王國(guó)東

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

金屬材料的熱處理是將固態(tài)金屬或合金，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫，然后采取合適的方式冷卻，使金屬合金發(fā)生固態(tài)相變，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，僅憑選擇材料和成形工藝并不能滿足工件所需要的性能，通過對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理而獲得優(yōu)良的綜合性能是必不可少的。但金屬材料的熱處理除改善材料的綜合性能的積極作用外，在熱處理過程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生或多或少的變形，而這又是工件生產(chǎn)過程中極力消除和避免的。因此，需要找出工件熱處理過程中發(fā)生形變的原因，采取技術(shù)措施把變形量控制在符合要求范圍內(nèi)。

1 金屬熱處理變形的原因分析

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種金屬零件早已成為機(jī)械制造的必要部分。在零件的設(shè)計(jì)、選材中，對(duì)綜合性能方面也提出了更高要求。特別是生產(chǎn)過程中，對(duì)產(chǎn)品熱處理加工后的品質(zhì)提出了新要求。但在熱處理過程中出現(xiàn)形變等質(zhì)量問題，一直是熱處理過程中難以克服的。以下就金屬材料的熱處理變形原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.1 金屬熱處理的內(nèi)應(yīng)力塑性變形

金屬工件進(jìn)行熱處理時(shí)，通常經(jīng)歷加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。由于加熱和冷卻的不均勻性，金屬組織在固態(tài)相變時(shí)的不同時(shí)等因素，致使工件在熱處理過程中產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)應(yīng)力的作用下，金屬工件產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的不同原因，一般分為熱應(yīng)力塑型變形和組織應(yīng)力變形。熱應(yīng)力塑型變形是由于金屬工件在加熱和冷卻過程中，零件的內(nèi)外溫度不一致，致使熱脹冷縮的程度不同產(chǎn)生的。組織應(yīng)力變形是由于金屬工件在熱處理時(shí)內(nèi)部組織發(fā)生相變的時(shí)間不同而產(chǎn)生的。

內(nèi)應(yīng)力塑性變形與工件的結(jié)構(gòu)和形狀有直接關(guān)系，變形具有明顯的方向性，體積變化并不明顯。內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致工件的塑性變形量與熱處理次數(shù)成正比。

1.2 金屬熱處理的比容變形

在熱處理過程中，由于金屬內(nèi)部組織的相不同，相變時(shí)出現(xiàn)體積、尺寸等微小變化就是比容變形。比容變形一般與奧氏體中合金元素含量、滲碳體和鐵素體的含量、殘余奧氏體的多少以及金屬材料本身的淬透性等因素有關(guān)。

比容變形與內(nèi)應(yīng)力變形相比，具有變形方向不確定性。一般組織結(jié)構(gòu)較均勻時(shí)，其比容形變?cè)诓煌较蛏系淖兓窍嗤?。另外，材料的比容變形與其經(jīng)歷的熱處理工藝和次數(shù)無明顯的關(guān)聯(lián)性。

2 防止或減小金屬工件熱處理形變的技術(shù)措施

熱處理的“四把火”通常指正火、退火、淬火和回火。這些都屬于熱作用過程，分為加熱階段、保溫階段與冷卻階段。在采取措施防止或減小金屬工件熱處理變形時(shí)，往往在工件的結(jié)構(gòu)、熱處理工藝參數(shù)、加熱方式，工裝工具的選擇以及冷卻介質(zhì)等方面進(jìn)行分析。

2.1 金屬工件結(jié)構(gòu)方面

金屬工件在熱處理過程中，內(nèi)應(yīng)力的作用發(fā)生形變與工件的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。生產(chǎn)過程中長(zhǎng)棒或長(zhǎng)條狀、薄板狀、薄厚不均的工件極易發(fā)生變形。因此，在工件設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮工件在熱處理過程中的形變，能夠通過校直方式調(diào)整工件變形的，加工余量可以小一些。不能進(jìn)行校直的工件，要保證充分的加工余量，避免工件因熱處理后發(fā)生變形導(dǎo)致工件報(bào)廢。對(duì)于熱處理工序是最終生產(chǎn)工序的工件，在工件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分選擇好材料和工件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以減少熱處理過程形變對(duì)工件的質(zhì)量和使用性能的影響。

在滿足工件使用性能的情況下，工件設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少工件厚薄懸殊，工件的截面力求平均，工件的結(jié)構(gòu)盡可能保持對(duì)稱，以減少過渡區(qū)域因應(yīng)力集中和冷熱不均而產(chǎn)生畸變和開裂傾向。需要熱處理的工件應(yīng)盡量避免尖棱尖角、溝槽、小孔等特殊結(jié)構(gòu)，在工件的厚薄相接處和臺(tái)階處要有圓角過渡，以減小應(yīng)力集中。

2.2 熱處理工藝參數(shù)方面

熱處理工藝技術(shù)參數(shù)主要包括加熱速度與溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度等。加熱速度過快、加熱溫度過高，不僅增大了工件的形變傾向，還會(huì)造成工件的過熱和過燒傾向，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成工件報(bào)廢。特別是薄壁和細(xì)長(zhǎng)的工件，更容易發(fā)生變形。因此，在熱處理過程中應(yīng)選擇合理的加熱速度和加熱溫度。在制定保溫時(shí)間的熱處理工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分計(jì)算工件的有效厚度，確保工件在熱處理過程中有足夠的組織轉(zhuǎn)變時(shí)間和均勻化，以減小金屬工件的比容變形傾向。金屬工件往往在冷卻階段形變最明顯。冷卻過程中，不僅使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)彎曲等明顯的變形，而且由于發(fā)生組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生比容形變，出現(xiàn)體積增大等形變。因此，在滿足硬度值等零件設(shè)計(jì)技術(shù)要求的前提下，盡量選擇適宜或較緩的冷卻速度，以減少工件的形變傾向。

