金屬材料熱處理變形問題與開裂問題的解決方案探究

李 磊

（新余鋼鐵集團(tuán)股份有限公司，江西 新余 338000）

金屬材料熱處理就是改變固態(tài)金屬的形態(tài)，按照其特定的工藝制造需求進(jìn)行加熱、保溫或者冷卻，同時還需要在機(jī)械以及化學(xué)作用下，改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及性能，從而保證所生產(chǎn)的金屬產(chǎn)品能夠符合制造要求。

1 金屬材料熱處理工藝的優(yōu)點(diǎn)

為有效提升金屬材料的各項(xiàng)性能，需要給予熱處理加工，從而在多重方式的淬煉下，最大化降低金屬材料中出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物等相關(guān)雜質(zhì)，同時也能夠?qū)饘兕w粒進(jìn)行細(xì)化，進(jìn)而將金屬材料的內(nèi)應(yīng)力消除徹底，最大化提升金屬材料的強(qiáng)度以及韌性，保證金屬材料能夠更好的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。同時金屬材料熱處理能夠幫助金屬材料塑型，原子結(jié)構(gòu)在受到熱應(yīng)力以及重力勢能的作用下，其原子結(jié)構(gòu)就會被破壞，從而減弱了金屬材料的塑型難度。在工程生產(chǎn)上，就可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對金屬材料實(shí)施再塑型，從而將其應(yīng)用于精密細(xì)致的機(jī)械零件加工中。此外，金屬材料熱處理具有延長金屬材料使用壽命的特點(diǎn)，且能夠全面提升金屬材料的力學(xué)性能，從而避免金屬材料出現(xiàn)表面損傷或者局部塑性形變，以及金屬材料斷裂現(xiàn)象。并且熱處理能夠最大化減少應(yīng)金屬材料負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)的其他問題，基于此，金屬材料的整體使用壽命也會有所延長，工業(yè)生產(chǎn)成本減少，保證各企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟(jì)收益[1]。

2 熱處理變形開裂的原因

在對金屬材料進(jìn)行熱處理時，會因尺寸以及形狀改變導(dǎo)致出現(xiàn)變形現(xiàn)象，而導(dǎo)致此種現(xiàn)象的主要原因就是金屬材料熱處理時工件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力可以分為組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力，兩種應(yīng)力共同作用就會導(dǎo)致金屬材料工件變硬，如果作用力超過應(yīng)力變形極限，就會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)永久變形。

2.1 熱處理原因

在對金屬材料進(jìn)行熱處理時，可以采用冷卻以及加熱兩種方式，在熱處理操作時，金屬材料會因熱脹冷縮造成體積變化。金屬材料工件如果處于淬火溫度時，工件屈服強(qiáng)度就會有所降低，塑性提升，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時，就會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)塑性變形[2]。

2.2 組織應(yīng)力原因

金屬材料工件組織應(yīng)力中，切向應(yīng)力較軸向應(yīng)力大，且與金屬工件的表層較為接近。金屬工件的表面會受到拉應(yīng)力作用，而其內(nèi)部主要受到壓應(yīng)力作用。組織應(yīng)力在淬火過程中，會有形變以及開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，造成此種現(xiàn)象的主要原因就是熱處理操作時會受到組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力的作用。此外，金屬材料在熱處理過程中，會受到組織應(yīng)力影響外，還會受到金屬材料的介質(zhì)、冷卻速度以及成分、形狀的影響[3]。

3 金屬熱處理變形與開裂的解決方案

3.1 金屬鋼材

在制造金屬工件過程中，需要依據(jù)熱處理效果選用。一般情況下，高淬透性合金鋼以及碳鋼、微變形剛較為常用。高淬透性合金鋼多應(yīng)用于大截面尺寸以及形狀較為復(fù)雜的工藝中，而微變形剛多用于形狀復(fù)雜且有較高輕度要求的金屬工件制造中。合金鋼多用于例如Cr12MnV易淬裂以及變形的工件中。

3.2 對加熱溫度進(jìn)行控制

在熱處理過程中，需要根據(jù)合金材料淬透性的不同，選擇低溫淬火溫度，從而有效提升工件的淬硬效果。對于高彈合金鋼制造的工件，需要根據(jù)工件的不同，適當(dāng)調(diào)高淬火溫度，從而保證MS點(diǎn)殘留的奧氏體量得以降低。例如針對于Cr12MoV合金，其屬于高硬度工件模具，在制造過程中，為避免有弧形裂紋出現(xiàn)，需要選擇1040℃的淬火溫度。

3.3 冷卻方式

在合金工件的熱處理中，最為重要的生產(chǎn)工藝就是淬火冷卻，因其會直接對工件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。在淬火工藝上，需要選擇用熱油以及冷油，相比而言，在淬火時，熱油對工件變形的影響會較冷油小，且溫度多在80℃~120℃之間即可。此外，熱處理過程中的淬火攪拌形式以及攪拌的速度會直接影響變形的程度。對于金屬而言，其冷卻速度較快，但是卻不均勻，由此，會有很大的應(yīng)力出現(xiàn)，從而變形以及開裂的幾率會更大。

例如，在冷處理方式選擇時，需要考慮金屬材料的尺寸以及大小，同時與原材料的微觀原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，例如表1，為某工程熱處理工作的金屬材料尺寸。

表1 某工程熱處理工作的金屬材料尺寸

3.4 對鍛造以及預(yù)熱處理進(jìn)行控制

合金工件淬火前期，如果給予適當(dāng)?shù)奶幚恚蜁诤艽蟪潭壬蠝p少變形的影響。例如，某些高碳工具鋼制造工件，在熱處理過程中，需要確保制造淬火以及鍛造工藝的合理性，從而最大限度減少金屬材料中出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物以及偏析均勻現(xiàn)象。

而對于一些制造標(biāo)準(zhǔn)較高的工件，就需要做好應(yīng)力退火、正火以及調(diào)試處理工作，從而有效降低熱處理過程中出現(xiàn)的工件表面開裂以及合金變形現(xiàn)象。在淬火冷卻時，需要重點(diǎn)選好介質(zhì)，水和油是重要介質(zhì)。需要將水溫控制在550℃~650℃之間，從而提升冷卻速度。冷卻速度高，在200℃~300℃之間，冷卻速度下降快，會導(dǎo)致金屬變形。

4 結(jié)語

綜合上述分析可知，在金屬材料關(guān)鍵件以及重要件的制造過程中，需要給予熱處理工操作，而熱處理也是元件制造的重要組成部分。元器件的構(gòu)造材料不同，也會對熱處理金屬結(jié)構(gòu)有不同的影響。部分器件在熱處理時，會有開裂以及變形等情況出現(xiàn)，嚴(yán)重影響工件的整體質(zhì)量。

由此，在對金屬器件實(shí)施熱處理過程中，還需要嚴(yán)格把守質(zhì)量關(guān)，從而最大限度降低廢品率，避免有開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。與此同時，對于熱處理工藝的研究人員也需要不斷提升自身的綜合素養(yǎng)，從而不斷創(chuàng)新，對金屬材料熱力學(xué)性能進(jìn)行全面分析，進(jìn)而采取有效的措施避免熱處理變形現(xiàn)象出現(xiàn)，促使元件熱處理質(zhì)量獲得質(zhì)的提升。