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1、如何减小金属热处理变形摘 要：金属热处理在改善材料各种性能的同时，热处理变形是不可避免的，并且会直接影响到工件的精度、强度、噪声和寿命，因此对于精度要求较高的零件要尽可能减小其变形量，着重分析温度是控制变形的关键因素的同时罗列几点次要因素。关键词：金属热处理 变形 温度一、引言金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处
2、理工艺是必不可少的。但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，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。二、温度是变形的关键因素工业上实际应用的热处理工艺形式非常多，但是它们的基本过程都是热作用过程，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等几个参数来描述。在热处理工艺中，要用到各种加热炉，金属热处理便在这些加热炉中进行（如基本热处理中的退火、淬火、回火、化学热处理的渗碳、渗氨、渗铝、渗铬或去氢、去氧等等）。因
3、此，加热炉内的温度测量就成为热处理的重要工艺参数测量。每一种热处理工艺规范中，温度是很重要的内容。如果温度测量不准确，热处理工艺规范就得不到正确的执行，以至造成产品质量下降甚至报废。温度的测量与控制是热处理工艺的关键，也是影响变形的关键因素。（1）工艺温度降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少；（2）工艺温度降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少；（3）如果工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形
4、也会减少。 减小热处理变形需要合理的热处理工艺。例如经热处理后的 20CrNi2MoA 钢齿圈齿表面、齿心部硬度及有效硬化层深度均达到要求。图 1 为模数 mn=12mm 的齿圈经不同温度球化退火后的硬度梯度曲线。由图1 可以看出，在 650球化退火后的硬度梯度和 740球化+680等温处理的硬度梯度结果相近，未经球化退火的齿轮的硬度较前两个低。这是因为球化退火可使淬火后渗层表面残留奥氏体量减少，从而提高了齿表面硬度，因此 20CrNi2MoA 钢齿圈渗碳后应采用球化退火工艺，同时为减小热处理变形，在 650球化退火效果更好。 三、变形的其它影响因素及减小措施（一）预备热处理正火硬度过高、混晶
5、、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。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。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。（二）运用合理的冷却方法金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在 10020。油的冷却能力对变形也是至关重要的。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。可以在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级
6、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，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。 （三）零件结构要合理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。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；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。（四）采用合理的装夹方式及夹具
7、目的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，可改变装夹方式，盘类零件与油面垂直，轴类零件立装，使用补偿垫圈，支承垫圈，叠加垫圈等，花键孔零件可用渗碳心轴等。（五）机械加工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。为此，应按照工件的畸变规律，热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机械加工余量易于确定，而热处理由于影响因素多比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。热处
8、理后再加工，根据工件的变形规律，施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率。（六）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，再其他条件无差异的前提下，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度则相对快一些。而且，和油性介质相比，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。四、结束语热处理能改善工件的机械性能，提高工件的强度和硬度，但引起的变形影响是不可避免的。我们要重视我国现阶段的热处理技术和装备的改进，不断学习国外先进的技术，提高热处理工件质量及合格率，为我国的热处理行业作出贡献。参考文献：1
