金属材料热处理变形的影响因素分析与应对措施

2021-11-29许鑫龙

中国金属通报 2021年12期

许鑫龙

（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010）

与传统金属材料相比，金属复合材料有着更多优势，包括质量轻、可塑性好、抗压性强、成本低等特点，在机械制造领域得到了越来越广泛的应用，大有取代传统单一金属材料的趋势[1]。在金属可塑性加工过程中一个主要步骤就是热加工环节。金属热加工可以按人们的需要将金属进行塑形，但同时也存在一些问题，比如，使用的温度不合理容易损伤金属本身的形状，从而降低金属材料生产的零部件质量。因此，在金属合金的热加工环节必须掌控好机加工与温度变形间的联系，精确控制相关尺寸与标准，确保金属热加工质量。

1 金属材料热加工变形的种类

金属材料热加工中常见的问题之一就是形变。在众多加工工艺过程中所出现的形变主要包括两种类型。一是内应力塑性变形，主要是由于金属材料的温度不均匀造成的。在热加工过程中金属块不同部位受到的温度不同，使得不同部位的冷却速度也不相同。伴随温度的降低，金属不同部位所发生的热胀冷缩程度也不同，从而引起形变。二是热处理比容变形。相关研究显示，金属合金材料大多数都存在比容形变，这一形变主要与金属材料中存在着碳元素以及部分微量金属元素有关[2]。一块均质的金属块在热加工过程中，金属块不同方向上都有着相同的形变，这说明金属合金材料的比容形变的特点就是各向同性。发生这类形变后的合金也会出现大小上的变化。

2 热处理中金属材料变形的常见影响因素

2.1 应力因素

不同金属的密度都有所不同，在热加工处理中因为受热不均匀可引起金属材料发生变形。金属热加工通常都需要先进行加热，保持一段时间的保温期后再开始热加工。在加热与保温过程中金属材料内外部以及不同部位的温度是不同的，因此，不同部位的状态也存在差异。比如，高温部位已经变软，而低温部位还是比较硬的状态，此时，所形成的不同应力会导致材料发生不良形变。

2.2 冷处理过程因素

在金属热加工过程中通常会发生低温回火容易引起金属材料变形。另外，加工的时效性也会影响到金属材料的变形。这两种因素会引起金属合金材料发生马氏体分解以及碳析出现象。在之后的淬火加工环节中，金属材料中的奥氏体会转变为马氏体，从而使金属发生变形。这将影响到金属材料的质量，也会降低这类金属材料所生产设备的可靠性。

2.3 预处理因素

预处理属于金属热加工中常用的一种加工工艺，有助于消除应力。若未开展预冷处理，金属材料在正火过程中容易发生冷堆问题，内部与表面的巨大温差会引起明显的变形。这将影响到热处理效果，也会影响到加工生产出的产品质量。

2.4 原始组织因素

在合金元素纤维方向以及碳化物形状方面的影响下，金属材料在淬火过程中也会受到一些影响[3]。这属于原始组织方面的影响。如今热处理加工环节通常都加入了一些化学方法，让金属材料的原始组织变得更有规律性。这样金属材料热变形程度也更小，并能改善金属的一些性能，如表面耐磨性更强。

2.5 淬火因素

淬火属于金属材料加工生产中不可或缺的环节。淬火可以改变材料的性质，让材料硬度更好，抗腐蚀性更强。在这一加工环节中必须选用恰当的淬火介质，对金属材料的形变程度以及加工产品质量有着重要的影响。

3 金属材料热处理操作需遵循的原则

3.1 操作规范合理原则

工作人员操作失误是引起金属材料热处理变形的一个常见原因。为此，在运用热处理技术处理金属材料时，必须先对工人进行技能培训，学习与金属材料有关的知识。对于不同类型的金属材料应选择合适的热处理技术，然后全面检测金属材料，得到更全面、详细的材料指标数据，制作出规范、详细的热处理工艺标准以及流程，确保热处理操作的规范性。同时，完善相关监督机制，督促工作人员严格按流程操作，达到防控热处理形变的目的。

3.2 避免环境干扰原则

金属材料热处理加工对生产环境要求比较严格，不仅要尽量避免外界环境对金属材料热处理变形的影响，也要避免引起环境污染。一般可将工厂建在城郊区，并引入先进的生产设备与工艺，减少金属材料热处理难度，提高生产质量。

