金屬材料熱處理變形的影響因素分析與應對措施

許鑫龍

（內(nèi)蒙古科技大學材料與冶金學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬復合材料有著更多優(yōu)勢，包括質(zhì)量輕、可塑性好、抗壓性強、成本低等特點，在機械制造領域得到了越來越廣泛的應用，大有取代傳統(tǒng)單一金屬材料的趨勢[1]。在金屬可塑性加工過程中一個主要步驟就是熱加工環(huán)節(jié)。金屬熱加工可以按人們的需要將金屬進行塑形，但同時也存在一些問題，比如，使用的溫度不合理容易損傷金屬本身的形狀，從而降低金屬材料生產(chǎn)的零部件質(zhì)量。因此，在金屬合金的熱加工環(huán)節(jié)必須掌控好機加工與溫度變形間的聯(lián)系，精確控制相關尺寸與標準，確保金屬熱加工質(zhì)量。

1 金屬材料熱加工變形的種類

金屬材料熱加工中常見的問題之一就是形變。在眾多加工工藝過程中所出現(xiàn)的形變主要包括兩種類型。一是內(nèi)應力塑性變形，主要是由于金屬材料的溫度不均勻造成的。在熱加工過程中金屬塊不同部位受到的溫度不同，使得不同部位的冷卻速度也不相同。伴隨溫度的降低，金屬不同部位所發(fā)生的熱脹冷縮程度也不同，從而引起形變。二是熱處理比容變形。相關研究顯示，金屬合金材料大多數(shù)都存在比容形變，這一形變主要與金屬材料中存在著碳元素以及部分微量金屬元素有關[2]。一塊均質(zhì)的金屬塊在熱加工過程中，金屬塊不同方向上都有著相同的形變，這說明金屬合金材料的比容形變的特點就是各向同性。發(fā)生這類形變后的合金也會出現(xiàn)大小上的變化。

2 熱處理中金屬材料變形的常見影響因素

2.1 應力因素

不同金屬的密度都有所不同，在熱加工處理中因為受熱不均勻可引起金屬材料發(fā)生變形。金屬熱加工通常都需要先進行加熱，保持一段時間的保溫期后再開始熱加工。在加熱與保溫過程中金屬材料內(nèi)外部以及不同部位的溫度是不同的，因此，不同部位的狀態(tài)也存在差異。比如，高溫部位已經(jīng)變軟，而低溫部位還是比較硬的狀態(tài)，此時，所形成的不同應力會導致材料發(fā)生不良形變。

2.2 冷處理過程因素

在金屬熱加工過程中通常會發(fā)生低溫回火容易引起金屬材料變形。另外，加工的時效性也會影響到金屬材料的變形。這兩種因素會引起金屬合金材料發(fā)生馬氏體分解以及碳析出現(xiàn)象。在之后的淬火加工環(huán)節(jié)中，金屬材料中的奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使金屬發(fā)生變形。這將影響到金屬材料的質(zhì)量，也會降低這類金屬材料所生產(chǎn)設備的可靠性。

2.3 預處理因素

預處理屬于金屬熱加工中常用的一種加工工藝，有助于消除應力。若未開展預冷處理，金屬材料在正火過程中容易發(fā)生冷堆問題，內(nèi)部與表面的巨大溫差會引起明顯的變形。這將影響到熱處理效果，也會影響到加工生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 原始組織因素

在合金元素纖維方向以及碳化物形狀方面的影響下，金屬材料在淬火過程中也會受到一些影響[3]。這屬于原始組織方面的影響。如今熱處理加工環(huán)節(jié)通常都加入了一些化學方法，讓金屬材料的原始組織變得更有規(guī)律性。這樣金屬材料熱變形程度也更小，并能改善金屬的一些性能，如表面耐磨性更強。

2.5 淬火因素

淬火屬于金屬材料加工生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)。淬火可以改變材料的性質(zhì)，讓材料硬度更好，抗腐蝕性更強。在這一加工環(huán)節(jié)中必須選用恰當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)，對金屬材料的形變程度以及加工產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響。

3 金屬材料熱處理操作需遵循的原則

3.1 操作規(guī)范合理原則

工作人員操作失誤是引起金屬材料熱處理變形的一個常見原因。為此，在運用熱處理技術(shù)處理金屬材料時，必須先對工人進行技能培訓，學習與金屬材料有關的知識。對于不同類型的金屬材料應選擇合適的熱處理技術(shù)，然后全面檢測金屬材料，得到更全面、詳細的材料指標數(shù)據(jù)，制作出規(guī)范、詳細的熱處理工藝標準以及流程，確保熱處理操作的規(guī)范性。同時，完善相關監(jiān)督機制，督促工作人員嚴格按流程操作，達到防控熱處理形變的目的。

3.2 避免環(huán)境干擾原則

金屬材料熱處理加工對生產(chǎn)環(huán)境要求比較嚴格，不僅要盡量避免外界環(huán)境對金屬材料熱處理變形的影響，也要避免引起環(huán)境污染。一般可將工廠建在城郊區(qū)，并引入先進的生產(chǎn)設備與工藝，減少金屬材料熱處理難度，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

3.3 定期培訓原則

金屬材料熱加工對從業(yè)人員的業(yè)務技能要求較高。工廠需定期對相關人員進行業(yè)務培訓，幫助員工掌握金屬材料熱處理的相關知識與先進的處理工藝，讓員工掌握不同金屬材料的性能特點以及對應的熱處理技術(shù)，熟練操作，減少熱處理形變的幾率。

