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浅析金属材料热处理变形的影响因素及对策吴健平

发表时间：2020/9/8 来源：《基层建设》2020年第14期作者：吴健平

[导读] 摘要：在改革开放的新时期，工业在经济带动下快速发展进步，工业生产能力迅速提高，对机械精度和性能的要求越来越高。

        陕煤集团神南产业发展有限公司陕西神木 719300
        摘要：在改革开放的新时期，工业在经济带动下快速发展进步，工业生产能力迅速提高，对机械精度和性能的要求越来越高。在实际工件制造过程中金属热处理工艺必不可少，其在改善材料各种性能的同时，不可避免地会出现热处理变形问题，会对金属工件的强度、精度、传输功率、振动、使用寿命等方面产生重要的影响。基于此，主要从金属材料热处理变形的影响因素入手，提出了相应的改进措施。
        关键词：金属材料；热处理；变形；影响因素；应对措施
        引言
        热处理工艺可以以多重方式淬炼金属材料，减少网状碳化物等杂质含量，消除内应力缺陷，促进金属材料自身强度以及韧性水平的提升，因而被广泛应用于深加工环节中。但目前技术条件支持下，热处理环节中金属材料仍然存在变形甚至开裂的可能性，必然对其使用以及相关功能的拓展产生不良影响。如何解决变形、开裂问题，提高热处理工艺的安全性与稳定性，这一问题备受业内重视。
        1金属材料热处理过程变形问题及原因
        1.1 热处理过程中应力分析
        零部件的热处理过程中，由于加热和冷却均无法实现零部件表层和中心部位的完全同步，热传导速度导致了零部件不同位置具有一定的温度差，零部件不同位置间因温度不同所产生的体积膨胀和收缩也不同，因而产生了热应力。当零部件在冷却过程中，表层温度低于中心部位，冷却前期在热应力的作用下，表层的收缩大于中心部位，使零部件表层产生拉应力，中心部位产生压应力。在冷却中期热应力进一步增加，导致零部件产生具备塑形变形。在冷却后期表层的冷却速度慢于中心部位的速度，中心部位的收缩降低了一部分前期产生的热应力。当冷却完全结束时，零部件表层残留的热应力为压应力，而零部件中心部位残留的热应力为拉应力。在产生热应用的同时，钢材在热处理过程也产生组织应力，钢材的热处理过程中会发生组织变化，随着奥氏体向马氏体转变，因比容不同会导致材料体积产生相应的膨胀，这种因相变而导致的体积膨胀，因不同部位相变速度不均，会产生组织应力。在零部件热处理后所残留的应力，是热应力与组织应力共同作用的结果，随着零部件形状、成分不同，起决定作用的应力也不同，最终导致热处理后的应力残留有较大区别。
        1.2受预处理的影响
        在金属材料的热处理过程中，施工人员最常用的方式就是预处理方法，此种方法能够快速的消除应力，但是会受到场地的约束，在正火时，导致金属材料出现堆冷情况，这样就会导致金属材料的表面受热不均而出现变形的情况，假如施工技术人员使用的方法不当，也会在一定程度上增加金属材料的变形效果，影响热处理效果。
        1.3原始组织与应力状态
        在淬火之前，金属材料会受到关联原始组织的影响，包括碳化物数量、形态以及合金元素纤维方向等。在调质处理后，热处理是变形得以缩减，金属材料淬火变形更具规律性，便于控制热处理变形。化学热处理方式的应用，能够对金属材料表层部分性能加以改善，比如提升表层抗氧化功能以及耐磨性等。化学热处理深度应当处于标准范围内，若保证实现渗透层，需要在化学热处理后进行磨削加工，由于金属材料性能较差，很难处理化学热处理过程中的变形问题。
        2金属材料热处理变形应对措施
        2.1控制热处理温度
        在金属热处理过程中，由于温度对金属材料变形有着重要影响，所以必须加强对炉内温度的精确控制，以满足热处理工艺的需要。具体方法：（1）提高炉内温度均匀性，特别是保证工件加热阶段的温度均匀性，有助于减小变形。（2）确保不同部位的零件以相同的速度升温，也能有效控制变形。（3）在加热前先进行预热，减少因升温过快而引起的温度分布不均匀，从而避免由此造成的变形。

