金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略

劉敬波 張貴峰

【摘 ?要】在對金屬材料進行熱加工中，使材料的性能更加穩(wěn)定，經(jīng)過熱處理的材料，在加工成零部件中，使性能更加出色，更能符合機械零部件性能的要求。可是在熱加工中，金屬材料容易發(fā)生問題，比如變形，金屬材料的外觀變形，對機械零部件的加工是致命的影響。因此，本文著重解決在對金屬材料熱加工中影響變形的原因，以及解決辦法，以此來

提高在金屬材料加工當中的難題。

【關鍵詞】金屬材料;熱處理;變形因素;控制策略

1金屬材料熱處理變形的相關內(nèi)容概述

1.1金屬材料熱處理的發(fā)展歷程

從可追溯的歷史來看，遠在青銅器時代，熱處理的效應就已逐漸為人們所認識和掌握。在我國商代，就出現(xiàn)了經(jīng)過再結晶退火而形成的金箔制品。1863年，英國金相學家揭示了鋼鐵的六種不同金相組織，并證明了在加熱和冷卻的環(huán)境下，其組織會發(fā)生一定的變化從而呈現(xiàn)出差異化的性能。而英國人奧斯汀率先研究出的鐵碳相圖則奠定了現(xiàn)代金屬材料熱處理工藝的理論基礎。同時，為了避免金屬材料的氧化和脫碳，還出現(xiàn)了相應的熱處理保護方法，從而確保了金屬材料的某些優(yōu)良特性不會因為熱處理工藝而丟失。進入20世紀，以工業(yè)生產(chǎn)中應用轉筒爐進行氣體滲碳、等離子場熱處理技術、激光和電子束技術的應用為標志的各種金屬材料熱處理工藝及應用得到了突飛猛進的發(fā)展。

1.2金屬材料熱處理工藝的特點

其是機械制造中的一種重要工藝，其一般不會大幅改變工件的整體外形和材質(zhì)特性，而是通過調(diào)整工件內(nèi)部的細微組織或改變金屬表面的化學成分，從而改進工件的內(nèi)在品質(zhì)，達到提升工件特定性能的目的。為使得各種類型、材質(zhì)的金屬工件具有所需的物理、化學和力學性能，除合理選用材料和成型工藝外，正確的選擇熱處理工藝是必要的。它對于產(chǎn)品的性能起到了十分重要的作用。

2金屬材料熱處理變形的影響因素

2.1時效、冷處理

冷處理會促使殘留奧氏體轉化成馬氏體，進一步造成金屬材料體積增大;低溫回火和時效會對金屬材料變形帶來兩種影響，一種是馬氏體分解、碳化物析出造成金屬材料體積變小;一種是出現(xiàn)應力松弛影響，進而使得金屬材料引發(fā)畸變。

2.2原始組織、應力狀態(tài)

（1）相關原始組織在金屬材料淬火前往往會對金屬材料變形帶來一定影響，諸如碳化物數(shù)量、形態(tài)及合金元素的偏析、鍛造產(chǎn)生的纖維方向等。通常有效的調(diào)質(zhì)處理，可實現(xiàn)對金屬材料變形量絕對水平的有效縮減，促使金屬材料淬火變形更為規(guī)律，進一步達到控制變形的目的。（2）化學熱處理主要是為了改善金屬材料表層相關性能，諸如提高金屬材料表層抗氧化性、提高金屬材料表層耐磨性等。然而，化學熱處理層深度有限，要想確保滲透層充分發(fā)揮作用，經(jīng)化學熱處理后，僅可開展磨削加工處理，而對于一般金屬材料而言，化學熱處理變形校正開展難度更大。

3金屬材料熱處理變形控制應遵循的原則

3.1科學性原則

金屬材料熱處理變形控制目標的達成，應當極力遵循科學性原則，唯有自科學層面對金屬材料熱處理變形的影響因素、熱處理工作工藝要求及熱處理工藝與金屬材料屬性相互間關系等開展全面系統(tǒng)的分析，方可盡可能確保金屬材料熱處理變形控制工作能夠符合當前金屬材料熱處理工藝的相關技術標準，唯有基于科學性原則的指導，技術人員方可依托現(xiàn)階段技術條件，達成金屬材料熱處理變形控制策略的科學有效應用。

3.2易操作原則

通常情況下，金屬材料熱處理工藝會選址于城市近郊開展操作，由于此類操作場地條件有限，無法達成金屬材料熱處理變形控制的科學精細處理操作要求，為了應對該種局面，金屬材料熱處理變形控制方案及相關技術在應用期間，就務必要提升金屬材料熱處理變形控制方案的容錯率，最大限度地減輕金屬材料熱處理變形控制工作所受外部環(huán)境的影響。

