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金属热处理变形原因及路径探讨黄升

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：黄升

[导读] 摘要:现阶段，金属热处理在关键件与重要件的制造过程中具有重要作用，金属热处理利于改善金属材料的使用性能与结构特点，但金属热处理过程中金属元件变形与开裂的现象会经常出现，严重影响金属元件的使用性能，降低元件的硬度与强度。

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        摘要:现阶段，金属热处理在关键件与重要件的制造过程中具有重要作用，金属热处理利于改善金属材料的使用性能与结构特点，但金属热处理过程中金属元件变形与开裂的现象会经常出现，严重影响金属元件的使用性能，降低元件的硬度与强度。对金属元件制造精度要求较高的使用器械，在元件金属热处理过程中要准确控制工艺温度，减少变形量。简述金属热处理变形与开裂的主要原因，分析影响金属热处理开裂与变形的主要因素，探索金属热处理过程控制变形与开裂的有效预防措施。
        关键词:金属材料；热处理变形；预防措施
        金属材料热处理指的是将固态金属，根据其工艺制造需求，进行适当的加热、保温、冷却，辅助配合必要的机械作用与化学作用，使金属材料的内部结构发生变化，引起性能改变，从而制造出符合工艺需求的金属产品。
        1 热处理变形开裂的原因
        工件的变形包括尺寸变化和形状变化两种，无论哪种变形，主要都是由于热处理时工件内部产生的应力所造成的。根据内应力形成的原因不同，可以分为热应力和组织应力。工件变形是这两种应力综合影响的结果，当应力大于屈服极限就会永久变形，大于材料的强度工件就会开裂。
        1.1热处理引起的变形和开裂的原因
        钢件在加热和冷却过程中，将产生热胀冷缩的体积变化，零件加热到淬火温度时，屈服强度明显降低，塑性则提高，当应力超过屈服强度时，就会产生塑性变形。如果造成应力集中并超过了材料的强度极限，就会使零件淬裂。导热性很差的高碳合金钢，如合金模具钢Gr12MoV,高速钢W18GrV之类的工具钢，淬火温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热，不但会造成零件变形而且会导致零件开裂而报废，所以在对高速钢淬火时，首先在860±10℃的盐浴炉中进行等温预热，对于较细或较粗的零件应在预热前，在550℃炉进行2小时以上的回火，这样就会减小热处理变形，冷却时，由于温差大，热应力是造成零件变形的主要原因。
        1.2组织应力引起的变形
        组织应力有两个特点[1]：（1）工件表面受拉应力，心部压应力。（2）靠近表面层，切向拉应力大于轴向拉应力。组织应力引起工件变形的特点与热应力相反，使平面变凹，直角变锐角，长的方向变长，短的方向变短。淬火零件的变形时热应力和组织应力综合作用的结果，除内应力外，零件的变形还要看材料成分、工件的形状和介质、冷却速度的影响，实际情况要复杂很多，因此在解决实际问题时，要全面分析是热应力还是组织应力起主导作用，以便判断变形的趋势或裂纹产生可能性，并采取各种措施予以控制或防止。
        2 影响变形及开裂的因素
        在生产实际中，影响热处理变形的因素很多，其主要包括：钢的化学成分、冷却过程、钢的几何形状尺寸、淬火介质的选择等。
        2.1钢的化学成分
        在低碳钢中，由于淬火时体积变化较小，特别是淬透性差，故其淬火变形常以热应力为主；中碳钢中因其淬火时质量体积变化较大，淬透性也较低，但MS点还比较高，故当零件尺寸较小，淬火变形将以相变应力变形为主；当然，随着零件尺寸增大，硬度层深入减小，将会逐渐过渡到以热应力变形为主；在高碳钢中，由于MS点较低，残留奥氏体较多，故淬火变形主要是热应力变形。
        2.2钢的淬透性
        钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，例如：合金钢的淬透性比碳钢号，淬透性好的钢在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，减少工件淬火的变形及开裂倾向，因此对重要的、形状复杂、大截面的零件应选择淬透性好的合金钢，经淬火及回火处理，既能获得所需要的力学性能又能减少变形及开裂。
        2.3钢的原始组织
        零件淬火前的组织状态对零件淬火质量有很大影响。如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，淬火加热时，奥氏体形体不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小，材料的本质晶粒度越细，屈服强度越高，对变形的抗力越大，工件淬火后的变形量就相应减小。

