胥若曦
（中国(绵阳)科技城工业技术研究院 四川省绵阳市 621000）
摘要：随着工业的不断发展，热处理已经成为改变金属材料性能应用最广的方式之一，但由于现阶段热处理工艺还不够成熟，金属材料极易发生变形。金属本身的性能要求是不能满足各类工件的制作要求的，利用热处理改变材料性能是必须的程序。为了改善金属形变，很多工业企业开始研究如何更加合理的使用热处理的方式改变金属材料的性能，使之可以满足工件的制作需求。本文根据这一情况，提出相应的解决策略，以改善热处理金属过程中金属的变形问题。
关键词：金属材料；热处理；变形
前言：使用热处理改善金属的性能是制作金属工件中很重要的一环，其操作步骤一般分为回火、淬火和退火三个方面，通过热处理所制作出来的工件，可以有效的提升机械的耐磨指数，提升机械使用寿命。但由于金属应力在金属进行热加工的时候难以控制，金属会出现形变的情况，严重影响金属热加工的成功率，导致不必要的浪费。无论哪一种热处理工艺，其本质都是一样的，都需要经过升温、保温、冷却等几个温度变化。
一、金属材料热处理后变形的表现形式
1.1金属材料发生变化
热处理的方式较多，常见的热处理有常规热处理、化学热处理和形变热处理等方式。在对金属材料进行常规热处理的时候，需要很高的温度，金属材料会在高温的作用下发生尺寸变化，有的金属材料尺寸变化较大，肉眼可见，有的金属材料尺寸变化很微观，需要用专业器材进行测量。尺寸变化包括材料伸长、收缩、变厚或者变薄等等。在使用淬火处理的时候，金属尺寸变化明显。尺寸变形可以分为三个等级，分别是一维变形、二维变形。在淬火热处理的过程中，金属材料内部会产生两种力，一种是相变应力，另一种是热应力。笔者根据文献查阅得知，由金属材料制成的工件，在受到热应力作用的时候，工件会发生形变，主要表现为工件的最大尺寸方向会进行收缩，最小尺寸方向会膨胀，会直接朝着有孔的方向收缩。工件在受到相变应力的时候，其尺寸变化与受到热应力时不一样，在相变应力的影响下，工件的最大尺寸方向会比之前更长一些，最小尺寸方向会朝里收缩，孔径会发生膨胀。
1.2金属材料形状发生变化
在对金属材料进行热处理的时候，不仅仅会发生尺寸变化，在两种力的影响下，材料的形状也会发生变化，常见的形状变化有工件弯曲、翘曲扭曲等等。一般情况下，轴类零件会朝着轴线发生弯曲变形，薄壁圆形的工件会朝着直径与轴线方向发生变形，齿轮类工件的形变状态不一定，有可能齿轮体的外形会发生变化，齿形也可能发生变化。
二、热处理后金属发生变形的原理
2.1热应力影响
在对金属进行热处理的过程中，金属的每一个部位所受到的温度加热是不一定的，也就说在此过程中，工件在热处理的时候受热不均匀。为了制作出更符合工件要求的工件，需要特殊操作，例如突然降温或者快速升温，温度还没有作用到工件内部的时候，可能就需要降温，这时工件内部所感受到的温度与表面所感受到的温度是不一样的，形成温度差。工件也因此产生热胀冷缩，因为热胀冷缩不均匀，工件会出现体积差，此过程中所引起的内部应力就是热应力，热应力的定量分布是不一定的，笔者通过实验法发现，热应力在工件表面的分布形式是压应力，在工件的中心部位，其分布形式是拉应力，当热应力达到一定程度的时候，工件就会发生永久性的塑性形变。
2.2相变应力影响
内应力也就是相变应力，是因为在对金属进行热处理的时候，金属的组织发生转变，每一个部分的组织的比容变化均不一样。在这种情况下，工件也会出现形变，表现方式为收缩或者膨胀，此过程产生的力就是相变应力。在对工件热处理时，会因为各种因素出现温度差，相变部分从表面开始，已经发生相变的表面会对没有发生相变的部分产生影响，没有相变的中心部分会发生塑性变形。不同的金属受相变应力的不均匀性是不同的，其中合金成分较高或者表面脱碳的金属在这一方面表现最为明显，也更加容易导致工件出现变形。影响相变应力除了材料不同之外，转变点也是影响因素之一。在进行淬火冷却的时候，过冷奥氏体会发生相变，主要变现为铁素体、贝氏体、马氏体发生相变，相变温度从低到高的顺序为马氏体、贝氏体、铁素体。体积发生变化最大的是马氏体，其次是上贝氏体，最后是下贝氏体和屈氏体。铁素体发生相变的时候，一般会发生凸起变形，马氏体发生相变的时候，会出现凹下变形，在相变点低和温度梯度小的状态下发生马氏体相变时，会出现凹起变形。
