金屬材料熱處理變形原因及防止變形的技術措施

王國東

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

金屬材料的熱處理是將固態金屬或合金，采用適當的方式進行加熱、保溫，然后采取合適的方式冷卻，使金屬合金發生固態相變，以獲得所需要的組織結構和性能的工藝。實際工業生產中，僅憑選擇材料和成形工藝并不能滿足工件所需要的性能，通過對金屬材料進行熱處理而獲得優良的綜合性能是必不可少的。但金屬材料的熱處理除改善材料的綜合性能的積極作用外，在熱處理過程中也不可避免地會產生或多或少的變形，而這又是工件生產過程中極力消除和避免的。因此，需要找出工件熱處理過程中發生形變的原因，采取技術措施把變形量控制在符合要求范圍內。

1 金屬熱處理變形的原因分析

在工業生產過程中，各種金屬零件早已成為機械制造的必要部分。在零件的設計、選材中，對綜合性能方面也提出了更高要求。特別是生產過程中，對產品熱處理加工后的品質提出了新要求。但在熱處理過程中出現形變等質量問題，一直是熱處理過程中難以克服的。以下就金屬材料的熱處理變形原因進行簡要分析。

1.1 金屬熱處理的內應力塑性變形

金屬工件進行熱處理時，通常經歷加熱、保溫和冷卻三個階段。由于加熱和冷卻的不均勻性，金屬組織在固態相變時的不同時等因素，致使工件在熱處理過程中產生一定的內應力。在內應力的作用下，金屬工件產生塑性變形。根據應力產生的不同原因，一般分為熱應力塑型變形和組織應力變形。熱應力塑型變形是由于金屬工件在加熱和冷卻過程中，零件的內外溫度不一致，致使熱脹冷縮的程度不同產生的。組織應力變形是由于金屬工件在熱處理時內部組織發生相變的時間不同而產生的。

內應力塑性變形與工件的結構和形狀有直接關系，變形具有明顯的方向性，體積變化并不明顯。內應力導致工件的塑性變形量與熱處理次數成正比。

1.2 金屬熱處理的比容變形

在熱處理過程中，由于金屬內部組織的相不同，相變時出現體積、尺寸等微小變化就是比容變形。比容變形一般與奧氏體中合金元素含量、滲碳體和鐵素體的含量、殘余奧氏體的多少以及金屬材料本身的淬透性等因素有關。

比容變形與內應力變形相比，具有變形方向不確定性。一般組織結構較均勻時，其比容形變在不同方向上的變化是相同的。另外，材料的比容變形與其經歷的熱處理工藝和次數無明顯的關聯性。

2 防止或減小金屬工件熱處理形變的技術措施

熱處理的“四把火”通常指正火、退火、淬火和回火。這些都屬于熱作用過程，分為加熱階段、保溫階段與冷卻階段。在采取措施防止或減小金屬工件熱處理變形時，往往在工件的結構、熱處理工藝參數、加熱方式，工裝工具的選擇以及冷卻介質等方面進行分析。

2.1 金屬工件結構方面

金屬工件在熱處理過程中，內應力的作用發生形變與工件的結構有很大關系。生產過程中長棒或長條狀、薄板狀、薄厚不均的工件極易發生變形。因此，在工件設計過程中，要充分考慮工件在熱處理過程中的形變，能夠通過校直方式調整工件變形的，加工余量可以小一些。不能進行校直的工件，要保證充分的加工余量，避免工件因熱處理后發生變形導致工件報廢。對于熱處理工序是最終生產工序的工件，在工件設計時應充分選擇好材料和工件結構的設計，以減少熱處理過程形變對工件的質量和使用性能的影響。

在滿足工件使用性能的情況下，工件設計應盡量減少工件厚薄懸殊，工件的截面力求平均，工件的結構盡可能保持對稱，以減少過渡區域因應力集中和冷熱不均而產生畸變和開裂傾向。需要熱處理的工件應盡量避免尖棱尖角、溝槽、小孔等特殊結構，在工件的厚薄相接處和臺階處要有圓角過渡，以減小應力集中。

2.2 熱處理工藝參數方面

熱處理工藝技術參數主要包括加熱速度與溫度、保溫時間、冷卻速度等。加熱速度過快、加熱溫度過高，不僅增大了工件的形變傾向，還會造成工件的過熱和過燒傾向，嚴重時會造成工件報廢。特別是薄壁和細長的工件，更容易發生變形。因此，在熱處理過程中應選擇合理的加熱速度和加熱溫度。在制定保溫時間的熱處理工藝參數時，應充分計算工件的有效厚度，確保工件在熱處理過程中有足夠的組織轉變時間和均勻化，以減小金屬工件的比容變形傾向。金屬工件往往在冷卻階段形變最明顯。冷卻過程中，不僅使工件產生內應力，出現彎曲等明顯的變形，而且由于發生組織轉變產生比容形變，出現體積增大等形變。因此，在滿足硬度值等零件設計技術要求的前提下，盡量選擇適宜或較緩的冷卻速度，以減少工件的形變傾向。

