热处理变形原因及其控制方法
2021-02-27姜林
（中航工业吉林航空维修有限责任公司）
金属材料的热处理是将固态金属采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处理工艺是必不可少的。
但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。
但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。
一、热处理变形产生的原因
钢在热处理的加热、冷却过程中可能会产生变形，甚至开裂，其原因是由于淬火应力的存在。淬火应力分为热应力和组织应力两种。由于热应力和组织应力作用，使热处理后零件产生不同残留应力，可能引起变形。当应力大于材料的屈服强度时变形就会产生，因此，淬火变形还与钢的屈服强度有关，材料塑性变形抗力越大，其变形程度越小。
1.热应力
在加热和冷却时由于零件表里有温差存在造成热胀冷缩的不一致而产生热应力。零件由高温冷却时表面散热快，温度低于心部，因此表面比心部有更大的体积收缩倾向，但受心部阻碍而使表面受拉应力，而心部则受压应力。表里温差增大应力也增大。
2.组织应力
组织应力是因为奥氏体与其转变产物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之间的组织转变时间不同而产生的。由于奥氏体比容最小，淬火冷却时必然发生体积增加。淬火时表面先开始马氏体转变，体积增大，心部仍为奥氏体体积不变。由于心部阻碍表面体积增大，表面产生压应力，心部产生拉应力[1]。
二、减少和控制热处理变形的方法
1.合理选材和提高硬度要求
对于形状复杂，截面尺寸相差较大而又要求变形较小的零件，应选择淬透性较好的材料，以便使用较缓和的淬火冷却介质淬火。对于薄板状精密零件，应选用双向轧制板材，使零件纤维方向对称。对零件的硬度要求，在满足使用要求前提下，尽量选择下限硬度。
2.正确设计零件
零件外形应尽量简单、均匀、结构对称，以免因冷却不均匀，使变形开裂倾向增大。尽量避免截面尺寸突然变化，减少沟槽和薄边，不要有尖锐棱角。避免较深的不通孔。长形零件避免截面呈横梯形。
3.合理安排生产路线，协调冷热加工与热处理的关系
对于形状复杂、精度要求高的零件，应在粗、精加工之间进行预先处理，如消除应力、退火等。做好毛坯预备热处理，使组织更加均匀化[2]。
4.改进热处理工艺和操作
（1）热处理温度的控制
在满足热处理工艺要求的情况下，尽量降低淬火加热温度且缩短保温时间，这样零件的高温强度损失较少。塑性抗力增强，零件的抗应力形变、抗淬火变形的综合能力增强，从而减少了变形。
（2）选择较缓和的淬火冷却介质
冷却是淬火的关键工序，它关系到淬火质量的好坏，也是淬火工艺中最容易出现问题的环节，金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在90℃左右。在保证硬度的前提下，尽量采用油性介质，油性介质冷却速度较慢，而水性介质冷却速度相对快一些，而且水温变化对水性介质冷却特性影响较大。
采用分级淬火能显著减少金属淬火时产牛的热应力和组织应力，是减少一些形状复杂零件的有效办法。这种淬火方法由于在马氏体转变前零件各部分温度已经趋于均匀，并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，这样不仅减小了淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或预防止零件淬火变形。
等温淬火也能显著减小零件变形，等温淬火与分级淬火的区别在于前者获得下贝氏体组织，由于下贝氏体组织的强度、硬度较高，而且韧性良好，比热容比马氏体的比热容小，组织转变时零件内外温度一致，故淬火组织应力也较小。等温淬火和分级淬火只能适用于尺寸较小的零件。
（3）正确掌握热处理操作方法
为了减小和控制热处理变形还必须正确掌握热处理操作方法。截面均匀冷却时，如细长轴类（丝锥、轴）垂直淬入，上下移动，也有垂直逐渐淬入并静止不动。截面不均匀冷却时，水平快速淬入或倾斜淬入，如厚薄不均零件，应将厚的部分先淬入。对于薄片应侧向进入，对带有孔和凹面零件，应将盲孔和凹面朝上淬入，以利于气泡排出。总之，要使零件各处冷速均匀，有些需要防护的零件做好淬火前保护。
三、已变形零件的挽救方法
尽管采取减少变形措施，但变形仍不可避免，因此进行补救是很必要的，常用的方法有冷校直和热校直。如果淬火回火后硬度低于40HRC的零件，可以采用冷校直直接用压力机校正。如果金属在淬火冷却过程中，尚未冷却到马氏体开始转变温度点以下，此时零件塑性较好，进行加压校直效果良好，校直时加力应注意缓慢[3]。
四、结语
