摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能力迅速提高，對(duì)機(jī)械精度和性能的要求越來越高。在實(shí)際工件制造過程中金屬熱處理工藝必不可少，其在改善材料各種性能的同時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)熱處理變形問題，會(huì)對(duì)金屬工件的強(qiáng)度、精度、傳輸功率、振動(dòng)、使用壽命等方面產(chǎn)生重要的影響。基于此，主要從金屬材料熱處理變形的影響因素入手，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;影響因素;應(yīng)對(duì)措施

0 引言

熱處理工藝是使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的重要手段，但在處理過程中金屬材料不可避免地會(huì)產(chǎn)生或多或少的變形，而變形則會(huì)對(duì)機(jī)械加工的后續(xù)工作產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。目前要達(dá)到完全不變形是不可能實(shí)現(xiàn)的，但要盡量將變形量控制在允許的范圍內(nèi)。本文主要針對(duì)金屬材料熱處理變形的影響因素進(jìn)行分析探討，并提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施，旨在更好地促進(jìn)金屬材料加工領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，提高行業(yè)核心競爭力。

1 金屬材料熱處理變形的影響因素

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)能力快速提升，金屬材料在整體應(yīng)用范圍上不斷擴(kuò)大，對(duì)不同種類的金屬構(gòu)件進(jìn)行合理加工已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。金屬材料熱處理變形的表現(xiàn)形式多種多樣，在進(jìn)行熱處理的過程中，工件出現(xiàn)變形的概率非常大，影響了材料的整體加工質(zhì)量。下面筆者將從預(yù)處理、溫度的測量與控制、冷卻方法、淬火介質(zhì)、殘余應(yīng)力5個(gè)方面進(jìn)行探討分析。

1.1? ? 預(yù)處理

在對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理之前，為了徹底消除應(yīng)力，一般都需要進(jìn)行預(yù)處理。通常情況下，預(yù)處理采用的都是正火處理方式，受場地的限制，正火工藝的冷卻過程多為堆疊冷卻，由此容易導(dǎo)致加熱爐內(nèi)的金屬材料冷卻不均勻，進(jìn)而造成組織不均，當(dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理時(shí)，變形則會(huì)不一致。除此之外，正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏組織等都會(huì)進(jìn)一步增大熱處理變形的可能性。

1.2? ? 溫度的測量與控制

溫度是熱處理工藝規(guī)范中非常重要的工藝參數(shù)。若溫度測量不準(zhǔn)確，熱處理工藝規(guī)范就得不到有效執(zhí)行。溫度的測量與控制對(duì)于保證產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，其也是影響變形的關(guān)鍵因素。目前，我國針對(duì)金屬材料熱處理工藝的溫度控制與檢測能力還較為薄弱，無法準(zhǔn)確地控制材料熱處理過程中溫度檢測的精度，因而造成了金屬材料結(jié)構(gòu)在熱處理過程中受到了損壞。此外，金屬材料本身各個(gè)部分的比容存在一定的差異，因此一旦在熱處理過程中，沒有科學(xué)合理地控制好溫度，就會(huì)導(dǎo)致比容變形的出現(xiàn)，增加金屬材料熱處理過程中出現(xiàn)變形的概率。

1.3? ? 冷卻方法

金屬材料熱處理過程分為退火、正火、淬火、回火4個(gè)步驟。金屬淬火后冷卻過程會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生一定的影響，是導(dǎo)致金屬變形的重要因素之一。在此過程中，冷卻技術(shù)至關(guān)重要。如果冷卻方法選擇不當(dāng)，容易發(fā)生金屬材料冷卻不均勻問題，不利于金屬材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，對(duì)其性能的改善將會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響。

1.4? ? 淬火介質(zhì)

熱處理工藝中淬火介質(zhì)的選擇與金屬材料的變形有著密不可分的關(guān)系。經(jīng)過實(shí)際的操作發(fā)現(xiàn)，淬火介質(zhì)的質(zhì)量及其攪拌方式、攪拌速度等都會(huì)對(duì)金屬材料的變形造成影響。

1.5? ? 殘余應(yīng)力

機(jī)械加工過程中會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的擠壓、切割等作用，這些作用會(huì)改變金屬離子的位置和狀態(tài)，離子之間發(fā)生相互作用，從而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力在加工完成之后還不能完全釋放出來，就形成了殘余應(yīng)力。其對(duì)工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響。殘余應(yīng)力的存在，降低了材料的力學(xué)性能，縮短了其使用壽命。

2 金屬材料熱處理變形應(yīng)對(duì)措施

2.1? ? 進(jìn)行必要的預(yù)先熱處理

在熱處理前，要對(duì)形狀比較復(fù)雜、要求比較高的工件進(jìn)行必要的預(yù)先熱處理，這樣可以消除一些網(wǎng)狀碳化物和粗大晶粒。通過實(shí)踐可知，在預(yù)處理的正火處理方式中使用等溫淬火能夠保證金屬組織結(jié)構(gòu)的均勻性，減少金屬變形情況的發(fā)生。

