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金属热处理中变形的原因及控制策略

2020-09-08 23:26:58

众所周知,经过热处理的工件,性能会更加出色,更符合机械零件性能的要求。可是在热加工的过程中,金属材料会出现一些问题,比如变形。金属材料的外观变形,对机械零部件的加工是致命的影响。因此,本文着重阐述在对金属材料热加工中影响变形的原因,以及解决方法,以此来克服在金属材料加工当中的难题。在生产实际中,热处理变形的表现形式多种多样,有体积和尺寸的增大和收缩变形,也有弯曲、歪扭、翘曲等变形,就其产生的根源来说,可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形两大类。


(1)内应力塑性变形


热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性,都会产生内应力,在一定塑性条件的配合下,就会产生内应力塑性变形。在加热和冷却过程中,零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致,致使热胀冷缩的程度不同,这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。在加热和冷却过程中,零件的内部组织转变而发生的时间不同,这样产生的应力变形叫组织应力变形塑性变形。


  (2)体积变形


比容变形在热处理过程中,各种相结构的组织比容不同,在相变时发生的体积和尺寸变化为比容变形。比容变形一般只与奥氏体中碳和金元素的含量、游离相碳化物、铁素体的多少、淬火前后组织比容变化差和残余奥氏体的多少和钢的淬透性等因素有关。


减小热处理变形的方法


  一、温度的测量与控制


  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。


  二、控温正火或等温退火


  正火硬度过高、混晶、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。


  三、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100℃±20℃。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。


  四、合理的零件结构


  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。


  五、合理的装夹方式及夹具


  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。


  六、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。


  七、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。


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