時在組織轉變下，形成比容形變，導致工件體積增大，因此，在保證硬度值等設計要求的基礎上，需要合理確定冷卻速度。碳鋼組織轉變引起的尺寸變化見表2。

表2 碳鋼組織轉變引起的尺寸變化

3.5 工裝工具與加熱方式選擇

為了保證工件裝爐效率以及出爐冷卻效率，需要對熱處理工件，設計特定工裝，在設計工具工裝時，需要對工件在工裝上的放置數量以及放置狀態進行考慮，棒類工件、管類工件以及桿類工件應該采取垂直方式進行放置，其他類工件應該采取平放方式進行放置，保證工件在加熱、冷卻環節中的變形能夠得到降低。金屬材料在進行熱處理時，一般會采用的加熱爐有井式以及臺車式。而臺車式加熱爐較為常見，其爐膛內溫度較為均勻、加熱升溫較為平穩，能夠有效降低金屬材料在加熱中所產生的形變。對于形狀不同，大小不一的工件，需要對加熱設備進行合理選擇，比如，對于長桿類工件、長管類工件以及圓筒類工件，應該采用垂直懸掛裝爐以及井式爐進行加熱，避免活件在加熱時產生徑向彎曲。在熱處理工件裝爐時，應該盡量避免出現活件堆垛碼放現象，尤其是薄壁類工件，需要以單件的形式平放（圖2）。

3.6 冷卻方式與冷卻介質

在金屬材料冷卻時，一般需要攪拌介質、或借助循環泵實現冷卻目的，減小介質溫度不均，對金屬材料變形產生的影響。材料在冷卻環節中，入液方式對材料變形的影響較為明顯。管類工件、棒類工件以及桿類工件應該采取垂直入液方式進行冷卻，能夠有效減小變形。框類工件以及棒條狀工件應該以其最小截面積進行入液冷卻。對于形狀復雜、薄厚不均的工件，在薄厚過渡以及尖棱尖角部位應該借助緩冷方式進行冷卻，如石棉繩纏繞等。

冷卻介質的實際性能，尤其在金屬材料淬火環節中，介質的淬火烈度直徑影響，熱處理之后材料的變形情況以及開裂情況，是影響金屬材料變形的重要原因之一。實踐發現，隨著冷卻介質的性能增強，冷卻后的變形傾向也隨之增強。與水性介質相比，油性介質冷卻速度較慢，而對于油淬之后的材料，其變形量更小。在滿足淬火硬度的前提下，應該盡量采取冷卻性能較差的介質進行冷卻。

圖2 熱處理工裝

3.7 合理調整機加工工藝與裝夾方式

對于細長類工件的企業切削用量應該合理選擇，盡量借助高速小前角道具進行加工，尤其是結構復雜的工件，需要在其半精加工完成后，加熱至回火溫度，并保溫6 h 左右，之后隨爐緩冷至300 ℃左右，進行應力消除處理。

合理選擇裝夾方式，保證工件能夠均勻受熱與冷卻，防止由于缺少均勻性而產生組織應力或是熱因力導致工件變形。比如，對軸類工件與盤類工件應該選擇立式裝夾，對于具有孔槽工件應該選擇心軸裝夾。也可以借助專用夾具保證滲氮層活滲碳層均勻。

4 結語

綜上所述，在金屬材料熱處理中，溫度對材料變形的影響較大，因此，企業需要對溫度進行嚴格把握，保證熱處理溫度能夠維持在規定范圍內。同時在加工環節中，速度也是一個重要的影響因素，需要保證均勻的速度，對變形進行有效控制。隨著工業發展，對技術要求日益增高，因此需要對熱處理工藝中的不足之處進行改善，促進企業發展。