金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施

王国东

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，使金属合金发生固态相变，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。实际工业生产中，仅凭选择材料和成形工艺并不能满足工件所需要的性能，通过对金属材料进行热处理而获得优良的综合性能是必不可少的。但金属材料的热处理除改善材料的综合性能的积极作用外，在热处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是工件生产过程中极力消除和避免的。因此，需要找出工件热处理过程中发生形变的原因，采取技术措施把变形量控制在符合要求范围内。

1 金属热处理变形的原因分析

在工业生产过程中，各种金属零件早已成为机械制造的必要部分。在零件的设计、选材中，对综合性能方面也提出了更高要求。特别是生产过程中，对产品热处理加工后的品质提出了新要求。但在热处理过程中出现形变等质量问题，一直是热处理过程中难以克服的。以下就金属材料的热处理变形原因进行简要分析。

1.1 金属热处理的内应力塑性变形

金属工件进行热处理时，通常经历加热、保温和冷却三个阶段。由于加热和冷却的不均匀性，金属组织在固态相变时的不同时等因素，致使工件在热处理过程中产生一定的内应力。在内应力的作用下，金属工件产生塑性变形。根据应力产生的不同原因，一般分为热应力塑型变形和组织应力变形。热应力塑型变形是由于金属工件在加热和冷却过程中，零件的内外温度不一致，致使热胀冷缩的程度不同产生的。组织应力变形是由于金属工件在热处理时内部组织发生相变的时间不同而产生的。

内应力塑性变形与工件的结构和形状有直接关系，变形具有明显的方向性，体积变化并不明显。内应力导致工件的塑性变形量与热处理次数成正比。

1.2 金属热处理的比容变形

在热处理过程中，由于金属内部组织的相不同，相变时出现体积、尺寸等微小变化就是比容变形。比容变形一般与奥氏体中合金元素含量、渗碳体和铁素体的含量、残余奥氏体的多少以及金属材料本身的淬透性等因素有关。

比容变形与内应力变形相比，具有变形方向不确定性。一般组织结构较均匀时，其比容形变在不同方向上的变化是相同的。另外，材料的比容变形与其经历的热处理工艺和次数无明显的关联性。

2 防止或减小金属工件热处理形变的技术措施

热处理的“四把火”通常指正火、退火、淬火和回火。这些都属于热作用过程，分为加热阶段、保温阶段与冷却阶段。在采取措施防止或减小金属工件热处理变形时，往往在工件的结构、热处理工艺参数、加热方式，工装工具的选择以及冷却介质等方面进行分析。

2.1 金属工件结构方面

金属工件在热处理过程中，内应力的作用发生形变与工件的结构有很大关系。生产过程中长棒或长条状、薄板状、薄厚不均的工件极易发生变形。因此，在工件设计过程中，要充分考虑工件在热处理过程中的形变，能够通过校直方式调整工件变形的，加工余量可以小一些。不能进行校直的工件，要保证充分的加工余量，避免工件因热处理后发生变形导致工件报废。对于热处理工序是最终生产工序的工件，在工件设计时应充分选择好材料和工件结构的设计，以减少热处理过程形变对工件的质量和使用性能的影响。

在满足工件使用性能的情况下，工件设计应尽量减少工件厚薄悬殊，工件的截面力求平均，工件的结构尽可能保持对称，以减少过渡区域因应力集中和冷热不均而产生畸变和开裂倾向。需要热处理的工件应尽量避免尖棱尖角、沟槽、小孔等特殊结构，在工件的厚薄相接处和台阶处要有圆角过渡，以减小应力集中。

2.2 热处理工艺参数方面

热处理工艺技术参数主要包括加热速度与温度、保温时间、冷却速度等。加热速度过快、加热温度过高，不仅增大了工件的形变倾向，还会造成工件的过热和过烧倾向，严重时会造成工件报废。特别是薄壁和细长的工件，更容易发生变形。因此，在热处理过程中应选择合理的加热速度和加热温度。在制定保温时间的热处理工艺参数时，应充分计算工件的有效厚度，确保工件在热处理过程中有足够的组织转变时间和均匀化，以减小金属工件的比容变形倾向。金属工件往往在冷却阶段形变最明显。冷却过程中，不仅使工件产生内应力，出现弯曲等明显的变形，而且由于发生组织转变产生比容形变，出现体积增大等形变。因此，在满足硬度值等零件设计技术要求的前提下，尽量选择适宜或较缓的冷却速度，以减少工件的形变倾向。

