金屬材料熱處理變形控制措施探析

張 磊

（鄭州煤礦機械制造技工學校，鄭州 450000）

熱處理是機械零件和工具制造過程中的重要工序，經(jīng)歷加熱-保溫-冷卻的工藝過程，內(nèi)部原子在高溫下發(fā)生劇烈運動，晶胞和晶格類型可能要發(fā)生改變，工藝性能和機械性能都會發(fā)生變化。在溫控科學、加熱和冷卻速度適中的情況下，可細化晶粒，提高材料致密度，力學性能會有所改善，使用壽命也會提高。但熱處理過程中，加熱和速度控制不當，會使組織相變，造成不良效果。尤其在冷卻速度控制不合理的情況下，零件內(nèi)部會出現(xiàn)殘余應力和變形，影響零件的使用安全。

1 材料熱處理變形因素分析

影響材料熱處理變形的因素有很多，例如，在相同熱輸入的條件下，材料本身的線膨脹系數(shù)和剛度、材料熱處理的方法等都會使材料的組織相變和應力表現(xiàn)有所不同，而變形是內(nèi)應力的釋放形式，是組織相變和應力產(chǎn)生的外在表現(xiàn)。因此，分析材料熱處理變形因素主要是考慮內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變。

1.1 時效處理造成的影響

時效處理是指工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形或鑄造、鍛造后，在較高的溫度或室溫下放置，其性能、形狀、尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。高溫時效（人工時效）會使殘余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕缺容^高的馬氏體，晶粒體積變大，致密性降低，工件的強度硬度提高，內(nèi)應力也會大大減少，但塑性塑性也會大大下降。低溫回火和自然時效會使材料內(nèi)部的馬氏體組織分解成鐵素體，內(nèi)部應力釋放，恢復原形，穩(wěn)定外觀尺寸。

1.2 材料成分和合金化程度造成的影響

原材料的成分及含量會影響金屬材料的變形，如碳化物數(shù)量、合金元素的形態(tài)和偏析。碳鋼的含碳量越高，硬度越大，塑性越低，熱處理時變形量就小，但內(nèi)部殘存應力大。合金元素含量多，也會提高材料的強度和硬度，熱處理工藝可在一定程度上減小變形，消除應力。化學熱處理就是將金屬材料表面合金化的應用，可以提高金屬材料的表面性能，如滲碳、滲氮、熱鍍鋅鍍鉻等。

2 金屬材料熱處理變形控制措施應滿足的幾個要求

2.1 科學有效

分析金屬材料熱處理變形的因素時，人們應從熱處理工藝過程、金屬材料的組織形態(tài)和性能入手，制定科學有效的熱處理變形控制措施，盡可能將材料的變形量控制在相關(guān)技術(shù)標準范圍內(nèi)。

2.2 簡單易做

控制材料熱處理變形時，必須遵循嚴格的操作規(guī)程。一般情況下，金屬材料熱處理技術(shù)一般安排在城市的近郊進行，條件比較簡陋，外部環(huán)境對金屬材料變形影響也比較大。若操作場地的條件無法達到熱處理變形控制的合理范圍，就必須在設(shè)計熱處理變形控制方案中，最大限度地降低方案的容錯率，盡可能控制材料的變形，減少外部環(huán)境對變形造成的影響。熱處理變形控制措施要簡單易做，減少干擾因素，確保熱處理工藝的質(zhì)量。

2.3 經(jīng)濟實用

在研究金屬材料熱處理變形控制方案中，企業(yè)投入的技術(shù)費用和金屬材料都比較多。如何在保證金屬材料熱處理效果和變形控制有效的前提下，降低企業(yè)的經(jīng)濟成本，也是熱處理變形控制方案應該考慮的內(nèi)容。

3 熱處理變形的控制措施

溫度是影響熱處理變形的重要因素，不同的熱處理方法加熱溫度和冷卻方式不同，熱處理的效果就不同。金屬材料熱處理工藝變形是內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生變化的外在表現(xiàn)。操作者必須根據(jù)材料的物理、化學、工藝與使用性能，分析與熱處理工藝相關(guān)的影響因素，然后在此基礎(chǔ)上制定科學合理的方法和技術(shù)，確保材料的殘余變形與應力最小。

3.1 金屬材料預先熱處理

金屬材料加工前可進行正火或退火處理，消除網(wǎng)狀滲碳體，提高材料的均勻性和結(jié)構(gòu)完整性，消除內(nèi)應力，為淬火、切削加工等后續(xù)工作做組織準備，為金屬材料的最終熱處理做組織準備，進一步提高熱處理的質(zhì)量，有效控制金屬材料的變形。

3.2 金屬材料最終熱處理

金屬材料加工成形后，為改善零件的使用性能，消除應力和變形，常采用淬火或回火處理。淬火工藝是對金屬材料熱處理較為關(guān)鍵的一步，可以提高材料的強度和硬度。冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水、堿水等，其冷卻能力依次增加。如果不合理使用冷卻介質(zhì)，將會導致內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生變化，金屬材料的內(nèi)部應力也會異常改變。因此，在金屬材料熱處理過程中，要不斷改進淬火工藝。在金屬材料的淬火冷卻過程中，必須合理地控制冷卻速度，以保證淬火的效果，要考慮淬透性和淬硬性，真正達到熱處理的目的。

3.3 金屬材料熱處理中冷卻方法的選擇

金屬材料的熱處理主要是單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火和等溫淬火等。常用的是單介質(zhì)淬火單介質(zhì)和雙介質(zhì)淬火。單介質(zhì)淬火是將淬火零件放到一種淬火介質(zhì)中冷卻，這種方法操作簡單，易實現(xiàn)機械化和自動化，但易變形和開裂。而雙介質(zhì)淬火是將加熱后的金屬材料先放到冷卻速度比較快的介質(zhì)中冷卻，等溫度在短時間內(nèi)達到300℃時，保溫2～3min，再放入冷卻速度比較低的冷卻介質(zhì)中冷卻。金屬熱處理的冷卻過程主要由冷卻速度決定淬火介質(zhì)。如果金屬的冷卻速度過快，會導致金屬表面不均勻冷卻，影響材料的淬透性，從而使材料內(nèi)部的拉應力增加，工件自然變形量就大。

3.4 夾具和裝夾方式的選擇

為了控制材料變形，確保金屬材料加熱和冷卻過程中重心平衡、溫度應力均勻，要合理地選用夾具和夾緊方式。另外，在熱處理過程中，材料要留有足夠的自由變形量，確保無外力干預下自由伸縮，盡量減少應力和變形。

4 結(jié)語

熱處理工藝是金屬材料加工過程中的重要工序之一，用途廣泛。其本質(zhì)就是通過改變金屬內(nèi)部或表面的組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)，提高金屬材料的工藝性能和使用性能，如強度、硬度、耐磨性和耐蝕性等。同時也可以彌補材料在某些性能方面的不足，如金屬材料表面的化學熱處理，如滲碳、滲氮、滲硼、離子鍍滲鋁等，極大地滿足了零件本身和科技發(fā)展的需要。不同金屬材料的熱處理變形是不可避免的，人們需要在長期實踐基礎(chǔ)上不斷總結(jié)變形規(guī)律，找到更好的工藝方法，做到預防和控制相結(jié)合，盡可能地減少工件變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最大限度地滿足金屬材料的使用需求。