金屬材料熱加工裂紋與控制技術分析

唐偉

摘要：熱加工技術是現代常用金屬材料處理技術，技術應用價值較高，可實現對金屬材料的科學處理。為達到理想化金屬材料加工效果，本文將通過對金屬材料性能和熱加工技術間關系的分析，對常用金屬材料熱加工技術展開探討，進而通過對熱加工裂紋產生機理的解析，對金屬材料熱加工裂紋及其控制技術展開全面論述，旨在提升熱加工裂紋控制水平，保證金屬材料加工質量。

關鍵詞：熱加工技術;材料耐久性;裂紋控制技術;金屬材料;振動處理技術

0? 引言

作為工業生產主要材料，金屬材料加工質量會直接影響到整體生產效果，是工業生產管控重點內容之一。為進一步提升金屬材料加工質量，降低熱加工裂紋問題影響程度，領域學者加大了對材料熱加工裂紋及其控制技術的研究力度。為獲得理想研究效果，學者在對加工裂紋以及控制技術展開研究之前，需要先明確金屬材料性能和熱加工技術間的關系，以為后續研究提供支持。

1? 金屬材料性能和熱加工技術間的關系

1.1 材料切割與熱加工預熱

在對金屬材料實施切割時，需要按照金屬材料自身所具有的各項特性，對切割工具展開選擇，以便獲得最佳切割效果。同時在進行切割時，由于施工現場相關環境會對金屬材料光澤以及變形等情況產生影響，所以需要做好熱加工工藝選擇，要按照具體情況科學展開預熱處理，以為后續材料切割順利開展奠定良好基礎[1]。合理的材料熱處理，可妥善解決切割環節刀具粘連問題，能夠達到切實提升切割精準度以及效率的目標，可切實強化金屬零部件質量與性能。

1.2 材料耐久性與熱加工應力

在長時間外力作用或腐蝕條件影響之下，金屬材料會因為熱加工應力作用而出現開裂或腐蝕等問題，此時需要結合材料自身耐久性以及熱加工應力等特征，對兩者間內在聯系展開分析。在多數情況下，兩者之間關聯密切程度極高，想要徹底解決熱加工剩余應力對于材料的負面影響，可通過提升材料耐久性以及質量的方式達到相應控制效果[2]。（圖1為熱加工應力作用效果圖）

1.3 材料疲勞性與熱加工溫度

材料熱處理操作需要結合整體施工過程以及熱處理工藝等相關內容，要通過綜合分析達到有效提高金屬產品性能以及質量水平的目標。在經過高溫處理后，如果可在短時間內對其展開冷卻處理，可使材料承受應力逼臨界值，此時材料很容易會出現斷裂問題，所以在實際操作時需要做好熱處理溫度把控，以防發生材料斷裂狀況。

2? 常用熱加工技術

2.1 振動處理技術

振動處理技術，即振動時效技術，會通過對振動器以及振動電源的運用，在金屬加工過程中對其施加一定頻率與方向的振幅的方式，對金屬內應力進行抵消，進而達到提升金屬材料穩定性的目標，能夠實現對材料屈服強度的有效控制，材料加工變形量相對較低。該項技術的應用可實現對金屬裂痕以及受熱彎曲問題的有效控制，能夠保證金屬大小不發生明顯改變[3]。同時在計算機控制技術支持下，振動處理技術應用可達到對金屬振動過程各項參數實施有效控制的目標，能夠切實提高材料處理效果與效率，降低材料生產對于生態環境的影響，優勢較為明顯，值得廣泛使用。

2.2 激光熱處理技術

該項技術穿透能力較強，可在表面堅硬材料處理中進行使用。熱處理加工效果以及金屬表面硬度強化效果較為理想。為達到精準應用目標，在對該項技術進行使用過程中，需要通過對計算機以及相關設備的借助，對激光使用實施管控，以求達到精準使用目標[4]。因為受到計算機技術支持，該項技術應用自動化水平呈現出了顯著提升的態勢。

2.3 熱處理CAD技術

CAD屬于先進型材料熱處理工藝，在具體進行技術應用過程中，會通過對計算機技術的運用，對熱處理過程展開模擬，進而通過智能化手段完成相應加工任務。在具體操作時，技術人員會通過對相關數據信息的運用展開熱處理模型構建，進而通過模擬獲得相應結果，篩選出最佳處理方案，做好各項細節調節[5]。

2.4 薄層滲透技術

該項技術是將化學成分薄層滲透到金屬材料之中的一種熱加工技術，與傳統處理技術相比，此種技術在進行應用時，并不需要滲透過深，便可以對金屬表面柔韌性以及硬度展開調整，技術應用可實現對金屬表層形態的有效改變，能夠達到切實降低材料加工過程中的不必要浪費[6]。就目前技術應用成效來看，該項技術應用具有加工效果理想、生產方式簡單以及加工成本低廉等方面的優勢，且節能減排效果較為理想，材料加工效率較高。

3? 熱加工裂紋產生機理

金屬材料熱加工主要包括熱處理、鑄造、鍛壓、焊接以及軋鋼五部分內容。按照材料學以及傳統力學理論，裂紋屬于不可逆熱力學過程，在進行金屬材料損傷容限評估生產以及使用過程中，一般會假定斷裂是微裂紋發展必然趨勢[7]。但從另一層面而言，結構與成分的不均質問題，像含有微裂紋材料等，均會在熱力條件允許環境中，向均勻化方向進行發展，而這也是熱力學根本原理的直觀呈現。綜上所述，金屬材料熱加工裂紋產生機理可以理解為，是在擴散作用影響下，金屬原子宏觀、定向遷移，生成裂紋之后，降低系統化學自由焓的現象。

