金属材料热处理变形的影响因素与控制策略 王玮奇

金属材料热处理变形的影响因素与控制策略王玮奇

发表时间：2018-11-11T10:37:55.390Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：王玮奇

[导读] 摘要：工业发展日新月异，对机械精度和性能的要求也越来越高。

航空工业哈飞黑龙江哈尔滨 150060

摘要：工业发展日新月异，对机械精度和性能的要求也越来越高。金属材料热处理是获得各种金属材料优良性能的重要手段，热处理是必不可少的一部分，主要的作用原理为通过加热、冷却等适当的方式实现金属合金内容组织、结构的变化，实现材料性能的改善。金属热处理虽然可能使材料的性能改善，但也不可避免的会出现变形，影响工件的强度、寿命、精度等。因此，在金属材料热处理的过程中要尽可能地降低其变形量。本文主要对变形控制的关键因素进行了分析，同时提出了降低变形量的有效措施。

关键词：金属材料；热处理；措施

热处理工艺在实现金属材料性能改良方面有着非常重要的积极意义，但在利用热处理技术进行金属材料处理的过程中也存在材料变形等消极影响，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。因此，在金属材料热处理的过程中要通过有效的方法对变形进行控制，使其保持在最小的范围之内。

一、金属材料变形的影响因素

根据，不同零件的结构特点，制定适合该零件的热处理顺序，可相应的减小热处理带来的变形，尽量使各部分热处理产生的变形可以相互抵消。一般情况下，除非非常精密的零件，才会采用此种方式。

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。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，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。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。

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。

采用合理的装夹方式及夹具，此方法的目的是使工件加热冷却均匀，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形。当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值应满足图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。

采用合适的介质，在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性介质，实验和实践证明，水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小。

二、减少金属热处理变形的措施和方法

为了有效地减少热处理所导致的变形，其关键在于选择合适的热处理工艺。为了保证工件在热处理后的精度，可以通过研究金属工件热处理变形规律的方法，从而使工件在热处理之后的尺寸每个满足设计的要求。这对于工件的变形规律提出了比较高的要求。这种方式等于金属的热处理要求比较高，是一种比较理想的方法。为了改善金属热处理的变形情况，可以采取以下几个方面的措施：（一）做好热处理之前的预处理。

金属热处理的不同工艺都会影响到金属的最终变形量。正火中的温度过高，都会导致金属材料内部的变形增大。在研究中发现在正火处理之后，可以采用等温淬火的方法来提高金属材料结构的均匀性，从而减少其变形。对于不同的工件的结构特点，采用不同的热处理工序，可以有效地减少热处理中的变形，并且使热处理中的变形能够相互抵消，从而达到改善变形的目的。这种方法比较复杂，花费的时间比较多成本比较高，对于要求精度比较高的零件考虑采用这种方法。

（二）做好淬火处理工艺。

淬火冷却是热处理中的关键，如果采用不合理的介质，那么就会导致內部比较大的应力，引起变形或者开裂，因此在淬火冷却的过程中要保证稳定的速度。金属淬火冷却过程对变形的影响也比较大，如果热冷却处理的越快，那么冷却也越不均匀，工件的内部压力也将越大，工件的变形也越大。在淬火冷却的过程中采用水和油来作为介质，水在550℃-650℃的范围内的冷却速度比较大，在200℃-300℃的范围其冷却速度虽然大幅下降，但速度仍然比较大，最终容易使金属材料的变形。但是在水中加入一定的盐和碱，可以提高在550℃-650℃之间的冷却速度，保证了200-300℃之间的冷却速度不变。盐水或者碱水都常常用来作为淬火的冷却介质，容易引起金属材料的变形。油在200-300℃之间的冷却速度比较慢，可以解决金属材料在淬火时的变形情况。但油在550-650℃冷却速度不大，只用在合金钢的淬火冷却中。因此硬度要求一致的前提下，尽量使用油来作为介质，油和水在条件相同的情况下，油性介质的冷却速度慢，而水性介质的冷却速度较大，对于金属的变形影响较大。

（三）冷却方法的选择。在金属材料的热处理中，冷却是其关键的步骤。常见冷却处理方法有双液淬火、单液淬火法、等温淬火以及分级淬火法，其中单液淬火的方法能够满足自动化和机械化，但其缺点是难以控制淬火冷却的速度，且水淬法容易产生变形，而油淬法容易导致工件硬度不均匀以及硬度不足。双液淬火法是加热的工件先放在冷却速度比较快的介质中冷却到300℃左右，接着再立即放入到冷却速度较慢的介质中到冷却。例如结构比较复杂的碳钢工件采用水淬和油淬相结合方法，在水中冷却到300℃后再放到油中进行冷却；对于合金钢来说，需要采用油淬和空气冷却结合的方法。在保证工件硬度要求下，采用预冷的方式。分级淬火冷却的方式，能够减少工件内部热应力和组织预冷，对于改善结构比较复杂的工件变形有重要的帮助。分级淬火是将加热的工件放到温度较高的碱液或者盐液中，持续2-5 分钟待工件内外温度一致放到空气中进行冷却，但这种冷却方法由于溶液的冷却能力较低，只适用尺寸比较小以及尺寸精度要求较高的工件。对于结构特别复杂以及精度要求比较高的工件，考虑采用等温淬火冷却的方法。

（四）夹持方法的选择。

不同的夹装方法对零部件热处理过程中的变形具有一定的影响，选择合理的装夹方式能使工件热处理过程中受热和冷却均匀，对降低金属组织应力不均以及变形都有重要的意义。可以考虑使用支承垫圈、补偿垫圈、叠加垫圈等方式，有花键孔的零部件可以考虑使用花键心轴等方式。

三、总结

热处理工艺存在的变形情况对工艺的效率有一定的影响，为了确保工件的精准性，在工件热处理过程中须通过相应措施将变形控制在最小范围内。在热处理工艺过程中，对变形影响最大的因素是温度，要注重温度的控制，从而对金属材料变形进行有效的控制。