金属材料热处理变形的影响因素和策略研究

李健龙

（国营长虹机械厂，广西 桂林 541003）

随着社会的发展，各个领域对于金属材料的需求也逐渐增大，尤其是机械设备制造企业。通过对金属材料进行热处理加工不仅可以有效的提升金属材料的稳定性，而且还可以提升材料的使用性能，但是在实际热处理过程中往往会由于各方面因素的影响，譬如，金属内部成分或者应力的影响，而导致金属材料的变形，为此，必须要对热处理工艺进行优化升级，降低金属材料热处理变形量，进而推动金属加工制造行业的长久稳定发展。

1 金属材料性能以及热处理工艺分析

1.1 金属材料的性能

金属材料的性能将直接影响到其的使用范围，简答来讲金属材料的性能主要包括四个方面，即力学、化学、物力以及工艺性能。其中，金属材料通过载荷的作用下的力学性能称之为力学性能，譬如，强度、硬度、疲劳极限以及冲击韧性等。化学性能则是用来展示某种材料与各种化学试剂所发生的化学反应的可能性以及反应速度等的相关参数，譬如，金属的耐腐性对于金属材料的腐蚀疲劳损伤方面具有重要作用。物力性能则是金属材料自身所特有的性能以及材料所能承受热、磁的能力，譬如，密度、导磁性、导热性能等。工艺性能则指的是金属材料在实际应用过程中生产所需要的能力，因此又被称为加工性能[1]。

1.2 金属材料热处理工艺应用分析

金属材料的热处理工艺主要包括四个步骤，即退火、正火、淬火以及回火。当对金属材料进行热处理过程中，金属材料当被加热至临界温度30℃~50℃以上时，需要暂缓一段时间内方可进行加工。通过对金属材料进行热处理可以有效地促使金属材料的性能得到提升，尤其是经过热处理，一些网状碳化物或者细化颗粒物会附着在材料上，进而消除材料内部应力的作用，提升材料的容忍性以及强度。除此以外，通过热处理工艺还可以有效地提升金属材料的力学性能，可以促使金属材料提升抗局部塑形变形以及表面损伤的问题，降低金属材料出现开裂的几率。

1.3 金属材料热处理过程中变形的种类

在对金属材料进行热处理工艺过程中难免会出现形变的问题，一般情况下，主要会产生两种不同形式的形变，即比容形变以及内应力塑形形变。其中，比容形变主要是因为金属材料中的碳元素和某些微量元素的影响，导致其发生形变，据相关实验表明，金属材料的比容形变发生几率较大，其中最为根本的因素就是金属材料中的铁素体以及游离的碳的影响。对于金属合金材料而言，其比容形变还具有同向性，即在对金属合金进行热处理时，其金属内部会朝着不同的方向而发生相同的形变，进而导致金属合金的大小发生巨大的改变；而内应力塑形形变则主要是因为金属块的温度受热不均匀造成的，进而导致金属材料不同部位的冷却速度出现不同，而随着温度的下降，金属不同位置所发生的热胀冷缩也会不同，从而导致形变的发生。

2 金属材料热处理变形的影响因素

2.1 金属材料内部成分与应力的影响因素

当对金属材料进行热处理加工过程中，金属材料的内部成分也会导致金属材料发生不同程度的形变。譬如，在淬火过程中，由于金属材料内部成分的改变导致一些碳化物被析出，进而导致整个金属材料的体积有所减小，并且还会导致其金属材料的强度发生改变，最后导致金属材料发生形变。除此以外，通过对金属材料进行热处理可以有效地提升金属材料的抗氧化性，以及提升金属材料的抗磨损能力，但是在此过程中也会由于热处理工艺的作用导致其金属应力的增强，而当金属材料的应力高于其屈服强度时，自然也就导致金属材料发生形变。而且，在热处理工艺过程中，所产生应力的位置也会有所出入，即应力并不是完全平衡在金属材料上，所以也会导致金属材料出现不同程度的形变[2]。

2.2 温度把控不合理以及冷处理过程的影响

金属材料在进行热处理过程中由于对温度的要求较高，所以如果在热处理中没有严格的对温度进行控制也会导致金属材料出现变形或者开裂的问题。譬如，由于没有严格按照相关要求对金属材料的温度进行精密测量，而是直接对其进行热处理，将会导致该金属材料出现报废的情况。除此以外，在金属进行热处理加工过程中，由于会使用到低温回火，所以这就要求必须要具有一定的时效性，无论是哪种情况的发生均会导致金属材料发生变形。那是因为，时效性以及低温回火的作用将会导致金属材料发生碳析出以及奥氏体的分解，而在后期的热处理过程中，譬如在淬火过程中，金属中奥氏体的分解而再次转变为奥氏体，则会导致金属的体积发生形变，进而给材料的质量以及设备的可靠性带来不良影响。