2.3 加熱方式及工裝工具的選擇

金屬工件的熱處理生產過程中通常選用的加熱爐有臺車式加熱爐和井式加熱爐。一般選用臺車式電阻爐較多，臺車式電阻爐具有爐膛內溫度均勻，加熱升溫平穩的特點，有利于減小工件在加熱過程中的形變。對于不同形狀和大小的工件應選用適合的加熱設備，比如，圓筒類、長管狀、長桿類的零件最好采用井式爐，垂直懸掛裝爐進行加熱，防止活件在加熱過程中的徑向彎曲。熱處理工件在裝爐時，盡量減少活件的堆垛碼放，特別是薄壁類工件以單件平放為宜。

為利于工件的裝爐和出爐冷卻，要對熱處理工件設計特定的工裝。在工裝工具的設計時，要充分考慮工件在工裝上放置的狀態和放置數量。桿類、管類、棒類零件最好選用垂直放置方式，其他形狀類工件以平放為宜，以盡可能降低工件在加熱和冷卻過程中變形為先決條件。

2.4 冷卻介質和冷卻方式

熱處理冷卻介質的冷卻能力，特別是金屬工件淬火過程中，淬火介質的淬火烈度對工件熱處理后的變形及開裂具有直接影響，是導致金屬工件變形的重要因素之一。實踐證明，冷卻能力越強的介質冷卻后變形的傾向越大。油類介質的冷卻速度比水性介質的冷卻速度慢，油淬后的變形量要相對小。在保證淬火硬度下，盡量采用冷卻能力相對小的介質。

在冷卻過程中，通常要對介質進行攪拌或通過循環泵對其進行循環冷卻，降低介質的溫度不均勻對工件變形的影響。金屬工件在熱處理的冷卻過程中，入液的方式對冷卻后的變形影響較為明顯。桿類、棒類、管類等細長類工件以垂直方式入液進行冷卻，變形相對較小。板條狀、框架類的工件入液冷卻的原則是以工件最小截面積入液。一些薄厚不均，形狀較復雜的零件，在尖棱尖角或薄厚過渡明顯部位，應采取石棉繩纏繞等緩冷措施。

3 減小金屬材料熱處理變形的其他方法

3.1 科學合理設計熱處理工藝

探索和創新不同的熱處理工藝方式，通過科學合理設置熱處理參數和探索多種形式的復合熱處理工藝，減少工件在熱處理過程中的形變，充分挖掘金屬材料的潛在性能。

3.2 探索新的加熱源和加熱方式

在新的熱源中，激光束、等離子體電弧等高能率熱源為熱處理未來熱源發展的方向。由于高能率熱處理的設備費用昂貴等原因，目前我國尚未大量應用，但其發展前景廣闊。采用真空和可控氣氛等加熱方式則是實現減少金屬氧化損耗和保證表面質量的主要途徑。

3.3 采用新的冷卻介質和改進冷卻方式

新型淬火介質的發展，特別是有機聚合物淬火劑的研究和應用，可明顯減少淬火變形和開裂傾向。為使工件獲得最佳的淬火效果，除合理選用淬火介質外，還需不斷改進現有淬火方法，并采用新的淬火方法。如采用高壓氣冷淬火法、沸騰水淬火法、深冷處理法等，均能獲得很好的淬硬效果，有效減少工件的變形和開裂。

3.4 研制開發各種新型熱處理設備

根據熱處理新工藝發展的需要，研制開發新型高效熱處理設備，這對提高熱處理爐的性能、提高熱處理工件的加熱質量，降低熱處理加熱過程中的工件形變十分重要。

4 結語

熱處理能改善工件的綜合機械機能，但熱處理過程引起工件的變形是不可避免的。任何因素的變化都或多或少地影響工件的變形傾向和形變大小。在熱處理過程中，能夠把握工件熱處理過程中導致工件變形的主要因素和關鍵點。通過分析和實踐，改進熱處理工藝技術，一定能夠在熱處理工件的形變問題上得到突破，制定出合理的技術措施，保證熱處理產品的質量和合格率。

[1]王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對策[M].北京：化學工業出版社，2008：99-100.

[2]馬伯龍，王建林.實用熱處理技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2009：56-58.

[3]張秀玉，邱光明.如何減小金屬熱處理變形[J].城市建設理論研究，2013，（10）：15.