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（4）在温度超过Ac3后，温度升高而导致内应力加大，增加了变形的可能性，此时降低工艺温度，缩短热处理时间，都会减少变形量。
        2.2做好前期预处理工作
        热处理前期正火、退火等工艺都会在不同程度上影响金属材料最终变形量。以正火处理为例，温度升高导致材料内部变形量增加。因此，热处理前期应当对正火处理温度进行严格控制，强化内部结构均匀性。同时，考虑到前文所提到的冷处理工艺及其时效会对热处理变形、开裂问题产生重要影响，因此必须将对冷却技术的选择作为控制重点。相关人员可以基于对金属材料尺寸参数的评估，结合金属原材料碳化物数量、纤维锻造方向、以及合金元素含量等多项指标，选择最佳冷却工艺与手段。
        2.3在金属材料热处理过程中选用合适的冷却介质
        水是常见的淬火介质之一，其优点是冷却能力较强、成本低、成分稳定、不易变质，但水作为淬火介质其缺点也较为突出，水在500~600℃区间处于蒸汽膜阶段，冷却速度不够快。当金属材料温度在100~300℃时，水处于沸腾阶段，冷却能力过强，导致材料马氏体转变速度过快、内应力增大，当应力超过临界值时将使零部件产生变形或开裂。为了克服水作为淬火介质的缺点，通常采取在水中添加食盐或碱等方式，当高温零部件浸入水溶液后，在蒸汽膜阶段所析出的食盐或碱的晶体产生爆裂，从而达到破坏蒸汽膜的作用，同时也起到了破坏零部件表层的氧化皮的作用，水溶液在高温区的冷却能力同水相比有较大幅度提升。为了控制水溶液对金属的腐蚀性，通常将溶液浓度控制在10%~15%之间，并且在淬火后对零部件进行清洗和防锈处理。矿物油也是较为常用的冷却介质，如机油、变压器油或柴油等，也可以将不同类型和黏度的矿物油按配比混合使用，进一步通过提升特性温度来增加淬火油在高温区的冷却能力。通过选择合适的冷却介质，实现对金属材料较高的淬透性和淬硬性，同时避免零部件产生较大变形。
        2.4优化机械零件结构
        在金属零件实行热处理的过程中，技术人员需要逐步优化机械零件结构，立足于当下企业的生产现状，以及生产技术，高效地把控金属材料的热处理程度，从而避免因为企业生产零件应力集中而导致的变形，确保金属材料的均匀受力。如果在金属材料冷却的过程中，因为技术人员对冷却的时间掌握不当而导致的变形，技术人员就需要逐步提升零件的对称性，特别是在设计之前，需要充分的思考零件中的沟槽位置，对于零件的边界线，技术人员也要加以重视，尽量采用圆角的弧度，强化金属零件的设计效果，为热处理技术的使用奠定坚实的基础。
        2.5有效加工
        在金属材料热处理过程中，机械加工环节需要保证余量存留的合理化，为金属材料变形量提供充足保证，淬火合格率也能够得到明显提升。由于夹装工具不同会对金属材料形状产生影响，因此在金属材料热处理操作过程中，要明确加工零件的要求及特点等情况，对夹装方式进行合理化选择，降低热应力不均衡而造成变形的几率。若金属材料加工过程中需要采取热处理措施，则需要保证金属材料具备形变的条件。要对金属材料变形规律形成正确认识，保证淬火变形合格率，切实提升金属材料质量，依据加工工件技术要求来衡量金属材料变形值，确保变形处于合理范围内。
        结语
        综上所述，金属材料热处理变形受多种因素影响，每种因素变化都会或多或少地影响其变形度。因此，在选择热处理变形的控制方法时应具体问题具体分析，因地制宜，因时制宜，通过改进热处理工艺技术，采用科学合理的方式，才能确保在整个热处理过程中有效地控制应力对材料变形造成的影响，保证热处理产品的质量和合格率。
        参考文献：
        [1]李洪彬，郭鹏，刘爽庆.影响金属材料热处理变形的因素及减小措施分析[J].工程技术研究，2017（2）：126.
        [2]张斌华.浅谈温度对热处理工艺的影响[J].民营科技，2011（10）：35.
        [3]赵梅春，孙志辉.金属材料热处理变形及开裂问题研究[J].世界有色金属，2019（15）：148.