2.3蠕变的影响
金属工件在热处理以后，其塑性会增加，如果此时支承方式不合理，工件在重力的作用下，会出现绕曲变形。热处理工件需要保证一定的温度，如果温度不能满足要求，热处理成功率会降低，再加上支承方式不恰当，工件会出现蠕变变形。如果工件出现蠕变变形，工件尺寸就会发生变化，超出误差范围后，该工件就成了废料。导致工件发生蠕变的因素有两种，一种是高温，一种是高温作用时间，如果可以合理控制这两种因素，就可以降低工件发生蠕变的可能性。
三、热处理变形的影响因素
3.1温度参数的影响
影响热处理不成功的因素有很多，影响最明显的是温度。温度与时间不能满足需求的话，会到影响组织应力与热应力的产生。温度参数越高，塑性形变的可能性会增加，发生蠕变的可能性也会增加。对工件进行淬火的目的在于让工件发生翘曲变形，对工件的尺寸影响较小，是符合尺寸误差的。因此要提升热处理的成功率，可以通过控制工艺阶段的温度，减少形变的可能，完成工件制作。
3.2结构尺寸的影响
长轴类工件主要使用高碳钢轴类的金属材料，在进行淬透后为马氏体组织，会发生组织应力变形，主要表现为体积发生膨胀，工件的直径与长度增加；合金刚轴类的工件淬透性比高碳钢轴类的淬透性要高。变形不是单独存在的，需要组织应力与热应力共同作用时，才会发生。此时小尺寸的工件直径与长度会增加，大尺寸工件的直径会减小，同时长度增加。对于特殊形状的工件，其形变则是不一定的，例如环形套筒类的工件在完成淬火后程序后，热应力的状态分布表现为内外表壁受压，中心部分会受到拉力，外径会增加，内径和高度会变小。在两种力的作用下，工件会产生变形。
3.3工件装夹方式的影响
不论是在加热过程中，还是在冷却的过程中，工件都需要使用装夹，此时使用的方式不同，工件的受热或者是冷却的均匀性就会不同，尤其是对于部分工件需要进行渗碳或者渗氮等程序的时候，容易出现渗层不均匀的情况，这种不均匀性会导致热应力和组织应力增加，从而导致工件出现形变。
3.4金属化学成分的影响
对金属进行热处理，导致其变形的原因还有化学成分的影响，影响最大的是碳元素与合金元素。
碳元素是导致金属在受热过程中发行形变的主要因素，在相变应力的作用下，出现体积与形态的变化，也就是说，金属的含碳量变化会直接影响马氏体的比容与钢的As点。随着含碳量的增加，工件出现变形的可能性会越高，当工件中含碳量达到一定程度的时候，奥氏体也会增加。相变比容的形变随着含碳量的增加而减少，因此，低碳钢淬火后的马氏体比容较小，组织应力变小，淬火温度升高，以热应力变形为主。除了碳元素会影响形变，还有合金元素也会影响工件形变。例如Cr、Mn、Mo等等，在工件接受热处理以后也会导致工件形变。吕金元素在钢中的存在形式主要有三种，分别是固溶体、合金渗碳体与合金碳化物。其作用主要是强化钢的力学性能，提升塑性变形抗力。
3.5工艺形式的影响
热处理工艺过程的主要因素包括加热的速度、加热的温度以及保温的时间等等，如果加热的时间和冷却的时间够快的话，可能会导致金属的相变不完全，组织成分分布不均匀，组织应力会增加，最终导致工件变形加剧。
四、工件热处理变形的防控措施
4.1严格控制加热温度
严格控制加热温度主要有两种方法，一种方法是严格按照工件热处理过程中的温度要求，减少误差；第二种是在保证制作工件的材料硬度达标、并且其他性能也达标的前提下，降低热处理过程的温度，达到提升塑性抗力的目的，这样也能有效的控制工件变形。例如在淬火加热的过程中，尽可能的使用下限温度，同时降低第二次淬火的温度，以降低温度的方式减小工件变形的可能性。
4.2优化工件尺寸结构
