大型零件熱處理變形研究

呂 揚(yáng)

(中國(guó)一重鑄鍛鋼事業(yè)部熱處理廠(chǎng)，黑龍江161042)

1 大型零件熱處理變形的原因

1.1 加熱

大型零件加熱時(shí)，有殘余應(yīng)力存在，加熱不均勻者，在加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形。殘余應(yīng)力主要是由機(jī)械加工引起的。如存在這樣的應(yīng)力，即使加熱均勻，鋼件的屈服點(diǎn)也會(huì)隨著溫度上升而下降。因此只要有殘余應(yīng)力存在，加熱時(shí)就會(huì)導(dǎo)致零件變形。

一般零件外表面的殘余應(yīng)力較大，因此，從零件外部進(jìn)行加熱時(shí)，往往在零件外表面出現(xiàn)變形。由殘余應(yīng)力引起的變形，包括彈性變形和塑性變形。通常加熱的時(shí)候發(fā)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，這就成為變形的原因。加熱速度越快，零件越大或零件截面變化越大，加熱變形就越大。熱應(yīng)力是由溫度分布不均和溫度梯度等引起的，它起因于熱膨脹不同。對(duì)塑性變形的影響與其說(shuō)是材料的高溫屈服點(diǎn)，倒不如說(shuō)是熱應(yīng)力，熱應(yīng)力越高，越易引起塑性變形，并以變形的形式表現(xiàn)出來(lái)。

1.2 冷卻不均勻

冷卻不均勻，則發(fā)生熱應(yīng)力，這是變形的原因。即使冷卻已經(jīng)充分均勻，零件的外表面與心部也存在著冷卻速度的差異，因此無(wú)論如何也防止不了熱應(yīng)力的產(chǎn)生，這是引起變形的原因。在淬透的情況下，在變形上又疊加相變應(yīng)力(由馬氏體引起的膨脹相變)，所以使變形復(fù)雜起來(lái)。若再加上組織不均勻，或有脫碳，則相變的發(fā)生溫度就更不同，甚至連相變膨脹量也不同，因此相變應(yīng)力被復(fù)雜化了，所以變形也成為難以預(yù)測(cè)的了。

相變應(yīng)力和熱應(yīng)力引起變形，但并非所有的應(yīng)力都消耗于變形上，其中也還有一部分應(yīng)力作為殘余應(yīng)力殘留下來(lái)，它是引起失效變形和自生裂紋的原因。

1.3 冷處理

冷處理僅能促進(jìn)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，由于溫度低，所以冷處理中的變形比淬火冷卻時(shí)發(fā)生的機(jī)會(huì)更少，然而應(yīng)力卻比淬火冷卻時(shí)大。由于殘余應(yīng)力、相應(yīng)變力、熱應(yīng)力等的疊加，多半發(fā)生裂紋。

1.4 回火

通常是經(jīng)過(guò)回火，使內(nèi)應(yīng)力均勻化，同時(shí)使其減輕或消除，由于還發(fā)生組織變化，所以有減少變形的傾向，然而一旦發(fā)生變形，就不那么容易矯正了。若要矯正，必須用加壓回火或噴丸處理等方法。像高速工具鋼和模具鋼等回火硬化鋼，從回火溫度冷卻時(shí)，發(fā)生馬氏體化(二次馬氏體)，這時(shí)往往發(fā)生變形和裂紋。所以，在這種情況下，必須使它從回火溫度均勻而緩慢的冷卻下來(lái)。

1.5 重復(fù)淬火

重復(fù)淬火之間不加退火(中間退火)時(shí)變形很大，圖1為因重復(fù)淬火而發(fā)生的變形。重復(fù)淬火總變形是各次變形的疊加，最后成為球形，直到發(fā)生龜裂。由于球形是最穩(wěn)定的形狀，所以最后成為這種形狀。因此在重復(fù)淬火時(shí)，應(yīng)插入中間退火，且重復(fù)淬火次數(shù)最好不要超過(guò)兩次。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定淬火的重復(fù)次數(shù)是兩次(把最初1次淬火算在內(nèi)共3次)，就是這個(gè)原因。

1.6 殘余應(yīng)力

圖1 因重復(fù)淬火而發(fā)生的變形Figure 1 Deformation caused by the repeated quenching

鋼加熱到約450℃時(shí)就從彈性體變成塑性體，此時(shí)易發(fā)生塑性變形。另一方面，加熱到約高于450℃以上時(shí)，由于再結(jié)晶殘余應(yīng)力消失。因此只要不快速加熱，即使有殘余應(yīng)力也不會(huì)因?yàn)榧訜岫l(fā)生變形。但是，如果快速加熱，加熱到450℃以上的部分會(huì)變?yōu)樗苄泽w，該塑性體受到內(nèi)部低溫部位殘余應(yīng)力的作用而發(fā)生變形。這些部分冷卻下來(lái)后，變形就顯示出來(lái)了。因?yàn)檎婵諣t加熱緩慢，所以加熱變形少，然而即使在真空爐內(nèi)加熱的零件，如果在油中淬火，也會(huì)發(fā)生與普通電爐加熱一樣的淬火應(yīng)變。

2 熱處理變形預(yù)防措施

大型零件熱處理變形的預(yù)防措施如下：

(1)在淬火前應(yīng)把加工應(yīng)力預(yù)先消除，其中應(yīng)認(rèn)真做好退火，至少要進(jìn)行消除應(yīng)力退火(450～600℃)。

(2)應(yīng)緩慢而均勻地進(jìn)行加熱，對(duì)鋼件最好進(jìn)行預(yù)熱，第一級(jí)預(yù)熱采用400℃，第二級(jí)預(yù)熱采用靠近臨界溫度以下的溫度為宜。

(3)為防止由自重引起的下垂，應(yīng)該在加熱爐床上擺放鐵板，或使用支撐件，支撐件的間隔小于等于3倍工件直徑，最好采用零件懸掛起來(lái)的加熱方法。

(4)應(yīng)進(jìn)行奧氏體等溫淬火或分級(jí)淬火，或熱浴淬火。

(5)應(yīng)進(jìn)行加壓淬火或模壓淬火等的模具挾持淬火。

(6)應(yīng)加上反翹曲措施后再進(jìn)行淬火。

(7)應(yīng)在產(chǎn)生淬火彎曲的一側(cè)綁上加強(qiáng)筋后再進(jìn)行淬火。

(8)應(yīng)使零件壁厚均勻，開(kāi)工藝孔及可拆卸孔，或在壁薄的地方填上石棉、粘土等。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹分析了大型零件熱處理變形的原因，采取有效的措施避免變形，對(duì)零件的使用壽命及精度都有著重要的意義。