姜林

（中航工業(yè)吉林航空維修有限責(zé)任公司）

金屬材料的熱處理是將固態(tài)金屬采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，有時(shí)并兼之以化學(xué)作用和機(jī)械作用，使金屬合金內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而獲得改善材料性能的工藝。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。很多實(shí)際應(yīng)用中合理選用材料和各種成形工藝并不能滿(mǎn)足金屬工件所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，這時(shí)熱處理工藝是必不可少的。
但是熱處理工藝除了具有積極的作用之外，在處理過(guò)程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生或多或少的變形，而這又是機(jī)械加工中必須避免的，兩者之間是共存而又需要避免的關(guān)系，只能采用相應(yīng)的方法盡量把變形量控制在盡量小的范圍內(nèi)。

一、熱處理變形產(chǎn)生的原因
鋼在熱處理的加熱、冷卻過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生變形，甚至開(kāi)裂，其原因是由于淬火應(yīng)力的存在。淬火應(yīng)力分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，使熱處理后零件產(chǎn)生不同殘留應(yīng)力，可能引起變形。當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)變形就會(huì)產(chǎn)生，因此，淬火變形還與鋼的屈服強(qiáng)度有關(guān)，材料塑性變形抗力越大，其變形程度越小。
1.熱應(yīng)力
在加熱和冷卻時(shí)由于零件表里有溫差存在造成熱脹冷縮的不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。零件由高溫冷卻時(shí)表面散熱快，溫度低于心部，因此表面比心部有更大的體積收縮傾向，但受心部阻礙而使表面受拉應(yīng)力，而心部則受壓應(yīng)力。表里溫差增大應(yīng)力也增大。
2.組織應(yīng)力
組織應(yīng)力是因?yàn)閵W氏體與其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之間的組織轉(zhuǎn)變時(shí)間不同而產(chǎn)生的。由于奧氏體比容Z小，淬火冷卻時(shí)必然發(fā)生體積增加。淬火時(shí)表面先開(kāi)始馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，心部仍為奧氏體體積不變。由于心部阻礙表面體積增大，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。
二、減少和控制熱處理變形的方法
1.合理選材和提高硬度要求
對(duì)于形狀復(fù)雜，截面尺寸相差較大而又要求變形較小的零件，應(yīng)選擇淬透性較好的材料，以便使用較緩和的淬火冷卻介質(zhì)淬火。對(duì)于薄板狀精密零件，應(yīng)選用雙向軋制板材，使零件纖維方向?qū)ΨQ(chēng)。對(duì)零件的硬度要求，在滿(mǎn)足使用要求前提下，盡量選擇下限硬度。
2.正確設(shè)計(jì)零件
零件外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、均勻、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，以免因冷卻不均勻，使變形開(kāi)裂傾向增大。盡量避免截面尺寸突然變化，減少溝槽和薄邊，不要有尖銳棱角。避免較深的不通孔。長(zhǎng)形零件避免截面呈橫梯形。
3.合理安排生產(chǎn)路線(xiàn)，協(xié)調(diào)冷熱加工與熱處理的關(guān)系
對(duì)于形狀復(fù)雜、精度要求高的零件，應(yīng)在粗、精加工之間進(jìn)行預(yù)先處理，如消除應(yīng)力、退火等。做好毛坯預(yù)備熱處理，使組織更加均勻化[2]。
4.改進(jìn)熱處理工藝和操作
（1）熱處理溫度的控制
在滿(mǎn)足熱處理工藝要求的情況下，盡量降低淬火加熱溫度且縮短保溫時(shí)間，這樣零件的高溫強(qiáng)度損失較少。塑性抗力增強(qiáng)，零件的抗應(yīng)力形變、抗淬火變形的綜合能力增強(qiáng)，從而減少了變形。
（2）選擇較緩和的淬火冷卻介質(zhì)
冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它關(guān)系到淬火質(zhì)量的好壞，也是淬火工藝中Z容易出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)，金屬淬火后冷卻過(guò)程對(duì)變形的影響也是很重要的一個(gè)原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在90℃左右。在保證硬度的前提下，盡量采用油性介質(zhì)，油性介質(zhì)冷卻速度較慢，而水性介質(zhì)冷卻速度相對(duì)快一些，而且水溫變化對(duì)水性介質(zhì)冷卻特性影響較大。
采用分級(jí)淬火能顯著減少金屬淬火時(shí)產(chǎn)牛的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些形狀復(fù)雜零件的有效辦法。這種淬火方法由于在馬氏體轉(zhuǎn)變前零件各部分溫度已經(jīng)趨于均勻，并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣不僅減小了淬火熱應(yīng)力，而且顯著降低組織應(yīng)力，因而有效地減小或預(yù)防止零件淬火變形。
等溫淬火也能顯著減小零件變形，等溫淬火與分級(jí)淬火的區(qū)別在于前者獲得下貝氏體組織，由于下貝氏體組織的強(qiáng)度、硬度較高，而且韌性良好，比熱容比馬氏體的比熱容小，組織轉(zhuǎn)變時(shí)零件內(nèi)外溫度一致，故淬火組織應(yīng)力也較小。等溫淬火和分級(jí)淬火只能適用于尺寸較小的零件。
（3）正確掌握熱處理操作方法
為了減小和控制熱處理變形還必須正確掌握熱處理操作方法。截面均勻冷卻時(shí)，如細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)（絲錐、軸）垂直淬入，上下移動(dòng)，也有垂直逐漸淬入并靜止不動(dòng)。截面不均勻冷卻時(shí)，水平快速淬入或傾斜淬入，如厚薄不均零件，應(yīng)將厚的部分先淬入。對(duì)于薄片應(yīng)側(cè)向進(jìn)入，對(duì)帶有孔和凹面零件，應(yīng)將盲孔和凹面朝上淬入，以利于氣泡排出。總之，要使零件各處冷速均勻，有些需要防護(hù)的零件做好淬火前保護(hù)。
三、已變形零件的挽救方法
盡管采取減少變形措施，但變形仍不可避免，因此進(jìn)行補(bǔ)救是很必要的，常用的方法有冷校直和熱校直。如果淬火回火后硬度低于40HRC的零件，可以采用冷校直直接用壓力機(jī)校正。如果金屬在淬火冷卻過(guò)程中，尚未冷卻到馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)以下，此時(shí)零件塑性較好，進(jìn)行加壓校直效果良好，校直時(shí)加力應(yīng)注意緩慢[3]。
四、結(jié)語(yǔ)
熱處理能改善零件的力學(xué)性能，提高零件的強(qiáng)度和硬度，滿(mǎn)足各種性能需要，但引起的變形影響是不可避免的。在選擇預(yù)防熱處理變形的具體方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況制定具體辦法，許多辦法都是源于實(shí)踐，要反復(fù)試驗(yàn)才能探索規(guī)律。我們要重視現(xiàn)階段的熱處理技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)發(fā)展自主創(chuàng)新，不斷提高熱處理零件的質(zhì)量及合格率，為熱處理發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志