金屬材料熱處理變形及開裂問題研究

趙梅春，孫志輝

（1.河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400；2.河南省大方重型機器有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400）

1 金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用及其優(yōu)勢分析

1.1 金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用

金屬材料熱處理分為四個步驟:退火、正火、淬火、回火。在熱處理過程中，將金屬材料放進特制裝置中，加熱到臨界溫度30°～50°之間，保溫暫緩一定時間，再進行緩慢冷卻，以此提高其各項性能。

1.2 金屬材料熱處理工藝優(yōu)勢

提高金屬材料各項性能：金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用，使金屬材料經(jīng)過多重方式的淬煉，減少金屬材料中存在的網(wǎng)狀碳化物等雜質(zhì)，細化金屬顆粒，消除金屬材料內(nèi)應(yīng)力，從根本上提高金屬材料的韌性與強度，有助于其在工業(yè)生產(chǎn)中得到更有效的利用。幫助金屬材料塑型：金屬材料在熱處理過程中，原子結(jié)構(gòu)受熱應(yīng)力與重力勢能的雙重作用，原子結(jié)構(gòu)被破壞充足，在加熱過程中金屬材料得到一定程度的軟化，降低了金屬材料塑型的難度，工業(yè)生產(chǎn)方面可根據(jù)實際需求對金屬材料進行再塑型，用于制作一些較為精密細致的機械零件。延長金屬材料的使用壽命：金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用，從根本上提升其力學(xué)性能，幫助其能夠抵抗局部塑性形變或抵制表面損傷的能力，使其在熱應(yīng)力與重力勢能的作用下不斷裂，能夠有效抵抗金屬材料斷裂問題，減少應(yīng)金屬材料超負荷運轉(zhuǎn)而帶來的各項問題，真正的延長金屬材料的使用壽命，降低工業(yè)生產(chǎn)成本，獲取更高的經(jīng)濟效益。

2 金屬材料熱處理中造成變形與開裂的主要原因

2.1 金屬材料熱處理過程中的冷卻方法選擇錯誤

金屬材料熱處理過程共分為退火、正火、淬火、回火共四個步驟，在這一過程中，對于冷卻技術(shù)的要求較高，冷卻技術(shù)選擇錯誤，容易導(dǎo)致金屬材料冷卻不均勻問題的出現(xiàn)，不利于金屬材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，對其后期應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。目前金屬材料熱處理中主要應(yīng)用雙液淬火與單液淬火兩種方式，這兩種方式各有其優(yōu)勢及缺陷所在，雙液淬火法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的快速降溫，但其淬火效率較慢，而單液淬火法使用于熱處理工作量較大的金屬材料，但其淬火速度不可控。金屬材料熱處理過程中對冷卻方法的選擇不當，影響金屬材料的變形有效控制應(yīng)力，不利于熱處理質(zhì)量的提升，對金屬材料的性能提升產(chǎn)生負面影響。

2.2 溫度控制不合理

金屬材料熱處理過程中，對溫度控制的要求極高，在各個步驟中對溫度控制有著不同的要求，溫度控制失衡是造成金屬材料熱處理變形及開裂問題的主要原因之一。對金屬材料加熱爐內(nèi)的溫度不重視，未經(jīng)過精密的溫度測量而直接輸送金屬材料進行熱處理，容易造成金屬材料質(zhì)量問題，甚至導(dǎo)致金屬材料報廢、不能投入使用。在金屬材料熱處理過程中，對加熱速度、加熱溫度、保溫時間等各項工藝參數(shù)的把控不穩(wěn)定，熱處理工藝技術(shù)得不到科學(xué)規(guī)范的落實，容易導(dǎo)致金屬材料變形與開裂等缺陷的發(fā)生，金屬材料的表面硬度降低，淬透性受到不利影響，金屬材料不能夠適應(yīng)熱應(yīng)力變形的壓力，屈服強度降低，導(dǎo)致金屬材料的質(zhì)量下降。

