金屬材料熱處理變形的影響因素分析與應對措施

許鑫龍

（內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010）

與傳統金屬材料相比，金屬復合材料有著更多優勢，包括質量輕、可塑性好、抗壓性強、成本低等特點，在機械制造領域得到了越來越廣泛的應用，大有取代傳統單一金屬材料的趨勢[1]。在金屬可塑性加工過程中一個主要步驟就是熱加工環節。金屬熱加工可以按人們的需要將金屬進行塑形，但同時也存在一些問題，比如，使用的溫度不合理容易損傷金屬本身的形狀，從而降低金屬材料生產的零部件質量。因此，在金屬合金的熱加工環節必須掌控好機加工與溫度變形間的聯系，精確控制相關尺寸與標準，確保金屬熱加工質量。

1 金屬材料熱加工變形的種類

金屬材料熱加工中常見的問題之一就是形變。在眾多加工工藝過程中所出現的形變主要包括兩種類型。一是內應力塑性變形，主要是由于金屬材料的溫度不均勻造成的。在熱加工過程中金屬塊不同部位受到的溫度不同，使得不同部位的冷卻速度也不相同。伴隨溫度的降低，金屬不同部位所發生的熱脹冷縮程度也不同，從而引起形變。二是熱處理比容變形。相關研究顯示，金屬合金材料大多數都存在比容形變，這一形變主要與金屬材料中存在著碳元素以及部分微量金屬元素有關[2]。一塊均質的金屬塊在熱加工過程中，金屬塊不同方向上都有著相同的形變，這說明金屬合金材料的比容形變的特點就是各向同性。發生這類形變后的合金也會出現大小上的變化。

2 熱處理中金屬材料變形的常見影響因素

2.1 應力因素

不同金屬的密度都有所不同，在熱加工處理中因為受熱不均勻可引起金屬材料發生變形。金屬熱加工通常都需要先進行加熱，保持一段時間的保溫期后再開始熱加工。在加熱與保溫過程中金屬材料內外部以及不同部位的溫度是不同的，因此，不同部位的狀態也存在差異。比如，高溫部位已經變軟，而低溫部位還是比較硬的狀態，此時，所形成的不同應力會導致材料發生不良形變。

2.2 冷處理過程因素

在金屬熱加工過程中通常會發生低溫回火容易引起金屬材料變形。另外，加工的時效性也會影響到金屬材料的變形。這兩種因素會引起金屬合金材料發生馬氏體分解以及碳析出現象。在之后的淬火加工環節中，金屬材料中的奧氏體會轉變為馬氏體，從而使金屬發生變形。這將影響到金屬材料的質量，也會降低這類金屬材料所生產設備的可靠性。

2.3 預處理因素

預處理屬于金屬熱加工中常用的一種加工工藝，有助于消除應力。若未開展預冷處理，金屬材料在正火過程中容易發生冷堆問題，內部與表面的巨大溫差會引起明顯的變形。這將影響到熱處理效果，也會影響到加工生產出的產品質量。

2.4 原始組織因素

在合金元素纖維方向以及碳化物形狀方面的影響下，金屬材料在淬火過程中也會受到一些影響[3]。這屬于原始組織方面的影響。如今熱處理加工環節通常都加入了一些化學方法，讓金屬材料的原始組織變得更有規律性。這樣金屬材料熱變形程度也更小，并能改善金屬的一些性能，如表面耐磨性更強。

2.5 淬火因素

淬火屬于金屬材料加工生產中不可或缺的環節。淬火可以改變材料的性質，讓材料硬度更好，抗腐蝕性更強。在這一加工環節中必須選用恰當的淬火介質，對金屬材料的形變程度以及加工產品質量有著重要的影響。

3 金屬材料熱處理操作需遵循的原則

3.1 操作規范合理原則

工作人員操作失誤是引起金屬材料熱處理變形的一個常見原因。為此，在運用熱處理技術處理金屬材料時，必須先對工人進行技能培訓，學習與金屬材料有關的知識。對于不同類型的金屬材料應選擇合適的熱處理技術，然后全面檢測金屬材料，得到更全面、詳細的材料指標數據，制作出規范、詳細的熱處理工藝標準以及流程，確保熱處理操作的規范性。同時，完善相關監督機制，督促工作人員嚴格按流程操作，達到防控熱處理形變的目的。

3.2 避免環境干擾原則

金屬材料熱處理加工對生產環境要求比較嚴格，不僅要盡量避免外界環境對金屬材料熱處理變形的影響，也要避免引起環境污染。一般可將工廠建在城郊區，并引入先進的生產設備與工藝，減少金屬材料熱處理難度，提高生產質量。

3.3 定期培訓原則

金屬材料熱加工對從業人員的業務技能要求較高。工廠需定期對相關人員進行業務培訓，幫助員工掌握金屬材料熱處理的相關知識與先進的處理工藝，讓員工掌握不同金屬材料的性能特點以及對應的熱處理技術，熟練操作，減少熱處理形變的幾率。