3.3實用性原則

作為人類改造大自然中必不可少的一項社會行為，金屬材料熱處理在自然環(huán)境改造中起到了至關重要的作用，歷經(jīng)從無到有、從小到大的一系列過程。在應用期間，對應需求的各式各樣金屬材料、技術成本在各項資金投入中占據(jù)極高比例。所以，金屬材料熱處理變形控制策略務必要秉承實用性原則，盡可能縮減金屬材料加工企業(yè)在該方面的人力、物力投入，進而可將更多的精力予以其他方面，推進熱處理工藝的科學有效應用，提高金屬材料品質(zhì)，促進金屬材料熱處理工藝的有序開展。

4金屬材料熱處理變形的控制策略

4.1熱處理前進行預處理

實際上，金屬材料出現(xiàn)變形并不單單是熱處理時才會出現(xiàn)，其他工藝如正火、退火等都會造成金屬變形。在進行金屬材料熱處理時，由于正火中溫度較高，容易造成金屬材料的內(nèi)部組織變形，因此，可以先進行預處理，控制溫度的正火處理最適當。做好正火處理工作后，可適當選擇相同溫度的淬火處理方式，加強金屬內(nèi)部結構均勻性，實現(xiàn)控制變形目標。除此之外，還刻意通過打開退火工藝，根據(jù)金屬材料自身組織特征，選擇適當?shù)耐嘶鸸に嚒?/p>

4.2淬火處理工藝

金屬熱處理中較重要的一項環(huán)節(jié)就是淬火處理工藝，在這一過程中如果引入淬火介質(zhì)不適合，會造成金屬材料內(nèi)部應力增加，進而造成內(nèi)部應力變形。要想處理淬火處理中出現(xiàn)的問題，就需要技術人員充分重視淬火處理工藝，并從現(xiàn)有工藝出發(fā)，進行適當?shù)拇慊鹛幚砉に嚒ＭǔＧ闆r下，金屬材料淬火冷卻過程中，要合理控制淬火速度，當淬火速度過快將會造成冷卻不均勻，金屬材料也容易變形。淬火常用的介質(zhì)為水油，當水溫在500～600℃時，冷卻速度可以在每秒550℃，當水溫在200～300℃時，冷卻速度可以選擇每秒約270℃。這一過程中金屬材料會出現(xiàn)馬氏體轉變，當冷卻速度較高時，會造成金屬材料變形。當在水中加入相當量的堿或鹽時，冷卻速度將會迅速提升，比如，上述的水溫在500～600℃時，冷卻速度可以在每秒550℃迅速變化為每秒1100℃。因此，水、鹽水以及堿水在碳鋼淬火冷卻時作為介質(zhì)的情況較多，但也可能會出現(xiàn)變形和開裂的狀況。

4.3適當?shù)睦鋮s方式

最常見的冷卻方式有分級淬火法、單液淬火法和雙液淬火法等，其中，單液淬火法容易實現(xiàn)自動化，卻難以滿足淬火冷卻速度需要，容易出現(xiàn)變形;雙液淬火法是將金屬材料加熱，在冷卻到速度較高的介質(zhì)中，直到溫度在300℃左右，再迅速轉至另一種介質(zhì)中，使金屬材料溫度達到常溫狀態(tài)。分級淬火法主要將受熱的金屬材料置于溫度較高的硝煙浴中，保溫處理3min左右，直到2.4零件結構合理配置金屬材料熱處理和冷卻時，還會受到零件結構影響，進而產(chǎn)生變形的情況。金屬材料較厚的地方冷得慢，薄處冷得快，在實際生產(chǎn)中要減少薄厚差異，盡可能控制過渡區(qū)域內(nèi)應力集中產(chǎn)生的變形情況。當金屬材料出現(xiàn)開裂狀況時，要采取措施確保零件截面的均勻分布，科學控制冷卻速度不均勻而造成的變形。零部件和材料組織成分要呈現(xiàn)對稱性，才能更好地確保應力的均勻性。

4.4裝夾方式要合理

控制金屬材料熱處理變形情況，要保證金屬材料加熱和冷卻時都能達到均勻或誤差在允許范圍內(nèi)的狀態(tài)，保證金屬應力均勻，產(chǎn)生均勻的組織應力。可以通過使用裝夾方式夾具，運用墊圈、支撐墊圈等確保應力均勻。

4.5機械加工要重視

金屬材料進行熱處理后，就需要開展機械加工，加工過程中要遵循金屬材料變形規(guī)律，采用收縮端預脹孔、反變形等方式控制金屬材料的變形，緊接著進入加工制造的最后階段。此時，要注意熱處理變形有一定的規(guī)定值，在加工處理前對工序尺寸進行檢測和修正，提升金屬材料熱處理效率。

5結束語

總而言之，金屬材料熱處理變形的影響因素及控制策略研究探討，有助于金屬材料制造與加工企業(yè)達成對金屬材料熱處理變形量的科學有效控制，進一步確保熱處理工藝在生產(chǎn)實踐中的高效應用。

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