2.3 熱處理過程中殘余應(yīng)力引起金屬材料變形與開裂問題

拉應(yīng)力在正常的金屬材料熱處理過程中，不會導(dǎo)致變形與開裂問題，但當拉應(yīng)力與多項應(yīng)力同時存在，產(chǎn)生對沖關(guān)系時，金屬材料所承受的總應(yīng)力大于臨界值，殘余應(yīng)力體系導(dǎo)致金屬材料變形與開裂問題。或因工作環(huán)境存在雜質(zhì)、熱處理使用溫度、工作介質(zhì)與殘余應(yīng)力體系的多重因素作用下，金屬材料的抗腐蝕性能與防開裂能力大大降低，誘發(fā)開裂敏感性，使金屬材料表面的控制裂紋保護膜破裂，出現(xiàn)局部開裂、變形現(xiàn)象，影響了金屬材料的使用質(zhì)量與壽命，不利于其廣泛應(yīng)用于機械零件制作與工業(yè)生產(chǎn)中。

3 如何避免金屬材料熱處理中變形與開裂問題發(fā)生

3.1 加強對金屬材料熱處理過程中冷卻技術(shù)的選擇把控

冷卻作為金屬材料熱處理過程中的重要環(huán)節(jié)，其在冷處理的過程中將殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，增大金屬材料體積，再經(jīng)過回溫與淬火，分解馬氏體，當冷卻技術(shù)選擇應(yīng)用不當時，容易導(dǎo)致金屬材料承受不住應(yīng)力松弛的影響，誘發(fā)變形與開裂問題。

針對這一情況，相關(guān)部門在進行金屬材料熱處理過程中，必須加強對冷卻技術(shù)的選擇把控工作。

例如，相關(guān)部門可根據(jù)金屬材料的尺寸大小進行考量，結(jié)合對原材料的微觀原子結(jié)構(gòu)如碳化物數(shù)量、合金元素含量、纖維鍛造方向及金屬材料的應(yīng)用方向等多種工藝參數(shù)進行分析，針對性選擇最為合適的冷卻處理手段。如圖1所示，圖1為某工廠需進行熱處理工作的金屬材料尺寸。

圖1 某工廠需進行熱處理工作的金屬材料尺寸

3.2 精確金屬材料熱處理過程中對溫度的控制

在金屬材料熱處理工藝規(guī)范中，溫度是其中的重要參數(shù)，溫度測量不準確、控制不合理，都會對熱處理產(chǎn)生不良影響，降低金屬材料應(yīng)用質(zhì)量。為解決這一問題，相關(guān)工業(yè)部門必須精確金屬材料熱處理過程中對溫度的控制工作。

3.3 減少金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致其表面保護膜被破壞，產(chǎn)生變形與開裂問題，降低了金屬材料的質(zhì)量。為解決這一問題，相關(guān)工藝部門必須減少金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

例如，根據(jù)金屬材料的不同性質(zhì)，在其中加入一定比例的合金元素，能夠有效優(yōu)化金屬材料抗應(yīng)力性能，延長金屬材料的工作壽命，使其良好適應(yīng)熱處理工藝處理。除此之外，相關(guān)部門在開展金屬材料熱處理工作前，要注意金屬材料本體缺陷的處理，防止因金屬材料表面過度粗糙、存在劃傷、裂紋等不利因素，導(dǎo)致在淬火過程中因熱脹冷縮的作用力而引起變形或開裂，對金屬材料進行檢測，采用焊接、高溫塑變等方式對金屬材料進行修復(fù)，保證后續(xù)熱處理工作的穩(wěn)定由于開展。

4 總結(jié)

熱處理作為金屬材料處理中必不可少的一部分，一直以來得到工業(yè)部門的重視。為解決處理金屬材料熱處理中的變形與開裂問題，相關(guān)技術(shù)人員必須深入探索剖析造成金屬材料熱處理變形與開裂的主要原因，并針對性提出相應(yīng)措施進行解決。從根本上提高金屬材料各項性能，避免因熱處理引發(fā)的問題而導(dǎo)致金屬材料不可使用，造成不必要的資金浪費，阻礙了工業(yè)生產(chǎn)的進一步完善發(fā)展。