9、刘晔东，热处理变形浅析. 机械工人：热加工. 2007 年 10 期. 2雷声，齿轮热处理变形的控制. 机械工程师. 2008 年 5 期.3魏强、刘晓清，热处理淬火变形的控制. 汽车工艺与材料. 2008 年 7 期.在液态淬火介质中冷却的四阶段理论在水性介质中淬火，有时会听到爆炸声响。为了寻找产生这种声响的原因，本文从理论分析和试验观测两方面研究了：1.完整蒸汽膜保持稳定的条件，2.蒸汽膜阶段的结束过程。初期的分析认为：1.在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜把液态介质和工件表面分隔开。在多种影响因素中，汽-液界面能的高低对蒸汽膜的厚度和蒸汽膜阶段的长短有重要的影响。工件表面温度降低，蒸汽膜的厚度是逐
10、渐减薄的。2.即便是均匀的球体，完整蒸汽膜的破裂，也不应当是在蒸汽膜厚度均匀减薄近零时才同时发生。由于不可避免的扰动，在完整蒸汽膜阶段，蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当气膜厚度降低到一定的程度时，在某个起伏较大的部位，液态介质可能与工件表面接触。如果接触部位不被马上汽化，且液态介质对该表面又有较好的润湿性，则该接触区就会向固体表面扩展。本文把能够成功扩展的上述接触点称为超前接触点。扩展速度决定于相关的三个表面能(汽-液，汽- 固，液-固)的大小关系。对球形工件，我们推测：当扩展速度非常快时，表面蒸汽膜中的气相介质可能被推成偏向一侧的大气泡。该大气泡因深入温度较低的液层而被迅速冷凝。这就在原
11、来气泡所在位置形成了一个有一定真空度的真空球。周围的液体在填补该真空球时发生冲撞而产生爆炸声响。开始时，试验观测的目的只有两个：1.找出一个能使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动事实，用以证明产生超前接触点的可能性。2.摄像观测上述推测中说的真空球的形成和爆炸过程。主要以不同大小的均匀球体为试样。采用清水、基础油、快速油、PAG 淬火液以及匀速冷却液为试验介质。试验发现和认识：1.观测到一种扰动现象，并对其进行了分析研究。2.除部分听到爆炸声响的试样外，其它的试验中都观测到上述超前接触点现象。超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性。在均匀的球体上，出现一个超前接触点后，很难再出现第二个。蒸汽膜阶段的结束
12、从超前接触点开始，逐渐扩展到整个球体表面。超前接触点出现的位置不同，随后的扩展途径也不同。3.当接触区的扩展速度比较慢时，蒸汽膜笼罩区与已经进入沸腾冷却阶段的区域共同存在的时间比较长。而后，球体表面只存在单一的沸腾冷却方式的冷却时间相对较短。4.在发生爆炸的试样上，可以观测到相似于爆炸的现象和听到爆炸声响。在发生爆炸之后的一段时间内，球体表面上既存在通常意义上的沸腾冷却区，也同时存在比较稳定的柱状蒸汽泡的冷却区。本文认为，这是沸腾冷却和蒸汽膜冷却方式共存的冷却时期。5.在所做的试样中，没有观测记录到前述真空球的产生过程。因为只在极快速扩展的试样上听到爆炸声响，本文这样解释其产生原因：由于扩展在
13、极的时间内完成，在水-固交界线上，水接触高温固态表面时发出的一连串的气泡爆裂声被人耳听成了一次爆炸声响。当前，在液态淬火介质中做淬火冷却，通用的是“蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段”的三阶段理论。在本试验中出现的很多现象是三阶段理论不能解释的。分析上述现象，并结合多年来研究和应用液态淬火介质的经验，本文提出了工件在液态淬火介质中冷却的四阶段理论。四阶段为：蒸汽膜阶段、中间阶段、沸腾阶段和对流阶段。中间阶段是蒸汽膜冷却区和沸腾冷却区共存的冷却阶段。中间阶段从出现超前接触点开始，到工件上同一有效厚度部位全部进入沸腾冷却阶段为止。本文预测，由于超前接触点的出现位置有很大的随机偶然性，会使工件在中间阶段
14、的冷却结果具有相当大随机波动范围。液体淬火介质的特性温度问题，就产生于这个中间阶段的特性。研究和应用上述四阶段理论可以：1.更好地解释冷却特性曲线上出现的多种差异和变化。2.指导热处理工作者更好地选择和应用液态淬火介质。3.为计算机模拟工件冷却过程提供提高计算准确度的改进方向。渗碳工艺的分类与选择1、 直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。2、 预冷直接淬火、低温回火淬火温度 800-850组织及性能特点：可以减少工件淬火
15、变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。3、 一次加热淬火，低温回火，淬火温度 820-850或 780-810组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用 820-850淬火，心部为低碳 M，表面要求硬度高者，采用 780-810淬火可以细化晶粒。适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。4、 渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火，淬火温度 840-860组织及性能特点：高温回火使 M 和
16、残余 A 分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余 A 减少。适用范围：主要用于 Cr-Ni 合金渗碳工件5、 二次淬火低温回火组织及性能特点：第一次淬火（或正火），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织（850-870），第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的 Ac1-Ac3 之间淬火，对心部性能要求高时要在 Ac3 以上淬火。适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。6、 二次淬火冷处理低温回火组织及性能特点：高于 Ac1 或 Ac3（心部）的温度淬火，高合金表层残余 A 较多，经冷处理（-70/-80）促使 A 转变从而提高表面硬度和耐磨性。适用范围：主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。7、 渗碳后感应加热淬火低温回火组织及性能特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。适用范围：各种齿轮
