热处理变形产生的原因及控制方法

热处理变形产生的原因及控制方法

摘要：热处理变形是热处理过程中的主要缺陷之一，对于一些精密零件和工具、模具，常常会因为热处理变形超差而报废。为此，本文对热处理变形产生的原因进行了阐述，并总结了减少和控制热处理变形的几种方法。

关键词：热处理变形、产生原因、控制方法

引言：金属热处理是将金属工件在适当的温度下通过加热、保温和冷却等过程，使金属工件内部组织结构发生改变，从而改善材料力学、物理、化学性能的工艺。热处理是改善金属工件性能的一种重要手段[1]。在工件制造中选取合适的材料后，为了达到工艺要求而经常采用热处理工艺，但是热处理除了具有积极作用外，在处理过程中也不可避免地会产生形变。在实际生产中，热处理产生的变形，对后续工序的影响是至关重要的，有些贵重材料和一些机器中的重要零部件，因变形过大而导致报废。钢件在热处理过程中由于钢中组织转变时比容变化所造成的体积膨胀，以及热处理所引起的塑性变形，使钢件体积及形状发生不同程度改变[2～5]。变形是热处理较难解决的问题，要完全不变形是不可能的，一般是把变形量控制在一定范围内。

正文：1热处理变形的原因在生产实际中，热处理变形的表现形式多种多样，有体积和尺寸的增大和收缩变形，也有弯曲、歪扭、翘曲等变形，就其产生的根源来说, 可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形两大类[6～11]。

(1) 内应力塑性变形

热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性, 都会产生内应力, 在一定塑性条件的配合下, 就会产生内应力塑性变形。在加热和冷却过程中, 零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致,致使热胀冷缩的程度不同, 这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。在加热和冷却过程中, 零件的内部组织转变而发生的时间不同, 这样产生的应力变形叫组织应力变形塑性变形。

(2) 比容变形

在热处理过程中, 各种相结构的组织比容不同,在相变时发生的体积和尺寸变化为比容变形。比容变形一般只与奥氏体中碳和金元素的含量、游离相碳化物、铁素体的多少、淬火前后组织比容变化差和残余奥氏体的多少和钢的淬透性等因素有关。

2减少和控制热处理变形的方法

2.1合理安排零件结构

金属热处理后在冷却过程中,总是薄的部分冷得快,厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下,应尽量减少工件厚薄悬殊,零件截面力求均匀,以减少过渡区因应力集中产生畴变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性,以减少由于冷却不均引起的畸变:工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等,在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡:尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称:厚度不均匀零件采用预留加工量的方法[12、13]。2.2热处理温度的控制

在热处理工艺中，对工件热加工温度的设定是重中之重，而仅仅设定准确还是远远不够的。在热处理过程中，炉内的温度测量是热处理工艺的重要参数测量[24]。要是测量不准确，热处理质量就无法得到保证，而且温度与热处理后的工件性能密切相关。在温度超过A C3线后，工件的硬度并不随温度的上升有明显提高，但由于温度升高导致内应力加大，加大了变形量[14、15]。由此可见：（1）降低工艺温度后，工件的高温强度损失较小，塑性抗力增强，这样工件的抗应力形变、抗淬火形变、抗高温蠕变的综合能力增强，从而减小了形变。（2）工艺温度降低后，工件加热、冷却的温度区间减少，由此引起的各个部位的温度不一致性也会降低，从而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形也会减少。（3）如果工艺温度降低且热处理工艺时间缩短，则工件高温蠕变时间减少，变形也会减少[16、17]。

2.3 运用合理的冷却方法

金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小,一般控制在10 0 士2 0 ℃。油的冷却能力对变形也是至关重要的.淬火的搅拌方式和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快 ,冷却趁不均匀,产生的应力越大,模具的变形也越大。可以在保证模具硬度要求的前提下,尽量采用预冷:采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力,是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法;对一些特别复杂或精度要求较高的工件,利用等温淬火能显著减少变形[18]。

2.4控制炉内温度的均匀性

炉内温度均匀性是造成热处理形变的因素之一，如果在工件的不同部位产生温差，那么有温差就有热应力，就会导致变形。随着炉内温度的升高，试样的温度均匀性下降，由此带来变形量增大所以提高炉温均匀性，尤其是保证工件加热阶段的温度均匀性，将有助于减小变形；放置在不同部位的零件应以相同的速度升温，并同时达到渗碳温度也是控制变形的关键，这样就可以有效地减小变形散差；在加热前先进行预热，也可减少因升温过快而造成的温度分布不均匀，并且可以避免因加热过快而造成的开裂[19]。

2.5 进行必要的预先热处理

最终热处理前的金相组织对最终热处理变形关系甚大，因此对形状复杂、要求高、易产生变形的工件需要进行必要的预先热处理，以消除网状碳化物和粗大晶粒。正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大,所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质,都会对金属最终的变形量产生一定的影响,直接影响到的是金属组织结构上的变化.实践证明,在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀,从而使其变形量减小[20]。

2.6 制订合理的热处理工艺

A、控制加热速度。为了减小加热时的温差和热应力，应采用比较缓慢的加热速度，并采用一次或二至三次预热，特别是在500~ 600e 范围内，要缓慢加热，因为这时材料由弹性变形转为塑性变形，是影响变形最大的温度区域。

B、选择加热温度。在保证机械性能的前提下，尽量将淬火温度控制在下限并适当缩短保温时间，从而减小温差引起的热应力，且所得奥氏体晶粒细小，其塑性变形抗力较大，这都有利于减小变形。

C、采用合理的淬火方式[21～26]。淬火方式和冷却介质的选择对减小和控制热处理变形具有很大作用，由于在这个过程中，不仅出现热应力，而且还出现组织应力，因此必须十分慎重，其目的是使工件在马氏体能转变之前尽量使前部分温度均匀，在马氏体转变过程中力求缓冷，减小工件各部分转变的不同时性，从而实现减小组织应力造成的变形，采用的方法有：（a）预冷淬火。将奥氏体化后的工件，先预冷一段时间，使各部分温差减小，在技术条件允许时，令其易变形部分如最薄的截面或棱角处产生部分非马氏体组织，然后再全部淬火。(b）双重冷却淬火。当单一介质不能同时满足工件淬火变形及组织要求时，采用先后在两种介质中进行冷却的方法，如油、空气鼓风喷雾等等。（c）分级淬火。将奥氏体化后的工件，首先淬入温度较低的分级盐浴中停留一段时间，使工件表面与心部温差减小；再取出空冷，使工件在缓慢冷速下进行马氏体相变。(d)等温淬火。将奥氏体化后的工件淬入温度< Bs的等温盐浴中，较长时间保温使其获得贝氏体组织，然后再空冷。(e )喷射淬火。对于仅要求某一局部硬化的零件，可以在特别的喷液装置中淬火，待整体加热后放在喷液装置上使其某一局部在流动的液体中急冷，而其余部分在空气中冷却。(f )充分回火。对于易变形的复杂工件，大截面高合金钢淬火后必须及时回火，选择适当的回火温度，并保证回火要充分。在回火过程中，利用回火加热消除变形应力。

2.7正确掌握热处理操作方法

为了减小和控制热处理变形还必须正确掌握热处理操作方法[27～31]。淬火时要做到：