金屬材料熱處理變形的影響因素與控制

趙敏

摘要：隨著我國經濟的快速發展，工業生產能力迅速提高，對機械精度和性能的要求越來越高。在實際工件制造過程中金屬熱處理工藝必不可少，其在改善材料各種性能的同時，不可避免地會出現熱處理變形問題，會對金屬工件的強度、精度、傳輸功率、振動、使用壽命等方面產生重要的影響。基于此，主要從金屬材料熱處理變形的影響因素入手，提出了相應的改進措施。

關鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;影響因素;控制

引言

熱處理工藝是使各種金屬材料獲得優良性能的重要手段，但在處理過程中金屬材料不可避免地會產生或多或少的變形，而變形則會對機械加工的后續工作產生至關重要的影響。目前要達到完全不變形是不可能實現的，但要盡量將變形量控制在允許的范圍內。本文主要針對金屬材料熱處理變形的影響因素進行分析探討，并提出有針對性的改進措施，旨在更好地促進金屬材料加工領域的可持續發展，提高行業核心競爭力。

一、金屬材料熱處理過程中變形的種類

金屬合金在熱加工過程中發生形變是不可避免的，在多數的加工工藝過程中，會產生兩種類型的形變。一種是比容形變，這種形變和金屬材料中碳元素和一些微量的金屬元素有關，通過研究人員的探究發現，金屬合金材料的比容形變是普遍存在的，和鐵素體、游離碳和比容變化的差有不可分割的關聯。金屬合金材料的比容形變具有各向同性，也就是說在一塊均質的金屬內部，在進行熱加工的過程中，金屬材料向不同方向上發生著相同的形變。發生比容形變后的合金會發生尺寸大小的明顯變化;另一種金屬材料熱處理過程中的變形是內應力塑性形變，這種形變產生的原因是金屬塊的溫度不均勻導致的，具體來說就是在熱加工過程中金屬塊的不同位置溫度不均勻，導致不同部位的冷卻速度也不同，因此隨著溫度的下降，金屬的不同位置發生著不盡相同的熱脹冷縮相應，這種原因產生的不良形變就是熱應力塑性形變。

二、熱處理過程中影響金屬材料變形的因素

1.溫度的測量與控制

溫度是熱處理工藝規范中非常重要的工藝參數。若溫度測量不準確，熱處理工藝規范就得不到有效執行。溫度的測量與控制對于保證產品的質量至關重要，其也是影響變形的關鍵因素。目前，我國針對金屬材料熱處理工藝的溫度控制與檢測能力還較為薄弱，無法準確地控制材料熱處理過程中溫度檢測的精度，因而造成了金屬材料結構在熱處理過程中受到了損壞。

2.應力的影響

金屬材料都具有特定的密度，在熱加工的過程中，由于受熱不均會導致金屬材料的變形。一般情況下，金屬的熱加工要先進行加熱，然后處于一段時間的保溫期，之后在進行熱加工。然而在加熱和保溫時，材料的內外以及不同的位置會產生溫度的差別，這就導致了不同位置狀態的不同，當低溫處還是硬的狀態時，高溫處已經變軟，這種應力的不同就會使材料產生不良的變形。

3.淬火的影響

金屬材料加工的過程中，淬火是一個必不可少的操作。淬火可以使材料的性質發生改變，是材料的硬度變高，抗腐蝕性能變強等。在淬火的過程中一定要選擇合適的淬火介質，可以控制金屬材料的形變程度，這對提升加工品質是至關重要的。

4.預處理

在對金屬材料進行熱處理之前，為了徹底消除應力，一般都需要進行預處理。通常情況下，預處理采用的都是正火處理方式，受場地的限制，正火工藝的冷卻過程多為堆疊冷卻，由此容易導致加熱爐內的金屬材料冷卻不均勻，進而造成組織不均，當對金屬材料進行熱處理時，變形則會不一致。除此之外，正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏組織等都會進一步增大熱處理變形的可能性。

