淺談影響金屬材料熱處理變形的因素與控制策略

孔淑妹

摘要：工業發展日新月異，對機械精度和性能的要求也越來越高。金屬材料熱處理是獲得各種金屬材料優良性能的重要手段，熱處理是必不可少的一部分，主要的作用原理為通過加熱、冷卻等適當的方式實現金屬合金內容組織、結構的變化，實現材料性能的改善。金屬熱處理雖然可能使材料的性能改善，但也不可避免的會出現變形，影響工件的強度、壽命、精度等。因此，在金屬材料熱處理的過程中要盡可能地降低其變形量。本文主要對變形控制的關鍵因素進行了分析，同時提出了降低變形量的有效措施。

關鍵詞：金屬材料；熱處理；措施

熱處理工藝在實現金屬材料性能改良方面有著非常重要的積極意義，但在利用熱處理技術進行金屬材料處理的過程中也存在材料變形等消極影響，只能采用相應的方法盡量把變形量控制在盡量小的范圍內。因此，在金屬材料熱處理的過程中要通過有效的方法對變形進行控制，使其保持在最小的范圍之內。

一、金屬材料變形的影響因素

根據，不同零件的結構特點，制定適合該零件的熱處理順序，可相應的減小熱處理帶來的變形，盡量使各部分熱處理產生的變形可以相互抵消。一般情況下，除非非常精密的零件，才會采用此種方式。

金屬的正火、退火以及在進行淬火之前的調質，都會對金屬最終的變形量產生一定的影響，直接影響到的是金屬組織結構上的變化。淬火的攪拌方式和速度均影響變形。金屬熱處理冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產生的應力越大，模具的變形也越大。金屬熱處理后在冷卻過程中，總是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。

工件應盡量避免尖銳棱角、溝槽等，在工件的厚薄交界處、臺階處要有圓角過渡；盡量減少工件上的孔、槽筋結構不對稱；厚度不均勻零件采用預留加工量的方法。

采用合理的裝夾方式及夾具，此方法的目的是使工件加熱冷卻均勻，以減少熱應力不均，組織應力不均，來減小變形。當熱處理是工件加工過程的最后工序時，熱處理畸變的允許值應滿足圖樣上規定的工件尺寸，而畸變量要根據上道工序加工尺寸確定。

采用合適的介質，在保證同樣硬度要求的前提下，盡量采用油性介質，實驗和實踐證明，水溫變化對水性介質冷卻特性的影響較大，在同樣的熱處理條件下，油性介質相對水性介質淬火后的變形量要相對小。

二、減少金屬熱處理變形的措施和方法

為了有效地減少熱處理所導致的變形，其關鍵在于選擇合適的熱處理工藝。為了保證工件在熱處理后的精度，可以通過研究金屬工件熱處理變形規律的方法，從而使工件在熱處理之后的尺寸每個滿足設計的要求。這對于工件的變形規律提出了比較高的要求。這種方式等于金屬的熱處理要求比較高，是一種比較理想的方法。為了改善金屬熱處理的變形情況，可以采取以下幾個方面的措施：

（一）做好熱處理之前的預處理。

金屬熱處理的不同工藝都會影響到金屬的最終變形量。正火中的溫度過高，都會導致金屬材料內部的變形增大。在研究中發現在正火處理之后，可以采用等溫淬火的方法來提高金屬材料結構的均勻性，從而減少其變形。對于不同的工件的結構特點，采用不同的熱處理工序，可以有效地減少熱處理中的變形，并且使熱處理中的變形能夠相互抵消，從而達到改善變形的目的。這種方法比較復雜，花費的時間比較多成本比較高，對于要求精度比較高的零件考慮采用這種方法。

（二）做好淬火處理工藝。

淬火冷卻是熱處理中的關鍵，如果采用不合理的介質，那么就會導致內部比較大的應力，引起變形或者開裂，因此在淬火冷卻的過程中要保證穩定的速度。金屬淬火冷卻過程對變形的影響也比較大，如果熱冷卻處理的越快，那么冷卻也越不均勻，工件的內部壓力也將越大，工件的變形也越大。在淬火冷卻的過程中采用水和油來作為介質，水在550℃-650℃的范圍內的冷卻速度比較大，在200℃-300℃的范圍其冷卻速度雖然大幅下降，但速度仍然比較大，最終容易使金屬材料的變形。但是在水中加入一定的鹽和堿，可以提高在550℃-650℃之間的冷卻速度，保證了200-300℃之間的冷卻速度不變。鹽水或者堿水都常常用來作為淬火的冷卻介質，容易引起金屬材料的變形。油在200-300℃之間的冷卻速度比較慢，可以解決金屬材料在淬火時的變形情況。但油在550-650℃冷卻速度不大，只用在合金鋼的淬火冷卻中。因此硬度要求一致的前提下，盡量使用油來作為介質，油和水在條件相同的情況下，油性介質的冷卻速度慢，而水性介質的冷卻速度較大，對于金屬的變形影響較大。

（三）冷卻方法的選擇。在金屬材料的熱處理中，冷卻是其關鍵的步驟。常見冷卻處理方法有雙液淬火、單液淬火法、等溫淬火以及分級淬火法，其中單液淬火的方法能夠滿足自動化和機械化，但其缺點是難以控制淬火冷卻的速度，且水淬法容易產生變形，而油淬法容易導致工件硬度不均勻以及硬度不足。雙液淬火法是加熱的工件先放在冷卻速度比較快的介質中冷卻到300℃左右，接著再立即放入到冷卻速度較慢的介質中到冷卻。例如結構比較復雜的碳鋼工件采用水淬和油淬相結合方法，在水中冷卻到300℃后再放到油中進行冷卻；對于合金鋼來說，需要采用油淬和空氣冷卻結合的方法。在保證工件硬度要求下，采用預冷的方式。分級淬火冷卻的方式，能夠減少工件內部熱應力和組織預冷，對于改善結構比較復雜的工件變形有重要的幫助。分級淬火是將加熱的工件放到溫度較高的堿液或者鹽液中，持續2-5 分鐘待工件內外溫度一致放到空氣中進行冷卻，但這種冷卻方法由于溶液的冷卻能力較低，只適用尺寸比較小以及尺寸精度要求較高的工件。對于結構特別復雜以及精度要求比較高的工件，考慮采用等溫淬火冷卻的方法。

（四）夾持方法的選擇。

不同的夾裝方法對零部件熱處理過程中的變形具有一定的影響，選擇合理的裝夾方式能使工件熱處理過程中受熱和冷卻均勻，對降低金屬組織應力不均以及變形都有重要的意義。可以考慮使用支承墊圈、補償墊圈、疊加墊圈等方式，有花鍵孔的零部件可以考慮使用花鍵心軸等方式。

三、總結

熱處理工藝存在的變形情況對工藝的效率有一定的影響，為了確保工件的精準性，在工件熱處理過程中須通過相應措施將變形控制在最小范圍內。在熱處理工藝過程中，對變形影響最大的因素是溫度，要注重溫度的控制，從而對金屬材料變形進行有效的控制。

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