热处理能改善零件的力学性能，提高零件的强度和硬度，满足各种性能需要，但引起的变形影响是不可避免的。在选择预防热处理变形的具体方法时，应根据具体情况制定具体办法，许多办法都是源于实践，要反复试验才能探索规律。我们要重视现阶段的热处理技术，不断学习先进技术，同时发展自主创新，不断提高热处理零件的质量及合格率，为热处理发展做出贡献。
钢在热处理的加热、冷却过程中可能会产生变形，甚至开裂，其原因是由于淬火应力的存在。淬火应力分为热应力和组织应力两种。由于热应力和组织应力作用，使热处理后零件产生不同残留应力，可能引起变形。当应力大于材料的屈服强度时变形就会产生，因此，淬火变形还与钢的屈服强度有关，材料塑性变形抗力越大，其变形程度越小。
1.热应力
在加热和冷却时由于零件表里有温差存在造成热胀冷缩的不一致而产生热应力。零件由高温冷却时表面散热快，温度低于心部，因此表面比心部有更大的体积收缩倾向，但受心部阻碍而使表面受拉应力，而心部则受压应力。表里温差增大应力也增大。
2.组织应力
组织应力是因为奥氏体与其转变产物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之间的组织转变时间不同而产生的。由于奥氏体比容最小，淬火冷却时必然发生体积增加。淬火时表面先开始马氏体转变，体积增大，心部仍为奥氏体体积不变。由于心部阻碍表面体积增大，表面产生压应力，心部产生拉应力[1]。
二、减少和控制热处理变形的方法
1.合理选材和提高硬度要求
对于形状复杂，截面尺寸相差较大而又要求变形较小的零件，应选择淬透性较好的材料，以便使用较缓和的淬火冷却介质淬火。对于薄板状精密零件，应选用双向轧制板材，使零件纤维方向对称。对零件的硬度要求，在满足使用要求前提下，尽量选择下限硬度。
2.正确设计零件
零件外形应尽量简单、均匀、结构对称，以免因冷却不均匀，使变形开裂倾向增大。尽量避免截面尺寸突然变化，减少沟槽和薄边，不要有尖锐棱角。避免较深的不通孔。长形零件避免截面呈横梯形。
3.合理安排生产路线，协调冷热加工与热处理的关系
对于形状复杂、精度要求高的零件，应在粗、精加工之间进行预先处理，如消除应力、退火等。做好毛坯预备热处理，使组织更加均匀化[2]。
4.改进热处理工艺和操作
（1）热处理温度的控制
在满足热处理工艺要求的情况下，尽量降低淬火加热温度且缩短保温时间，这样零件的高温强度损失较少。塑性抗力增强，零件的抗应力形变、抗淬火变形的综合能力增强，从而减少了变形。
（2）选择较缓和的淬火冷却介质
冷却是淬火的关键工序，它关系到淬火质量的好坏，也是淬火工艺中最容易出现问题的环节，金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在90℃左右。在保证硬度的前提下，尽量采用油性介质，油性介质冷却速度较慢，而水性介质冷却速度相对快一些，而且水温变化对水性介质冷却特性影响较大。
采用分级淬火能显著减少金属淬火时产牛的热应力和组织应力，是减少一些形状复杂零件的有效办法。这种淬火方法由于在马氏体转变前零件各部分温度已经趋于均匀，并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，这样不仅减小了淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或预防止零件淬火变形。
等温淬火也能显著减小零件变形，等温淬火与分级淬火的区别在于前者获得下贝氏体组织，由于下贝氏体组织的强度、硬度较高，而且韧性良好，比热容比马氏体的比热容小，组织转变时零件内外温度一致，故淬火组织应力也较小。等温淬火和分级淬火只能适用于尺寸较小的零件。
（3）正确掌握热处理操作方法
为了减小和控制热处理变形还必须正确掌握热处理操作方法。截面均匀冷却时，如细长轴类（丝锥、轴）垂直淬入，上下移动，也有垂直逐渐淬入并静止不动。截面不均匀冷却时，水平快速淬入或倾斜淬入，如厚薄不均零件，应将厚的部分先淬入。对于薄片应侧向进入，对带有孔和凹面零件，应将盲孔和凹面朝上淬入，以利于气泡排出。总之，要使零件各处冷速均匀，有些需要防护的零件做好淬火前保护。
三、已变形零件的挽救方法
尽管采取减少变形措施，但变形仍不可避免，因此进行补救是很必要的，常用的方法有冷校直和热校直。如果淬火回火后硬度低于40HRC的零件，可以采用冷校直直接用压力机校正。如果金属在淬火冷却过程中，尚未冷却到马氏体开始转变温度点以下，此时零件塑性较好，进行加压校直效果良好，校直时加力应注意缓慢[3]。
四、结语
热处理能改善零件的力学性能，提高零件的强度和硬度，满足各种性能需要，但引起的变形影响是不可避免的。在选择预防热处理变形的具体方法时，应根据具体情况制定具体办法，许多办法都是源于实践，要反复试验才能探索规律。我们要重视现阶段的热处理技术，不断学习先进技术，同时发展自主创新，不断提高热处理零件的质量及合格率，为热处理发展做出贡献。
来源：《金属加工（热加工）》杂志
