熱處理變形的原因
引起鋼件熱處理變形的因素有很多，
概括起來主要有以下兩點(diǎn)：
1)固態(tài)相變時(shí)，各相比體積的變化必然引起體積的變化，使零件產(chǎn)生膨脹或收縮的尺寸變化，這種變化是不可避免的。體積變化不會(huì)引起鋼件形狀的歪扭或翹曲，一般尺寸變化較小，故不被重視。
2)由熱處理內(nèi)應(yīng)力引起鋼件的歪扭或變形是重要的問題。熱應(yīng)力包括急熱熱應(yīng)力和急冷熱應(yīng)力，當(dāng)它們超過零件在該溫度下所具有的屈服強(qiáng)度時(shí)，將使零件產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致零件的形狀變化，即歪扭，或稱為畸變;相變引起的組織應(yīng)力也會(huì)引起零件形狀的改變，即熱處理畸變。熱應(yīng)力和組織應(yīng)力合并為熱處理內(nèi)應(yīng)力，是鋼件變形的主要原因。
一般來說，淬火工件的變形總是由于以上因素綜合作用的結(jié)果，需要根據(jù)具體情況作具體分析。
體積變化是由相變時(shí)比體積的改變而引起的。馬氏體的比體積比鋼的其他組成相的比體積要大，熱處理時(shí)鋼由其他組成相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，必然引起體積的增加。而奧氏體的比體積要比鋼的其他相小，在熱處理時(shí)由其他組成相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，則引起體積的收縮。
零件形狀的變化主要是由于內(nèi)應(yīng)力或者外加應(yīng)力作用的結(jié)果。在加熱和冷卻過程中，因工件各個(gè)部位的溫度有差別，相變?cè)跁r(shí)間上有先后，有時(shí)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變也不一致，而造成內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力一日超過了該溫度下材料的屈服強(qiáng)度就產(chǎn)生朔性變形，引起形狀的改變。此外，工件內(nèi)的冷加工殘留應(yīng)力在加熱過程中的松弛，以及由于加熱時(shí)受到較大的外加應(yīng)力作用也會(huì)引起形狀的變化。
在熱處理時(shí)可能引起體積變化和形狀變化的原因見下表 ：
表中“體積變化原因”一欄未列人鋼因熱脹冷縮現(xiàn)象而產(chǎn)生的體積變化。鋼由淬火加熱溫度到零下溫度進(jìn)行冷外理時(shí)，均隨溫度的變化而有相應(yīng)的體積變化，因執(zhí)脹冷縮而引起的體積變化不均勻乃是熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因，而且對(duì)變形具有相當(dāng)大的影響。
熱處理變形的控制
控制、減少并防止熱處理變形，是生產(chǎn)中人們長(zhǎng)期以來十分重視的問題。
1. 材料的選擇 冷卻能力越強(qiáng)的冷卻劑使鋼件的冷卻速度越不均勻，鋼件越容易發(fā)生變形。所以，選擇淬透性好的鋼，并以油冷或空冷方式硬化，則變形小。如果鋼件內(nèi)部不需要淬硬時(shí)，選擇淬透性低的鋼僅將其表面層馬氏體化，心部不淬硬，而達(dá)到減小變形的目的也是可以的。此外，如果采用高頻感應(yīng)淬火，一般變形較小，這多數(shù)適用于45 鋼。
馬氏體的含碳量越高，體積變化和變形越大。因此可根據(jù)需要，選擇低碳馬氏體加彌散碳化物來提高硬度的鋼種，同時(shí)有效地利用比體積小的殘留奧氏體。但是在這種情況下通常硬度較低，且有時(shí)效變形問題。 具有纖維狀組織或稱為帶狀組織的鋼在淬火時(shí)將出現(xiàn)方向性。退火后出現(xiàn)明顯纖維狀組織的低碳鋼及低碳合金鋼淬火，則沿著纖維方向尺寸伸長(zhǎng)。模具鋼和其他 工具鋼在延伸方向上呈現(xiàn)纖維狀組織時(shí)，將難以均質(zhì)化，淬火后仍然出現(xiàn)方向性。
2. 冷卻方式的選擇 冷卻方式對(duì)于淬火變形來說具有較大的影響。一般采用均勻冷卻的方法。
相變引起的尺寸變化能夠因鋼材的合理選擇而變小。但是，當(dāng)鋼種已選定時(shí)，則由此而產(chǎn)生的熱處理尺寸變化是不可避免的。在實(shí)際淬火操作中，主要是因鋼件各部位不同時(shí)發(fā)生相變而產(chǎn)生的變形、開裂及熱歪扭。