2.3 加热方式及工装工具的选择

金属工件的热处理生产过程中通常选用的加热炉有台车式加热炉和井式加热炉。一般选用台车式电阻炉较多，台车式电阻炉具有炉膛内温度均匀，加热升温平稳的特点，有利于减小工件在加热过程中的形变。对于不同形状和大小的工件应选用适合的加热设备，比如，圆筒类、长管状、长杆类的零件最好采用井式炉，垂直悬挂装炉进行加热，防止活件在加热过程中的径向弯曲。热处理工件在装炉时，尽量减少活件的堆垛码放，特别是薄壁类工件以单件平放为宜。

为利于工件的装炉和出炉冷却，要对热处理工件设计特定的工装。在工装工具的设计时，要充分考虑工件在工装上放置的状态和放置数量。杆类、管类、棒类零件最好选用垂直放置方式，其他形状类工件以平放为宜，以尽可能降低工件在加热和冷却过程中变形为先决条件。

2.4 冷却介质和冷却方式

热处理冷却介质的冷却能力，特别是金属工件淬火过程中，淬火介质的淬火烈度对工件热处理后的变形及开裂具有直接影响，是导致金属工件变形的重要因素之一。实践证明，冷却能力越强的介质冷却后变形的倾向越大。油类介质的冷却速度比水性介质的冷却速度慢，油淬后的变形量要相对小。在保证淬火硬度下，尽量采用冷却能力相对小的介质。

在冷却过程中，通常要对介质进行搅拌或通过循环泵对其进行循环冷却，降低介质的温度不均匀对工件变形的影响。金属工件在热处理的冷却过程中，入液的方式对冷却后的变形影响较为明显。杆类、棒类、管类等细长类工件以垂直方式入液进行冷却，变形相对较小。板条状、框架类的工件入液冷却的原则是以工件最小截面积入液。一些薄厚不均，形状较复杂的零件，在尖棱尖角或薄厚过渡明显部位，应采取石棉绳缠绕等缓冷措施。

3 减小金属材料热处理变形的其他方法

3.1 科学合理设计热处理工艺

探索和创新不同的热处理工艺方式，通过科学合理设置热处理参数和探索多种形式的复合热处理工艺，减少工件在热处理过程中的形变，充分挖掘金属材料的潜在性能。

3.2 探索新的加热源和加热方式

在新的热源中，激光束、等离子体电弧等高能率热源为热处理未来热源发展的方向。由于高能率热处理的设备费用昂贵等原因，目前我国尚未大量应用，但其发展前景广阔。采用真空和可控气氛等加热方式则是实现减少金属氧化损耗和保证表面质量的主要途径。

3.3 采用新的冷却介质和改进冷却方式

新型淬火介质的发展，特别是有机聚合物淬火剂的研究和应用，可明显减少淬火变形和开裂倾向。为使工件获得最佳的淬火效果，除合理选用淬火介质外，还需不断改进现有淬火方法，并采用新的淬火方法。如采用高压气冷淬火法、沸腾水淬火法、深冷处理法等，均能获得很好的淬硬效果，有效减少工件的变形和开裂。

3.4 研制开发各种新型热处理设备

根据热处理新工艺发展的需要，研制开发新型高效热处理设备，这对提高热处理炉的性能、提高热处理工件的加热质量，降低热处理加热过程中的工件形变十分重要。

4 结语

热处理能改善工件的综合机械机能，但热处理过程引起工件的变形是不可避免的。任何因素的变化都或多或少地影响工件的变形倾向和形变大小。在热处理过程中，能够把握工件热处理过程中导致工件变形的主要因素和关键点。通过分析和实践，改进热处理工艺技术，一定能够在热处理工件的形变问题上得到突破，制定出合理的技术措施，保证热处理产品的质量和合格率。

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