4 金屬材料熱處理變形的防控對策

4.1 重視預處理環(huán)節(jié)

在金屬材料熱處理操作中應增設預處理這一流程，以改善金屬內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，增強金屬材料的均勻性。同時，預處理也可讓金屬材料與其它金屬材料相結(jié)合，防止金屬材料因為自身材料問題而引起后續(xù)的形變[4]。在操作實踐中工作人員可結(jié)合實際情況選用相應的退火技術(shù)，可以緩解金屬材料在熱處理過程中受到不同溫度的影響，從而減少變形問題。

4.2 合理選擇淬火工藝

淬火工藝屬于金屬熱處理中的一個關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其處理水平將直接影響到金屬材料的加工質(zhì)量。因為金屬材料內(nèi)應力改變主要影響因素就是淬火介質(zhì)與淬火溫度。若應力太大則易導致金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。為此，操作人員要集中注意力開展淬火操作，確保淬火加工質(zhì)量。按照金屬材料的具體特性選取恰當?shù)臏囟龋⑦x用合適的淬火介質(zhì)，從而讓金屬材料的應力分布更均勻，防止應力過大而導致金屬變形。通常所用的淬火介質(zhì)包括鹽水與水油。若選擇水油為淬火介質(zhì)，水油溫度上升至450℃～550℃左右，冷卻速率應為500℃/s；若水油溫度下降至250℃～350℃左右，冷卻速度為280℃/s。若選擇鹽水為淬火介質(zhì)，則冷卻速率就會變快。一般來說，鹽水的冷卻速度是水油的兩倍[5]。假如水與油的溫度保持在550℃～650℃左右，冷卻速率是600℃/s；若采用鹽水進行冷卻，同樣溫度條件下的冷卻速率則高達1200℃/s?？梢姡粢x擇鹽水為淬火介質(zhì)，必須結(jié)合金屬材料的冷卻速率來對淬火介質(zhì)的溫度進行合理的控制，防止由于冷卻速率過快而引起金屬材料變形。此外，在淬火前需完成正火操作，讓金屬材料適應相應的溫度，保證淬火質(zhì)量。在正火過程中要控制好爐內(nèi)溫度，避免溫度太高導致金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。在具體處理時可觀察爐溫運用退火工藝，減少金屬材料自身的硬度，從而使應力值也隨之變小。這能夠防范金屬材料形成的壓力超出自身強度。

4.3 選擇合適的冷卻方法

在金屬熱處理加工中不同類型的金屬材料所對應的冷卻方法也有所不同。若冷卻速度較快而且不夠均勻，則熱處理中所形成的應力也越大，金屬材料發(fā)生變形的幾率也越大。為此，應選擇科學合理的冷卻方法盡量防止金屬工件發(fā)生變形。第一，根據(jù)金屬材料的尺寸大小，研究主要工藝參數(shù)，確定合理的冷卻方法。第二，目前常見的金屬材料熱處理冷卻工藝有很多，包括單液淬火、雙液淬火等技術(shù)。單液淬火是指使用單一介質(zhì)冷卻材料，能夠縮短操作時間，提高淬火效率，但是不容易控制好淬火速度與淬火質(zhì)量。雙液淬火是指在了解金屬材料的相關屬性后，將金屬材料放入冷卻速度較快的介質(zhì)中，可以在短時間讓金屬材料迅速冷卻，然后將其轉(zhuǎn)入到冷卻速度相對較慢的介質(zhì)中繼續(xù)冷卻?？梢姡瑧Y(jié)合具體的熱處理要求，選取恰當?shù)睦鋮s方法，確保金屬材料熱處理中的淬火冷卻質(zhì)量。第三，在不影響模具硬度的條件下選擇預冷與分級冷卻方法，以防控形狀比較復雜工件發(fā)生變形。

4.4 消除熱處理環(huán)節(jié)中的殘余應力

殘余應力直接影響到金屬材料的形狀、尺寸以及性能。為此，應重視這方面的研究，盡量消除金屬材料熱處理環(huán)節(jié)中所存在的殘余應力。第一，按照金屬材料的相關特性，加入適當比例的合金元素，可優(yōu)化金屬材料的抗應力性能，而且也能增加金屬材料的使用年限，使其更符合熱處理工藝的相關要求[6]。第二，在熱處理金屬材料前先處理好金屬材料自身存在的缺陷，仔細檢測金屬表面有無裂紋、劃傷、表面粗糙等問題。通過焊接、高溫塑變等方法來修復金屬材料，避免在淬火處理中發(fā)生變形或開裂，為后面的熱處理加工做好準備。

4.5 金屬加工裝夾方法與夾具選擇

對于金屬材料來說，無論是加熱還是冷卻處理，采用不同的技術(shù)方法與生產(chǎn)流程均會影響到金屬材料的形狀與屬性。裝夾方法與夾具也是影響金屬材料熱處理操作中的重要一步。因此，應根據(jù)生產(chǎn)要求選擇相應的裝夾方法以及夾具，從而減少熱應力不均勻所造成的形變問題。

5 結(jié)語

總之，金屬材料熱處理技術(shù)是改善金屬材料性能的重要加工工藝，必須控制好熱處理過程中相關環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，最大限度消除對金屬材料熱處理變形的影響，提高金屬材料熱處理質(zhì)量，生產(chǎn)出符合要求的金屬材料，滿足市場需要。這有助于企業(yè)降低生產(chǎn)成本，增加效益，更好地應對市場的挑戰(zhàn)。