為了盡量減小各部位馬氏體化時(shí)間的不同，采用在出現(xiàn)托氏體組織附近的溫度范圍實(shí)行急冷，而在 Ms 點(diǎn)以下實(shí)行緩冷的方法較好。淬火冷卻介質(zhì)使用水時(shí)，則在Ms 點(diǎn)以下冷卻速度較大，導(dǎo)致變形很大。要在 Ms 點(diǎn)以下實(shí)行緩冷，最好采用油中淬火或空氣中冷卻。水中急冷后，在達(dá)到 Ms 點(diǎn)附近溫度時(shí)即從水中取出工件，移入油中冷卻或吹風(fēng)冷卻、空冷等，可以有效地控制變形。
等溫淬火或者分級(jí)淬火對(duì)于減輕變形尤其有效，同樣，在等溫淬火中有利于進(jìn)行校正歪扭。
斜齒輪等零件由于要求齒面的精度，采用等溫淬火也很難充分達(dá)到目的。對(duì)于這種零件要在壓床上淬火。板彈簧在壓床上淬火也能起到良好的效果。
高頻感應(yīng)淬火由于僅加熱表面層，整體變形小是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。若能正確地支撐工件，使用穩(wěn)定的高頻加熱裝置，以一定量的水、一定的方向、一定的時(shí)間進(jìn)行噴射淬火，則其產(chǎn)生的歪扭也是穩(wěn)定的。但這時(shí)同樣要注意被硬化表面應(yīng)均習(xí)地進(jìn)行冷卻。在高頻感應(yīng)淬火和火焰淬火中，可采用將零件在卡盤中固定約束淬火變形的方法，或是將非硬化部位浸泡在水中后再淬火的方法。
3.加熱方式的選擇 防止變形的途徑主要是緩冷、緩熱。加熱速度太快，會(huì)因產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形。因此，放慢加熱速度，采用多次預(yù)熱能收到良好效果。 另外，還應(yīng)注意防止預(yù)熱時(shí)產(chǎn)生的自重扭曲以及氧化、脫碳等現(xiàn)象發(fā)生。
在零件淬火加熱前若存在殘留應(yīng)力也是有害的，如零件在加工過程中造成的殘留應(yīng)力等，應(yīng)預(yù)先采取去應(yīng)力退火措施。一般加熱到 500~600℃為宜，殘留應(yīng)力可減少到趨于零。
熱處理變形的原因
引起鋼件熱處理變形的因素有很多，
概括起來主要有以下兩點(diǎn)：
1)固態(tài)相變時(shí)，各相比體積的變化必然引起體積的變化，使零件產(chǎn)生膨脹或收縮的尺寸變化，這種變化是不可避免的。體積變化不會(huì)引起鋼件形狀的歪扭或翹曲，一般尺寸變化較小，故不被重視。
2)由熱處理內(nèi)應(yīng)力引起鋼件的歪扭或變形是重要的問題。熱應(yīng)力包括急熱熱應(yīng)力和急冷熱應(yīng)力，當(dāng)它們超過零件在該溫度下所具有的屈服強(qiáng)度時(shí)，將使零件產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致零件的形狀變化，即歪扭，或稱為畸變;相變引起的組織應(yīng)力也會(huì)引起零件形狀的改變，即熱處理畸變。熱應(yīng)力和組織應(yīng)力合并為熱處理內(nèi)應(yīng)力，是鋼件變形的主要原因。
一般來說，淬火工件的變形總是由于以上因素綜合作用的結(jié)果，需要根據(jù)具體情況作具體分析。
體積變化是由相變時(shí)比體積的改變而引起的。馬氏體的比體積比鋼的其他組成相的比體積要大，熱處理時(shí)鋼由其他組成相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，必然引起體積的增加。而奧氏體的比體積要比鋼的其他相小，在熱處理時(shí)由其他組成相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，則引起體積的收縮。
零件形狀的變化主要是由于內(nèi)應(yīng)力或者外加應(yīng)力作用的結(jié)果。在加熱和冷卻過程中，因工件各個(gè)部位的溫度有差別，相變?cè)跁r(shí)間上有先后，有時(shí)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變也不一致，而造成內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力一日超過了該溫度下材料的屈服強(qiáng)度就產(chǎn)生朔性變形，引起形狀的改變。此外，工件內(nèi)的冷加工殘留應(yīng)力在加熱過程中的松弛，以及由于加熱時(shí)受到較大的外加應(yīng)力作用也會(huì)引起形狀的變化。