3.3 定期培训原则

金属材料热加工对从业人员的业务技能要求较高。工厂需定期对相关人员进行业务培训，帮助员工掌握金属材料热处理的相关知识与先进的处理工艺，让员工掌握不同金属材料的性能特点以及对应的热处理技术，熟练操作，减少热处理形变的几率。

4 金属材料热处理变形的防控对策

4.1 重视预处理环节

在金属材料热处理操作中应增设预处理这一流程，以改善金属内部分子结构，增强金属材料的均匀性。同时，预处理也可让金属材料与其它金属材料相结合，防止金属材料因为自身材料问题而引起后续的形变[4]。在操作实践中工作人员可结合实际情况选用相应的退火技术，可以缓解金属材料在热处理过程中受到不同温度的影响，从而减少变形问题。

4.2 合理选择淬火工艺

淬火工艺属于金属热处理中的一个关键技术环节，其处理水平将直接影响到金属材料的加工质量。因为金属材料内应力改变主要影响因素就是淬火介质与淬火温度。若应力太大则易导致金属材料内部结构的改变。为此，操作人员要集中注意力开展淬火操作，确保淬火加工质量。按照金属材料的具体特性选取恰当的温度，并选用合适的淬火介质，从而让金属材料的应力分布更均匀，防止应力过大而导致金属变形。通常所用的淬火介质包括盐水与水油。若选择水油为淬火介质，水油温度上升至450℃～550℃左右，冷却速率应为500℃/s；若水油温度下降至250℃～350℃左右，冷却速度为280℃/s。若选择盐水为淬火介质，则冷却速率就会变快。一般来说，盐水的冷却速度是水油的两倍[5]。假如水与油的温度保持在550℃～650℃左右，冷却速率是600℃/s；若采用盐水进行冷却，同样温度条件下的冷却速率则高达1200℃/s。可见，若要选择盐水为淬火介质，必须结合金属材料的冷却速率来对淬火介质的温度进行合理的控制，防止由于冷却速率过快而引起金属材料变形。此外，在淬火前需完成正火操作，让金属材料适应相应的温度，保证淬火质量。在正火过程中要控制好炉内温度，避免温度太高导致金属材料内部结构发生变形。在具体处理时可观察炉温运用退火工艺，减少金属材料自身的硬度，从而使应力值也随之变小。这能够防范金属材料形成的压力超出自身强度。

4.3 选择合适的冷却方法

在金属热处理加工中不同类型的金属材料所对应的冷却方法也有所不同。若冷却速度较快而且不够均匀，则热处理中所形成的应力也越大，金属材料发生变形的几率也越大。为此，应选择科学合理的冷却方法尽量防止金属工件发生变形。第一，根据金属材料的尺寸大小，研究主要工艺参数，确定合理的冷却方法。第二，目前常见的金属材料热处理冷却工艺有很多，包括单液淬火、双液淬火等技术。单液淬火是指使用单一介质冷却材料，能够缩短操作时间，提高淬火效率，但是不容易控制好淬火速度与淬火质量。双液淬火是指在了解金属材料的相关属性后，将金属材料放入冷却速度较快的介质中，可以在短时间让金属材料迅速冷却，然后将其转入到冷却速度相对较慢的介质中继续冷却。可见，应结合具体的热处理要求，选取恰当的冷却方法，确保金属材料热处理中的淬火冷却质量。第三，在不影响模具硬度的条件下选择预冷与分级冷却方法，以防控形状比较复杂工件发生变形。

4.4 消除热处理环节中的残余应力

残余应力直接影响到金属材料的形状、尺寸以及性能。为此，应重视这方面的研究，尽量消除金属材料热处理环节中所存在的残余应力。第一，按照金属材料的相关特性，加入适当比例的合金元素，可优化金属材料的抗应力性能，而且也能增加金属材料的使用年限，使其更符合热处理工艺的相关要求[6]。第二，在热处理金属材料前先处理好金属材料自身存在的缺陷，仔细检测金属表面有无裂纹、划伤、表面粗糙等问题。通过焊接、高温塑变等方法来修复金属材料，避免在淬火处理中发生变形或开裂，为后面的热处理加工做好准备。