4? 熱加工裂紋和控制技術

為明確控制技術具體應用方式，在此將以某公司圓鋼生產為例，通過對熱加工裂紋形成情況的分析，對裂紋控制方式展開詳細探究。

4.1 案例分析

某公司在進行圓鋼軋制生產過程中，出現了間歇式連續微裂紋。經過綜合調查發現，該批次產品裂紋發生概率極高，需要及時展開處理，以防對公司形象產生不利影響。鑒于此，公司決定運用金相分析以及顯微鏡等調查手段確定裂紋產生具體原因。在調查時，技術人員對圓鋼宏觀形貌、顯微組織、附近組織脫碳情況、鑄坯低倍形貌等展開了詳細調查與分析，確定了本批次產品缺陷問題形成主要原因。

4.2 裂紋影響因素

4.2.1 銅管倒錐度與結晶器冷卻

如果鋼管錐度超過標準數值，在進行鑄坯運動時，便會產生較大摩擦力，進而對表面質量產生影響。同時結晶器水量，也是對鑄坯初生坯殼形成影響的主要因素之一，需要做好相關控制。

4.2.2 二次冷卻強度

通過調查分析發現，結晶器是造成表面裂紋的重要原因，如果結晶器存在裂紋，且此時產品已經處于二冷區環境中，此時若冷卻強度較大，且會因為鑄坯熱應力影響，而加劇裂紋影響程度。

4.2.3 鑄坯矯直壓力與溫度

在張力作用影響下，在脆化溫度區中的鑄坯很容易會產生橫裂紋現象。此時如果二冷制度存在問題，在鋼脆性溫度區內展開矯直處理時，也會產生不同程度的裂紋。在矯直力數值超過鑄坯應變相應數值時，便會出現矯直裂紋問題。

4.2.4 保護渣性能

保護渣性能問題主要體現在三個方面：①保護渣相對較高，在結晶器壁和鑄坯間的流入渣量相對較少，或存在液渣膜厚度不達標狀況，沒有達到良好的潤滑效果，導致出現振痕扭曲或混亂問題，造成皮下部分出現裂紋問題;②在進行鑄坯運動時，產生了一定量的摩擦力，導致凝固坯殼出現溫度不斷上升狀況，致使坯殼粘黏在結晶器壁之上，此時會在鑄坯表面生成細小裂紋;③如果保護渣導熱性能不達標，會在而冷卻階段產生不均勻問題，會形成一定量的拉應力，進而對鑄坯形成影響，導致存在黏渣鑄坯處出現裂紋。

4.3 裂紋控制技術

鑒于裂紋影響因素分析結果，技術人員采用以下幾項手段對裂紋問題展開了控制：

①對銅管錐度以及結晶器水量展開調整。按照錐度以及水量問題分析結果，對錐度以及水量展開適當調節。根據本次加工具體情況，技術人員將結晶器水量調整到了110t，降水溫差調節到了8至10攝氏度范圍內，而在對銅管錐度問題進行處理時，將桶口上下口差調整到了1.2毫米。

②對二冷強度實施調控，在溫度達到1000攝氏度以上時，對矯直前溫度展開控制，保證其可以順利避開脆性溫度區，確保鑄坯表面溫度可以被控制在合理范圍之內。

③降低拉胚速度，對振動參數實施優化，確保可通過對振動頻率、拉速以及振幅的合理調整，實現對振痕深度的有效控制，以便達到切實降角部裂紋概率的目標。

④對結晶器保護渣實施優化處理。由于本次加工圓鋼屬于高碳合金結構鋼材料，材料內部中合金元素相對較高，而結晶器內彎月面位于鋼水之內，水面漂浮著大量雜物，所以為避免出現雜物進入到鑄胚皮下或表面的狀況，需要增強保護渣性能，保證其吸收能力可以達到相應標準要求，且具備良好的同化雜質物的能力。同時，由于圓鋼之內存在多種元素，在各種元素影響下，坯殼高溫塑性相對較低，如果此時結晶器下部傳熱均勻性無法達到預期要求或存在較大摩擦力阻礙，此時很容易會在鑄坯皮下出現裂紋，或可能會因為二次冷卻操作不當，而造成裂紋發展速度加劇的狀況，此時需要對熔渣展開科學選擇，應通過保證熔渣組分多樣性的方式，利用熔渣堿度以及較強吸附能力，對雜質物實施吸附。

5? 結束語

通過本文對金屬材料以及材料熱加工處理相關內容的論述，使我們對熱加工裂紋產生機理以及具體控制方式有了更加清晰的認知。各生產企業需要明確認識到產品裂紋對于產品生產與使用所產生的不利影響，應加大對熱加工及熱加工裂紋問題的研究力度。需要在明確金屬材料基本情況的基礎上，通過對熱加工處理技術以及裂紋產生機理具體情況的分析，有針對性展開裂紋控制方案編制，從而通過合理手段實現對裂紋問題的有效控制，確保問題影響程度可以被控制在最低，進而獲得最佳金屬加工產品，為企業帶來更高的利潤。

參考文獻：

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[3]崔巖，邵健，曹雷剛，等.塊體金屬材料微波加熱方法及工藝研究[J].熱加工工藝，2018（10）.

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[7]喬東凱，廖輝，楊向宇，等.基于可編程控制器的熱加工控制系統的應用研究[J].機械與電子，2013（04）：33-36.