三、金屬材料熱處理變形應對措施

1.控制熱處理溫度

在金屬熱處理過程中，由于溫度對金屬材料變形有著重要影響，所以必須加強對爐內溫度的精確控制，以滿足熱處理工藝的需要。具體方法：（1）提高爐內溫度均勻性，特別是保證工件加熱階段的溫度均勻性，有助于減小變形。（2）確保不同部位的零件以相同的速度升溫，也能有效控制變形。（3）在加熱前先進行預熱，減少因升溫過快而引起的溫度分布不均勻，從而避免由此造成的變形。（4）在溫度超過Ac3后，溫度升高而導致內應力加大，增加了變形的可能性，此時降低工藝溫度，縮短熱處理時間，都會減少變形量。

2.減少熱處理過程中的殘余應力

由于殘余應力對工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響，故應加大研究力度，減少金屬材料熱處理過程中產生的殘余應力。實現方法：（1）根據金屬材料的不同性質，在其中添加一定比例的合金元素，不僅能夠使金屬材料的抗應力性能得到優化，還能延長金屬材料的使用壽命，使其更好地適應熱處理工藝的要求。（2）金屬材料熱處理前，需對金屬材料本體缺陷進行處理，加大檢測力度，如存在表面粗糙、劃傷、裂紋等不利因素，應采用焊接、高溫塑變等方式對金屬材料進行修復，防止其在淬火過程中因熱脹冷縮的作用力而引起變形或開裂，為后續的金屬材料熱處理提供保障。

3.合理淬火

在金屬材料熱處理工藝中，淬火是核心內容，會對變形產生直接影響。在實際熱處理流程中，要高度重視工藝技術創新，降低淬火失誤率。一旦淬火介質不合理，極易導致金屬材料內應力失衡嚴重，最終造成變形問題。就淬火介質來看，主要包括水和油，因此必須要重視溫度控制，以降低熱處理變形幾率。一般情況下，將水溫控制在55℃-65℃之間，油溫控制在60℃-80℃之間，保證淬火速度合理，改善冷卻效果，確保金屬材料熱處理變形量得到明顯減少。

4.改進冷卻工藝

不同的淬火方式需要不同的冷卻方式。在金屬材料熱處理淬火過程中，使用較多的是單介質淬火和雙介質淬火，分級淬火等方式。以雙介質淬火為例進行說明，金屬材料使用雙介質淬火方式進行淬火冷卻，冷卻過程分兩個階段進行。首先，將淬火后的金屬部件放入快速冷卻介質中冷卻，這時金屬部件溫度快速下降到300℃，而后經過短時間的保溫階段，將淬火后的金屬部件放入慢速度冷卻介質中冷卻，實現金屬材料的兩次冷卻。兩次冷卻過程因冷卻速度的差別所選用的冷卻介質也會不同。冷卻工藝中，對熱變形影響最大的部分是快速冷卻，因為快速冷卻會提高金屬內的拉力。

5.有效加工

在金屬材料熱處理過程中，機械加工環節需要保證余量存留的合理化，為金屬材料變形量提供充足保證，淬火合格率也能夠得到明顯提升。由于夾裝工具不同會對金屬材料形狀產生影響，因此在金屬材料熱處理操作過程中，要明確加工零件的要求及特點等情況，對夾裝方式進行合理化選擇，降低熱應力不均衡而造成變形的幾率。若金屬材料加工過程中需要采取熱處理措施，則需要保證金屬材料具備形變的條件。要對金屬材料變形規律形成正確認識，保證淬火變形合格率，切實提升金屬材料質量，依據加工工件技術要求來衡量金屬材料變形值，確保變形處于合理范圍內。

結束語

綜上所述，金屬材料熱處理變形受多種因素影響，每種因素變化都會或多或少地影響其變形度。因此，在選擇熱處理變形的控制方法時應具體問題具體分析，因地制宜，因時制宜，通過改進熱處理工藝技術，采用科學合理的方式，才能確保在整個熱處理過程中有效地控制應力對材料變形造成的影響，保證熱處理產品的質量和合格率。

參考文獻

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