在熱處理時(shí)可能引起體積變化和形狀變化的原因見下表 ：
表中“體積變化原因”一欄未列人鋼因熱脹冷縮現(xiàn)象而產(chǎn)生的體積變化。鋼由淬火加熱溫度到零下溫度進(jìn)行冷外理時(shí)，均隨溫度的變化而有相應(yīng)的體積變化，因執(zhí)脹冷縮而引起的體積變化不均勻乃是熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因，而且對(duì)變形具有相當(dāng)大的影響。
熱處理變形的控制
控制、減少并防止熱處理變形，是生產(chǎn)中人們長(zhǎng)期以來十分重視的問題。
1. 材料的選擇 冷卻能力越強(qiáng)的冷卻劑使鋼件的冷卻速度越不均勻，鋼件越容易發(fā)生變形。所以，選擇淬透性好的鋼，并以油冷或空冷方式硬化，則變形小。如果鋼件內(nèi)部不需要淬硬時(shí)，選擇淬透性低的鋼僅將其表面層馬氏體化，心部不淬硬，而達(dá)到減小變形的目的也是可以的。此外，如果采用高頻感應(yīng)淬火，一般變形較小，這多數(shù)適用于45 鋼。
馬氏體的含碳量越高，體積變化和變形越大。因此可根據(jù)需要，選擇低碳馬氏體加彌散碳化物來提高硬度的鋼種，同時(shí)有效地利用比體積小的殘留奧氏體。但是在這種情況下通常硬度較低，且有時(shí)效變形問題。 具有纖維狀組織或稱為帶狀組織的鋼在淬火時(shí)將出現(xiàn)方向性。退火后出現(xiàn)明顯纖維狀組織的低碳鋼及低碳合金鋼淬火，則沿著纖維方向尺寸伸長(zhǎng)。模具鋼和其他 工具鋼在延伸方向上呈現(xiàn)纖維狀組織時(shí)，將難以均質(zhì)化，淬火后仍然出現(xiàn)方向性。
2. 冷卻方式的選擇 冷卻方式對(duì)于淬火變形來說具有較大的影響。一般采用均勻冷卻的方法。
相變引起的尺寸變化能夠因鋼材的合理選擇而變小。但是，當(dāng)鋼種已選定時(shí)，則由此而產(chǎn)生的熱處理尺寸變化是不可避免的。在實(shí)際淬火操作中，主要是因鋼件各部位不同時(shí)發(fā)生相變而產(chǎn)生的變形、開裂及熱歪扭。
為了盡量減小各部位馬氏體化時(shí)間的不同，采用在出現(xiàn)托氏體組織附近的溫度范圍實(shí)行急冷，而在 Ms 點(diǎn)以下實(shí)行緩冷的方法較好。淬火冷卻介質(zhì)使用水時(shí)，則在Ms 點(diǎn)以下冷卻速度較大，導(dǎo)致變形很大。要在 Ms 點(diǎn)以下實(shí)行緩冷，最好采用油中淬火或空氣中冷卻。水中急冷后，在達(dá)到 Ms 點(diǎn)附近溫度時(shí)即從水中取出工件，移入油中冷卻或吹風(fēng)冷卻、空冷等，可以有效地控制變形。
等溫淬火或者分級(jí)淬火對(duì)于減輕變形尤其有效，同樣，在等溫淬火中有利于進(jìn)行校正歪扭。
斜齒輪等零件由于要求齒面的精度，采用等溫淬火也很難充分達(dá)到目的。對(duì)于這種零件要在壓床上淬火。板彈簧在壓床上淬火也能起到良好的效果。
高頻感應(yīng)淬火由于僅加熱表面層，整體變形小是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。若能正確地支撐工件，使用穩(wěn)定的高頻加熱裝置，以一定量的水、一定的方向、一定的時(shí)間進(jìn)行噴射淬火，則其產(chǎn)生的歪扭也是穩(wěn)定的。但這時(shí)同樣要注意被硬化表面應(yīng)均習(xí)地進(jìn)行冷卻。在高頻感應(yīng)淬火和火焰淬火中，可采用將零件在卡盤中固定約束淬火變形的方法，或是將非硬化部位浸泡在水中后再淬火的方法。
3.加熱方式的選擇 防止變形的途徑主要是緩冷、緩熱。加熱速度太快，會(huì)因產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形。因此，放慢加熱速度，采用多次預(yù)熱能收到良好效果。 另外，還應(yīng)注意防止預(yù)熱時(shí)產(chǎn)生的自重扭曲以及氧化、脫碳等現(xiàn)象發(fā)生。
在零件淬火加熱前若存在殘留應(yīng)力也是有害的，如零件在加工過程中造成的殘留應(yīng)力等，應(yīng)預(yù)先采取去應(yīng)力退火措施。一般加熱到 500~600℃為宜，殘留應(yīng)力可減少到趨于零。
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