2.2? ? 控制熱處理溫度

在金屬熱處理過程中，由于溫度對(duì)金屬材料變形有著重要影響，所以必須加強(qiáng)對(duì)爐內(nèi)溫度的精確控制，以滿足熱處理工藝的需要。具體方法：（1）提高爐內(nèi)溫度均勻性，特別是保證工件加熱階段的溫度均勻性，有助于減小變形。（2）確保不同部位的零件以相同的速度升溫，也能有效控制變形。（3）在加熱前先進(jìn)行預(yù)熱，減少因升溫過快而引起的溫度分布不均勻，從而避免由此造成的變形。（4）在溫度超過Ac3后，溫度升高而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加大，增加了變形的可能性，此時(shí)降低工藝溫度，縮短熱處理時(shí)間，都會(huì)減少變形量。

2.3? ? 運(yùn)用合理的冷卻方法

在金屬熱處理過程中，冷卻方法選擇不當(dāng)易引起金屬變形。如果金屬熱處理冷卻速度較快且不均勻，那么處理過程中產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，模具的變形也就更大。因此必須選擇合理的冷卻方法以減少工件變形。主要方法：（1）對(duì)金屬材料的尺寸大小進(jìn)行考量，分析相關(guān)工藝參數(shù)，選擇最適宜的冷卻處理方法。（2）現(xiàn)階段金屬材料熱處理的冷卻方法包含了雙液淬火、單液淬火等多種方式，根據(jù)不同的熱處理要求，科學(xué)選擇淬火冷卻方法，可以提升冷卻工作的質(zhì)量與水平。（3）在保證模具硬度要求的前提下，采用預(yù)冷和分級(jí)冷卻，是減少一些形狀較復(fù)雜工件變形的有效方法。

2.4? ? 科學(xué)應(yīng)用淬火工藝

淬火工藝是金屬材料熱處理工藝流程中最核心的工序，具有極為重要的作用。如果淬火介質(zhì)使用不當(dāng)，就會(huì)造成金屬材料內(nèi)部應(yīng)力的變化失調(diào)，最終影響整個(gè)材料的結(jié)構(gòu)和形狀。故在熱處理過程中，應(yīng)盡可能減少失誤，這就要求相關(guān)工作人員必須深入探究節(jié)能高效、綠色環(huán)保的高性能淬火工藝，并加以科學(xué)運(yùn)用。主要方法：（1）在淬火冷卻的過程中，必須科學(xué)合理地調(diào)節(jié)冷卻的速度，才能降低材料變形的可能性。（2）采用合適的介質(zhì)。水和油是較為常用的淬火介質(zhì)。通常情況下，水溫應(yīng)該控制在55～65 ℃，而油溫一般控制在60～80 ℃，同時(shí)需提高淬火的速度，以確保最終的冷卻效果。研究表明，在同樣的條件下，水性介質(zhì)比油性介質(zhì)的冷卻速度要快一些，水溫變化對(duì)水性介質(zhì)冷卻特性的影響較大，油性介質(zhì)相對(duì)水性介質(zhì)淬火后的變形量要相對(duì)小，故從長期穩(wěn)定性方面考慮，應(yīng)使用油性介質(zhì)。

2.5? ? 減少熱處理過程中的殘余應(yīng)力

由于殘余應(yīng)力對(duì)工件的形狀、尺寸和性能有著極為重要的影響，故應(yīng)加大研究力度，減少金屬材料熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。實(shí)現(xiàn)方法：（1）根據(jù)金屬材料的不同性質(zhì)，在其中添加一定比例的合金元素，不僅能夠使金屬材料的抗應(yīng)力性能得到優(yōu)化，還能延長金屬材料的使用壽命，使其更好地適應(yīng)熱處理工藝的要求。（2）金屬材料熱處理前，需對(duì)金屬材料本體缺陷進(jìn)行處理，加大檢測力度，如存在表面粗糙、劃傷、裂紋等不利因素，應(yīng)采用焊接、高溫塑變等方式對(duì)金屬材料進(jìn)行修復(fù)，防止其在淬火過程中因熱脹冷縮的作用力而引起變形或開裂，為后續(xù)的金屬材料熱處理提供保障。

2.6? ? 采用合理的裝夾方式

在加熱、冷卻過程中裝夾方式的不同，加工件形狀受到的影響也就不同。采用合理的裝夾方式不僅能夠讓工件均勻受熱，還能減少因熱應(yīng)力分布不均和組織應(yīng)力分布不均造成的工件變形。在裝夾的過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況改變裝夾的方式，通過補(bǔ)償墊圈、疊加墊圈等實(shí)現(xiàn)裝夾方式的合理化。

3 結(jié)語

綜上所述，金屬材料熱處理變形受多種因素影響，每種因素變化都會(huì)或多或少地影響其變形度。因此，在選擇熱處理變形的控制方法時(shí)應(yīng)具體問題具體分析，因地制宜，因時(shí)制宜，通過改進(jìn)熱處理工藝技術(shù)，采用科學(xué)合理的方式，才能確保在整個(gè)熱處理過程中有效地控制應(yīng)力對(duì)材料變形造成的影響，保證熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：呂鐵錚（1962—），男，浙江新昌人，機(jī)械高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械材料與制造。