2.3 加熱方式及工裝工具的選擇

金屬工件的熱處理生產(chǎn)過程中通常選用的加熱爐有臺(tái)車式加熱爐和井式加熱爐。一般選用臺(tái)車式電阻爐較多，臺(tái)車式電阻爐具有爐膛內(nèi)溫度均勻，加熱升溫平穩(wěn)的特點(diǎn)，有利于減小工件在加熱過程中的形變。對(duì)于不同形狀和大小的工件應(yīng)選用適合的加熱設(shè)備，比如，圓筒類、長(zhǎng)管狀、長(zhǎng)桿類的零件最好采用井式爐，垂直懸掛裝爐進(jìn)行加熱，防止活件在加熱過程中的徑向彎曲。熱處理工件在裝爐時(shí)，盡量減少活件的堆垛碼放，特別是薄壁類工件以單件平放為宜。

為利于工件的裝爐和出爐冷卻，要對(duì)熱處理工件設(shè)計(jì)特定的工裝。在工裝工具的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮工件在工裝上放置的狀態(tài)和放置數(shù)量。桿類、管類、棒類零件最好選用垂直放置方式，其他形狀類工件以平放為宜，以盡可能降低工件在加熱和冷卻過程中變形為先決條件。

2.4 冷卻介質(zhì)和冷卻方式

熱處理冷卻介質(zhì)的冷卻能力，特別是金屬工件淬火過程中，淬火介質(zhì)的淬火烈度對(duì)工件熱處理后的變形及開裂具有直接影響，是導(dǎo)致金屬工件變形的重要因素之一。實(shí)踐證明，冷卻能力越強(qiáng)的介質(zhì)冷卻后變形的傾向越大。油類介質(zhì)的冷卻速度比水性介質(zhì)的冷卻速度慢，油淬后的變形量要相對(duì)小。在保證淬火硬度下，盡量采用冷卻能力相對(duì)小的介質(zhì)。

在冷卻過程中，通常要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行攪拌或通過循環(huán)泵對(duì)其進(jìn)行循環(huán)冷卻，降低介質(zhì)的溫度不均勻?qū)ぜ冃蔚挠绊憽＝饘俟ぜ跓崽幚淼睦鋮s過程中，入液的方式對(duì)冷卻后的變形影響較為明顯。桿類、棒類、管類等細(xì)長(zhǎng)類工件以垂直方式入液進(jìn)行冷卻，變形相對(duì)較小。板條狀、框架類的工件入液冷卻的原則是以工件最小截面積入液。一些薄厚不均，形狀較復(fù)雜的零件，在尖棱尖角或薄厚過渡明顯部位，應(yīng)采取石棉繩纏繞等緩冷措施。

3 減小金屬材料熱處理變形的其他方法

3.1 科學(xué)合理設(shè)計(jì)熱處理工藝

探索和創(chuàng)新不同的熱處理工藝方式，通過科學(xué)合理設(shè)置熱處理參數(shù)和探索多種形式的復(fù)合熱處理工藝，減少工件在熱處理過程中的形變，充分挖掘金屬材料的潛在性能。

3.2 探索新的加熱源和加熱方式

在新的熱源中，激光束、等離子體電弧等高能率熱源為熱處理未來熱源發(fā)展的方向。由于高能率熱處理的設(shè)備費(fèi)用昂貴等原因，目前我國(guó)尚未大量應(yīng)用，但其發(fā)展前景廣闊。采用真空和可控氣氛等加熱方式則是實(shí)現(xiàn)減少金屬氧化損耗和保證表面質(zhì)量的主要途徑。

3.3 采用新的冷卻介質(zhì)和改進(jìn)冷卻方式

新型淬火介質(zhì)的發(fā)展，特別是有機(jī)聚合物淬火劑的研究和應(yīng)用，可明顯減少淬火變形和開裂傾向。為使工件獲得最佳的淬火效果，除合理選用淬火介質(zhì)外，還需不斷改進(jìn)現(xiàn)有淬火方法，并采用新的淬火方法。如采用高壓氣冷淬火法、沸騰水淬火法、深冷處理法等，均能獲得很好的淬硬效果，有效減少工件的變形和開裂。

3.4 研制開發(fā)各種新型熱處理設(shè)備

根據(jù)熱處理新工藝發(fā)展的需要，研制開發(fā)新型高效熱處理設(shè)備，這對(duì)提高熱處理爐的性能、提高熱處理工件的加熱質(zhì)量，降低熱處理加熱過程中的工件形變十分重要。

4 結(jié)語

熱處理能改善工件的綜合機(jī)械機(jī)能，但熱處理過程引起工件的變形是不可避免的。任何因素的變化都或多或少地影響工件的變形傾向和形變大小。在熱處理過程中，能夠把握工件熱處理過程中導(dǎo)致工件變形的主要因素和關(guān)鍵點(diǎn)。通過分析和實(shí)踐，改進(jìn)熱處理工藝技術(shù)，一定能夠在熱處理工件的形變問題上得到突破，制定出合理的技術(shù)措施，保證熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。

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