4 金屬材料熱處理變形的防控對策

4.1 重視預處理環節

在金屬材料熱處理操作中應增設預處理這一流程，以改善金屬內部分子結構，增強金屬材料的均勻性。同時，預處理也可讓金屬材料與其它金屬材料相結合，防止金屬材料因為自身材料問題而引起后續的形變[4]。在操作實踐中工作人員可結合實際情況選用相應的退火技術，可以緩解金屬材料在熱處理過程中受到不同溫度的影響，從而減少變形問題。

4.2 合理選擇淬火工藝

淬火工藝屬于金屬熱處理中的一個關鍵技術環節，其處理水平將直接影響到金屬材料的加工質量。因為金屬材料內應力改變主要影響因素就是淬火介質與淬火溫度。若應力太大則易導致金屬材料內部結構的改變。為此，操作人員要集中注意力開展淬火操作，確保淬火加工質量。按照金屬材料的具體特性選取恰當的溫度，并選用合適的淬火介質，從而讓金屬材料的應力分布更均勻，防止應力過大而導致金屬變形。通常所用的淬火介質包括鹽水與水油。若選擇水油為淬火介質，水油溫度上升至450℃～550℃左右，冷卻速率應為500℃/s；若水油溫度下降至250℃～350℃左右，冷卻速度為280℃/s。若選擇鹽水為淬火介質，則冷卻速率就會變快。一般來說，鹽水的冷卻速度是水油的兩倍[5]。假如水與油的溫度保持在550℃～650℃左右，冷卻速率是600℃/s；若采用鹽水進行冷卻，同樣溫度條件下的冷卻速率則高達1200℃/s。可見，若要選擇鹽水為淬火介質，必須結合金屬材料的冷卻速率來對淬火介質的溫度進行合理的控制，防止由于冷卻速率過快而引起金屬材料變形。此外，在淬火前需完成正火操作，讓金屬材料適應相應的溫度，保證淬火質量。在正火過程中要控制好爐內溫度，避免溫度太高導致金屬材料內部結構發生變形。在具體處理時可觀察爐溫運用退火工藝，減少金屬材料自身的硬度，從而使應力值也隨之變小。這能夠防范金屬材料形成的壓力超出自身強度。

4.3 選擇合適的冷卻方法

在金屬熱處理加工中不同類型的金屬材料所對應的冷卻方法也有所不同。若冷卻速度較快而且不夠均勻，則熱處理中所形成的應力也越大，金屬材料發生變形的幾率也越大。為此，應選擇科學合理的冷卻方法盡量防止金屬工件發生變形。第一，根據金屬材料的尺寸大小，研究主要工藝參數，確定合理的冷卻方法。第二，目前常見的金屬材料熱處理冷卻工藝有很多，包括單液淬火、雙液淬火等技術。單液淬火是指使用單一介質冷卻材料，能夠縮短操作時間，提高淬火效率，但是不容易控制好淬火速度與淬火質量。雙液淬火是指在了解金屬材料的相關屬性后，將金屬材料放入冷卻速度較快的介質中，可以在短時間讓金屬材料迅速冷卻，然后將其轉入到冷卻速度相對較慢的介質中繼續冷卻。可見，應結合具體的熱處理要求，選取恰當的冷卻方法，確保金屬材料熱處理中的淬火冷卻質量。第三，在不影響模具硬度的條件下選擇預冷與分級冷卻方法，以防控形狀比較復雜工件發生變形。

4.4 消除熱處理環節中的殘余應力

殘余應力直接影響到金屬材料的形狀、尺寸以及性能。為此，應重視這方面的研究，盡量消除金屬材料熱處理環節中所存在的殘余應力。第一，按照金屬材料的相關特性，加入適當比例的合金元素，可優化金屬材料的抗應力性能，而且也能增加金屬材料的使用年限，使其更符合熱處理工藝的相關要求[6]。第二，在熱處理金屬材料前先處理好金屬材料自身存在的缺陷，仔細檢測金屬表面有無裂紋、劃傷、表面粗糙等問題。通過焊接、高溫塑變等方法來修復金屬材料，避免在淬火處理中發生變形或開裂，為后面的熱處理加工做好準備。

4.5 金屬加工裝夾方法與夾具選擇

對于金屬材料來說，無論是加熱還是冷卻處理，采用不同的技術方法與生產流程均會影響到金屬材料的形狀與屬性。裝夾方法與夾具也是影響金屬材料熱處理操作中的重要一步。因此，應根據生產要求選擇相應的裝夾方法以及夾具，從而減少熱應力不均勻所造成的形變問題。

5 結語

總之，金屬材料熱處理技術是改善金屬材料性能的重要加工工藝，必須控制好熱處理過程中相關環節的工作質量，最大限度消除對金屬材料熱處理變形的影響，提高金屬材料熱處理質量，生產出符合要求的金屬材料，滿足市場需要。這有助于企業降低生產成本，增加效益，更好地應對市場的挑戰。