在保证工件功能的前提下，要尽可能的进行对称设计，减少尖角、沟槽、薄厚不均匀的情况，这样可以减少受热不均匀的情况。同时，对于工件薄厚不均匀的部位，要控制好温度，保持温度一致。或者预留热处理加工剩下的工件。对于不对称的特殊工件，例如变截面工件，可以在设计的时候，预留出变形设计，这样在热处理过程中，即使发生形变，也是在可控范围之内的。
4.3调整机加工工艺
在处理细长类工件的时候，要正确选择加工器械，最好可以采用高速小前角刀具。针对形状较为复杂的工件，在半精加工完成以后，将温度提升到回火温度，保持该温度四到八个小时，同时在搭配300C0的消除应力处理。其次要增加工艺孔与预留、强钢，同时预留加工余量和热处理的变形矫正量，以保证在经过热处理以后，还可以满足图纸上的参数。
4.4采用正确的装夹方式
装夹方式也是影响工件热处理以后变形的重要因素，对装夹方式进行调整改良后，工件受热或者冷却不均匀的问题可以得到解决，因受热不均匀导致的工件变形问题也能得到有效解决。对于盘类、轴类等特殊的工件，可以采用立式装夹，对有孔槽的工件，可以使用心轴装夹，或者增加垫圈补偿支承。对于特殊形状的工件，可以设计专用的夹具，保证渗氮层均匀，出现形变的可能性就会降低。
4.5选用合适的金属材料
对热处理变形敏感性小的金属材料可以有效的防止工件变形，但为了保证制作出来的工件满足图纸工件，需要保证使用的材料满足工艺性能与机械性能。为了找到更合适的材料，可以从以下几个方面进行甄别。一是材料的含碳量，金属材料在淬火过程中含碳量最高，这时马氏体开始发生变化，温度参数越低，工件发生的形变就会越小。因此在满足其他性能的前提下，可以选择含碳量较高的金属进行工件制作。二是金属材料中合金元素的含量。合金元素含量越多，组织应力就会越小，工件在淬火后发生的形变也会减小。三是看材料的淬透性，金属材料的淬透性越小，在热处理加工后，变形也会越小，也就越符合图纸要求，所以要尽可能的选择淬透性能小的合金材料。
4.6优化加工工艺方法
现阶段加工工艺有很多缺点，这些缺点也会导致工件变形。笔者查阅资料发现，以下几种改良后的加工工艺可以有效防止形变。一种是采用预备热处理工艺，使用控温正火的方式对工件提前进行预备处理。第二种是优化冷却方法，保证冷却过程的均匀性，在保证金属材料硬度的前提下，采用预冷或者分级预冷的方式降低热应力，可以减小工件形变。第三种是规范加热，在工件加热过程中，不断调整工件在加热炉中的位置，对于不对称的部分填进去黄泥，确保工件整体受热均匀。第四种是更换处理介质，在对工件进行淬火处理时，最好使用油性介质，可以保证工件降温均匀，与此同时，要实行热油、冷油分级淬火，最大限度保证工件不形变。
4.7选取恰当的冷却策略
冷却在金属热处理过程中是很重要的环节，一般情况下，冷却处理包含等温淬火、单液淬火与分级淬火等等，其中单液淬火是最符合机械化以及自动化热处理的方法，但这种热处理方法并不是没有缺点的，其缺点就是对相关速度难以把控。水淬法更容易出现变形，焠油法会影响工件的硬度，导致硬度不能达到预期效果。所以在冷却过程中，要根据对工件的不同性能要求选择合适的冷却策略。例如结构复杂的碳钢工件，需要将油焠降温与水焠降温相结合，才能满足碳钢工件的冷却需求。
总结
金属工件的应用遍及生活的方方面面，为了提升金属材料的性能，相关工作人员一直在不断研发新的改良方法。但是现阶段提升工件性能最有效的方法仍然是热处理。本文的针对热处理时出现的工件变形问题进行了深入分析，从影响因素到优化策略，均提出了具有可行性的建议。但是因为笔者经验有限，仍有问题不能解决，在接下来的工作中，笔者将致力研究如何更好的改善热处理中工件变形的问题，以提升热处理的成功率，提升企业效益。
参考文献
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姓名：胥若曦 出生年月：1987.06 性别：女 民族：汉 籍贯：四川省盐亭县 毕业院校：重庆大学 毕业专业:材料科学与工程 学历：本科 职称：工程师 研究方向:材料加工方向 工作单位: 中国(绵阳)科技城工业技术研究院