金属材料热处理变形的影响因素和控制策略分析

2020-12-02杨巧云

商品与质量 2020年20期

杨巧云

采埃孚（天津）风电有限公司天津 300402

1 金属材料热处理变形的影响因素

1.1 原始组织和应力状态

在金属材料热处理的过程中，受金属材料自身的密度影响，会使金属材料本身由于受热不均而出现变形[1]。在金属材料的热处理过程中，由于加热和冷却均无法实现金属材料表层和中心部位的完全同步，热传导速度导致了金属材料不同位置具有一定的温度差，金属材料不同位置间因温度不同所产生的体积膨胀和收缩也不同，产生了热应力。当金属材料在冷却过程中，表层温度低于中心部位，冷却前期在热应力的作用下，表层的收缩大于中心部位，使金属材料表层产生拉应力，中心部位产生压应力。在冷却中期热应力进一步增加，导致金属材料产生塑性变形。在冷却后期表层的冷却速度慢于中心部位的速度，中心部位的收缩降低了一部分前期产生的热应力。当冷却完全结束时，金属材料表层残留的热应力为压应力，而金属材料中心部位残留的热应力为拉应力。

1.2 淬火介质

在对金属材料实行热处理的过程中，淬火介质对于金属变形的影响是较大的，所以需要操作人员依照不同的金属材料和施工场地合理科学的选择淬火介质，优质的淬火介质能够有效控制金属材料的变形。

1.3 预处理方式的影响

在金属材料的热处理过程中，高性能产品或者高碳高合金钢，不能通过一次热处理达到使用要求，需要对材料进行预处理，能够改善零件的加工性能，使材料组织均匀化，有效的消除应力，对于大工件及大批量件由于受到场地的约束，在正火时，导致金属材料出现堆冷情况，会导致金属材料的表面受热不均而出现变形的情况。

2 金属材料热处理主要工艺

对零部件的表面进行热处理的工艺，必须精确控制对零部件的加热过程，对零部件的表层进行加热的同时，不能使过多的热量传导至零部件内部，通常采取的措施是选用具有高能量密度的热源，对零部件整体热处理的工艺，是对其整体进行加热，将金属零部件放置在专用加热装置中，当零部件达到适当的温度时，再按工艺要求的速度进行冷却，以达到改变零部件整体各项性能的目的。

对钢铁材料的整体热处理有四种基本工艺，分别是退火、正火、淬火和回火处理。退火是将金属零部件进行加热，当零部件达到合适的温度时进行保温，保温时间需根据金属材料和零部件外形尺寸设定，保温结束后再对零部件进行缓慢的冷却，慢速冷却的目的是尽可能使金属内部组织达到平衡状态，通过内部组织的再平衡也可以达到释放前工序内部应力的作用，使金属零部件工艺性能和使用性能得以提升。正火的过程与退火较为相似，当零部件达到合适的温度时，将零部件放置到空气中自然冷却。同退火相比正火后组织更细，金属材料的切削性能有较大提升，在对零部件要求不高的场合，正火也可以作为一种最终的热处理方式。淬火的目的是使零部件硬度增强，首先将零部件加热，经保温后将零部件投入液体介质中使其快速冷却，常用的淬火液体有水、无机盐溶液或油等，经淬火的零部件在硬度增加的同时脆性也增加。回火是淬火的后工序，在某些时候为了降低零部件经淬火后的脆性，会采取回火工艺，即将零部件在650℃以下且高于室温的环境下，进行较长时间的恒温保温过程，然后再将零部件冷却。

3 金属材料热处理变形的控制策略

3.1 科学淬火

对于金属材料热处理技术的使用而言，淬火是其中相对重要的环节，能够直接作用于金属材料本身的质量。每种淬火技术都涵盖了一种冷却技术，对于单介质淬火技术的冷却处理技术使用方便，能够借助一定的机械设备完成。技术人员需要特别控制淬火速度，控制不得当很容易使金属材料出现变形或者开裂的情况。对于双介质淬火而言，需要依照淬火介质的特征实行快速冷却，具体的流程如下：把淬火设施的温度快速下降到300摄氏度，在保温技术的协助下，在2分钟之后把金属材料放到适当温度的冷却介质中。常见的淬火介质有水和油，在实际淬火的过程中，技术人员就需要科学的控制温度，高度整合水的温度以及油的温度，对于低碳素钢等淬透能力一般的材料，在水温达到55℃～65℃之间，油温达到60℃～80℃之间，才能够保障金属材料均匀冷却，对于合金钢等高淬透能力的材料，水温可以提高10-20℃达到80℃，油温可适当提高10℃达到90℃左右，针对不同材料选择不同的淬火冷却介质，为得到组织均匀尺寸稳定的材料给提供重要的前提保障，提高金属材料的质量，强化金属材料的性能[2]。技术人员在对金属材料进行冷却的过程中，根据金属材料尺寸和种类的不同，选择不同的冷却方式。

3.2 做好预处理

预处理一般包括正火与退火。热处理的正火与退火对金属材料的组织和切削性能有很大影响。在正火过程中，由于温差相对较大，会使金属内部变形明显增加，对此，在热处理开始前，需做好温度控制。通过实践，完成正火处理以后，可采用等温淬火这一方法来保证金属内部达到均匀，实现对变形的有效控制。另外，为保证预处理达到良好效果，根据材料结构特征，科学合理的选取退火工艺，通过对温度梯度控制实现金属材料在热处理过程中变形的有效控制，实现对处置质量及水平的有效改善[3]。