3 金属材料热处理节能新技术的应用

3.1 高精度低温回火炉

目前我国使用的极薄钢板对硬度、强度及板形要求较高，生产作业中需要借助回火处理来提升钢板性能（中厚板是前段的阐述内容，该两段为并列关系，此处指极薄钢板的质量要求）。不过我国现有的回火炉在使用中，其温度精度只能控制在±15℃左右，与规范要求的±5℃严重不符，所以需要开展高精度低温回火炉设备的研发。在该设备研发中，要利用高速热风循环加热方式，通过强制对流处理来达到加热目的，再结合特殊的路型结构满足热回收处理要求。该方式下研发的高精度低温回火炉优势有：利用强制热风对流完成加热，降低低温过程的换热效率，增强热能供应的均匀性；加热温度范围100℃~600℃，100℃~300℃加热均匀性好，升温速度快；炉温控制精度±2℃之内，炉温均匀性±3℃之内；加热器可采用燃气烧嘴或电加热器，加热后钢板表面质量好；对高温循环风机的数量有一定要求；生产出的钢材质量高、成本低廉，且不会存在过多损耗。

3.2 真空热处理技术的应用

真空热处理是一种在真空环境中进行的技术，在这样的环境中对金属材料进行热处理，就可以实现低压渗碳金属材料表面工艺，最后高温渗碳，使得金属材料所需要的生产周期大大缩减。这种技术由于对热处理技术的要求十分高且需要在真空环境中进行，为此并没有得到大规模的应用。我国的金属材料热处理中应用真空技术比重非常小，只有百分之五左右，而一些发达国家占比已经达到了百分之二十。由此看来我国的真空热处理技术还是需要很长的发展时间[3]。

4 金属材料热处理变形控制策略

4.1 合理淬火

作为金属材料热处理工艺的核心环节，淬火工艺显得尤为重要，其对于金属材料的变形具有直接影响。为此，在实际的热处理过程中，相关技术人员必须要加强对淬火环节的重视，并从多角度、多方面的降低淬火的失误率。一般情况下，由于采用了不合理的淬火介质导致金属材料的内应力出现失衡的情况，进而引发了金属材料的变形。就目前而言，水以及油是最为常用的淬火介质，但是该介质对于温度的要求较为严格，即水温则应当控制在55℃~65℃，而油温则需要控制在60℃~80℃间，并且还要注意淬火的速度，进而保证金属冷却效果的良好降低金属材料的变形发生量。通过采取科学的淬火措施，可以有效地对金属材料在热处理变形进行控制。

4.2 强化对金属工件结构的处理，调整以往所用材料

在对金属材料进行加工设计的过程中，相关人员首先应当对材料在热处理过程中可能导致变形的因素进行分析，从而在加工过程中可以通过校直的方法来对变形进行科学的调整。即便不能通过校直的方式来对工件进行调整也刻意确保工件留有富余的再加工余量，进而有效的避免因为热处理变形而导致金属材料的报废问题，提升对金属材料的利用率。为此，在满足金属材料实际使用功能的前提下，在对其进行设计时要尽可能的确保材料截面的均匀分布以及工件结构的对称等。除此以外，还要对以往所用的材料进行科学的调整。对于我国大部分金属材料加工厂而言其主要是对正常的金属材料进行加工，但是此类的材料无论是隔热还是导热性能均较差，所以在进行热处理时往往需要更多的电力或者能源来进行热处理操作。而如果选用陶瓷纤维类的高性能的材料进行热处理操作不仅可以降低加工时间，而且还可以为企业获取更多的经济利益。而且对于大部分的金属材料加工厂而言其均没有安装回流设备，如果在此时进行热处理势必会造成环境污染，所以，在实际热处理过程中必须要安装回流装置，进而保证热处理过程中所产生的气体流入到燃烧炉中，起到节约能源的目的。

4.3 科学冷却

对于不同的金属材料而言，其在热处理后所需要的冷却方式也会不同，而通过科学的冷却方式将有效的降低金属材料的变形量。就目前而言，金属材料的热处理主要包含双介质、单介质、分级以及温萃等，其中对于单介质淬火而言，由于仅有一种淬火介质所以对于冷却方式也较为简单，极易实现机械以及自动化，但是对于淬火速度的控制较为困难，进而极易导致金属材料发生形变或者开裂。而双介质淬火则可以通过对特殊介质的冷却来实现快速的降温度减低到300℃作用，然后在通过2~3分钟的保温处理后将其放入到冷却速度较低的介质中，进而再次冷却。对于不同金属材料而言其冷却速度也不同，根据大量实践表明，快速的冷却方式将直接提升金属材料的变形程度，为此，为了有效地对材料变形进行控制，必须要选择合理的冷却方案。

总而言之，随着社会的发展，各行各业对于金属材料的需求也逐渐增加，而为了更好的满足社会发展需求，发挥金属材料的优势作用，通过对金属材料进行热处理加工可以有效地提升金属材料的使用性能，抗磨损以及延长金属材料的使用寿命等。但是在金属材料热处理过程中，由于各方面因素的影响，譬如，金属材料内部成分与应力的影响因素、温度把控不合理以及冷处理过程的影响等，导致金属材料发生不同程度的形变，甚至严重还会出现金属材料的开裂，严重降低了金属质量。基于此，必须要通过采取相关措施，譬如，合理淬火、强化对金属工件结构的处理，调整以往所用材料、科学冷却等方式来有效的对金属材料的变形进行科学控制，进而发挥金属材料的各项性能，促进我国金属材料加工行业的长久稳定发展。另外，传统的金属材料热处理设备、处理技术已经不能够符合现代的发展需求，所以新设备、新技术的应用已经不可阻挡。新技术也是未来金属制造行业以及工业的发展目标。新技术的应用不仅降低了能源的消耗，还减轻了对生态环境的污染，提升了金属产品的质量，为企业的未来发展打好了基础。