金属材料热处理变形控制措施探析

张 磊

（郑州煤矿机械制造技工学校，郑州 450000）

热处理是机械零件和工具制造过程中的重要工序，经历加热-保温-冷却的工艺过程，内部原子在高温下发生剧烈运动，晶胞和晶格类型可能要发生改变，工艺性能和机械性能都会发生变化。在温控科学、加热和冷却速度适中的情况下，可细化晶粒，提高材料致密度，力学性能会有所改善，使用寿命也会提高。但热处理过程中，加热和速度控制不当，会使组织相变，造成不良效果。尤其在冷却速度控制不合理的情况下，零件内部会出现残余应力和变形，影响零件的使用安全。

1 材料热处理变形因素分析

影响材料热处理变形的因素有很多，例如，在相同热输入的条件下，材料本身的线膨胀系数和刚度、材料热处理的方法等都会使材料的组织相变和应力表现有所不同，而变形是内应力的释放形式，是组织相变和应力产生的外在表现。因此，分析材料热处理变形因素主要是考虑内部组织结构和形态的改变。

1.1 时效处理造成的影响

时效处理是指工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度或室温下放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。高温时效（人工时效）会使残余的奥氏体转变为硬度比较高的马氏体，晶粒体积变大，致密性降低，工件的强度硬度提高，内应力也会大大减少，但塑性塑性也会大大下降。低温回火和自然时效会使材料内部的马氏体组织分解成铁素体，内部应力释放，恢复原形，稳定外观尺寸。

1.2 材料成分和合金化程度造成的影响

原材料的成分及含量会影响金属材料的变形，如碳化物数量、合金元素的形态和偏析。碳钢的含碳量越高，硬度越大，塑性越低，热处理时变形量就小，但内部残存应力大。合金元素含量多，也会提高材料的强度和硬度，热处理工艺可在一定程度上减小变形，消除应力。化学热处理就是将金属材料表面合金化的应用，可以提高金属材料的表面性能，如渗碳、渗氮、热镀锌镀铬等。

2 金属材料热处理变形控制措施应满足的几个要求

2.1 科学有效

分析金属材料热处理变形的因素时，人们应从热处理工艺过程、金属材料的组织形态和性能入手，制定科学有效的热处理变形控制措施，尽可能将材料的变形量控制在相关技术标准范围内。

2.2 简单易做

控制材料热处理变形时，必须遵循严格的操作规程。一般情况下，金属材料热处理技术一般安排在城市的近郊进行，条件比较简陋，外部环境对金属材料变形影响也比较大。若操作场地的条件无法达到热处理变形控制的合理范围，就必须在设计热处理变形控制方案中，最大限度地降低方案的容错率，尽可能控制材料的变形，减少外部环境对变形造成的影响。热处理变形控制措施要简单易做，减少干扰因素，确保热处理工艺的质量。

2.3 经济实用

在研究金属材料热处理变形控制方案中，企业投入的技术费用和金属材料都比较多。如何在保证金属材料热处理效果和变形控制有效的前提下，降低企业的经济成本，也是热处理变形控制方案应该考虑的内容。

3 热处理变形的控制措施

温度是影响热处理变形的重要因素，不同的热处理方法加热温度和冷却方式不同，热处理的效果就不同。金属材料热处理工艺变形是内部组织结构和形态发生变化的外在表现。操作者必须根据材料的物理、化学、工艺与使用性能，分析与热处理工艺相关的影响因素，然后在此基础上制定科学合理的方法和技术，确保材料的残余变形与应力最小。

3.1 金属材料预先热处理

金属材料加工前可进行正火或退火处理，消除网状渗碳体，提高材料的均匀性和结构完整性，消除内应力，为淬火、切削加工等后续工作做组织准备，为金属材料的最终热处理做组织准备，进一步提高热处理的质量，有效控制金属材料的变形。

3.2 金属材料最终热处理

金属材料加工成形后，为改善零件的使用性能，消除应力和变形，常采用淬火或回火处理。淬火工艺是对金属材料热处理较为关键的一步，可以提高材料的强度和硬度。冷却介质有油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次增加。如果不合理使用冷却介质，将会导致内部组织结构和形态发生变化，金属材料的内部应力也会异常改变。因此，在金属材料热处理过程中，要不断改进淬火工艺。在金属材料的淬火冷却过程中，必须合理地控制冷却速度，以保证淬火的效果，要考虑淬透性和淬硬性，真正达到热处理的目的。

3.3 金属材料热处理中冷却方法的选择

金属材料的热处理主要是单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。常用的是单介质淬火单介质和双介质淬火。单介质淬火是将淬火零件放到一种淬火介质中冷却，这种方法操作简单，易实现机械化和自动化，但易变形和开裂。而双介质淬火是将加热后的金属材料先放到冷却速度比较快的介质中冷却，等温度在短时间内达到300℃时，保温2～3min，再放入冷却速度比较低的冷却介质中冷却。金属热处理的冷却过程主要由冷却速度决定淬火介质。如果金属的冷却速度过快，会导致金属表面不均匀冷却，影响材料的淬透性，从而使材料内部的拉应力增加，工件自然变形量就大。

3.4 夹具和装夹方式的选择

为了控制材料变形，确保金属材料加热和冷却过程中重心平衡、温度应力均匀，要合理地选用夹具和夹紧方式。另外，在热处理过程中，材料要留有足够的自由变形量，确保无外力干预下自由伸缩，尽量减少应力和变形。

4 结语

热处理工艺是金属材料加工过程中的重要工序之一，用途广泛。其本质就是通过改变金属内部或表面的组织结构和形态，提高金属材料的工艺性能和使用性能，如强度、硬度、耐磨性和耐蚀性等。同时也可以弥补材料在某些性能方面的不足，如金属材料表面的化学热处理，如渗碳、渗氮、渗硼、离子镀渗铝等，极大地满足了零件本身和科技发展的需要。不同金属材料的热处理变形是不可避免的，人们需要在长期实践基础上不断总结变形规律，找到更好的工艺方法，做到预防和控制相结合，尽可能地减少工件变形，提高产品质量，最大限度地满足金属材料的使用需求。