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        2.4淬火介质的影响
        一般认为，淬火介质300℃时冷却速度对变形的影响是关键，应根据钢的淬透性，零件截面尺寸和表面粗糙度合理选择淬火介质。常用的淬火介质有水、油、盐类水溶液、熔盐、空气等。一般情况下，碳钢采用淬火裂纹大的水或水溶液作为淬火介质。合金钢一般采用油作为淬火介质。因此选择淬火介质的正确原则是保证淬硬性的前提下，尽量选择淬火裂度小的淬火介质，以减小淬火变形及开裂。
        2.5零件的几何形状尺寸
        从热处理工艺角度出发，零件设计最好采用对称结构，尽量避免尖角，要求截面过渡均匀，必要时开工业用槽。如樘杆上接两条对称的槽，其中一条是减小热处理变形而设计的。形状复杂的如零件的尖角处，由于应力集中更容易产生淬火裂纹。因此必须合理选择材料避免淬火裂纹的产生。
        3 减少变形及开裂的措施
        3.1合理选用钢材
        对形状复杂、截面尺寸相差悬殊的工件，最好选用高淬透性的合金钢，以便在缓冷介质中冷却时能见效应力与变形；对形状复杂且轻度要求较高的模具、量具等，可以用微变形钢（Cr12MnV）；对于易变形、淬裂的零件，选用合金钢（CrMn9CrSi）等；对于硬度要求不高的结构件，在满足硬度要求的情况下，尽可能的选用碳含量分布较小的碳钢，如（45号）以减小变形。
        3.2运用合理的冷却方法
        合金淬火后冷却过程对变形的影响是很重要的一个变形原因。热油比冷油淬火变形小，一般控制在100±20℃，油的冷却能力对变形的影响也至关重要。淬火搅拌方法和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，变形也越大，可以在保证硬度要求的前提下，尽量采用预冷、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[2]。如T8、45号采用水、油分级淬火。对于体积较小，容易变形的细杆或金属薄片采用硝石冷却能显著减少变形。
        3.3合理选择加热温度
        在保证淬硬的前提下，一般应选择低一些的淬火温度，但对于一些高弹合金钢工件，可以通过适当提高淬火温度而降低MS点增大残留奥氏体量。如有些(Cr12MoV)的高硬度模具，有的就选择1040℃的淬火温度，以此来防止弧状裂纹。
        3.4合理锻造及预热处理
        淬火前的原始组织对淬火变形有很大的影响。尤其对高碳工具钢，必须进行合理的锻造以消除网状碳化物及偏析，尽可能使其均匀分布。对变形要求较严格的工件，在加工过程中，要求进行去应力退火，对变形复杂的零件在淬火前进行退火、正火或调质处理，以减少变形或避免零件变形和开裂。钢件的预备预热处理，一般是在铸造后立即进行退火或正火，依据不同的情况采用不同的预备热处理方法[3]：（1）低碳钢应选用正火处理，以获得均匀的铁素体加细片状得珠光体组织。（2）中碳钢及合金钢一般采用完全退火或等温球化退火获得铁素体加片状或球状珠光体组织。（3）如果仅为了消除铸造应力，则采用去应力退火即可。（4）较大的大型铸件可采用均匀化退火处理。
        3.5采用合理的热处理工艺
        （1）采用一次或多次预热
        为了减小热应力缓慢加热，以减小工件的温差，尤其对形状复杂或导热性差的高合金钢制工件模具，采用一次或多次预热，减小变形、防止开裂。此外，适当降低淬火温度或采用预冷淬火，有利于减小变形。
        （2）采用分级或等温淬火
        分级淬火是工厂中消除淬火裂纹的行之有效地重要方法，碳素钢合金钢均收到预期效果。双液淬火是将原件先后在两种淬火介质中进行冷却的方法，多用于碳素工具钢及大截面的低合金工具钢的工件，即在高温区用盐水的快速冷却抑制过冷奥氏体的分解，在低于400℃温度时立即转入油中缓慢冷却以减少淬火内应力，防止淬火裂纹。
        结束语
        关键/重要件都要进行热处理，有的热处理工件就会出现变形甚至开裂，因此提高产品质量、降低废品率、减少热处理变形、防止开裂是我们首要也是最重要的任务之一。我们要重视现阶段热处理技术，并充分掌握。另外，在生产过程中要综合分析，找出问题的关键，采取有效地措施，减小热处理变形，避免开裂，达到提高产品质量，降低消耗，增加经济效益的目的。