工件的熱處理變形

1、工件的熱處理變形：主要是由于熱處理應力造成的。工件的結構形狀、原材料質量、熱處理前的加工狀態(tài)、工件的自重以及工件在爐中加熱和和冷卻時的支承或夾持不當?shù)纫蛩匾材芤鹱冃?。凡是牽涉到加熱和冷卻的熱處理過程,都可能造成工件變形。但是,淬火變形對熱處理質量的影響最大。嚴重的淬火變形往往很難通過最后的精加工加以修正,即使對淬火變形的工件能夠進行校正和機加工修整,也會因而增加生產成本。工件熱處理后的不穩(wěn)定組織和不穩(wěn)定的應力狀態(tài),在常溫和零下溫度,長時間放置或使用過程中,逐漸發(fā)生轉變而趨于穩(wěn)定,也會伴隨引起工件的變形,這種變形稱為時效變形。時效變形雖然不大,但是對于精密零件和標準量具也是不允許的。工件的熱處

2、理變形分為尺寸變化(體積變形)和形狀畸變兩種形式。尺寸變形歸因可相變前后比體積差引起工件的體積改變,形狀畸變則是由于熱處理過程中,在各種復雜應力綜合作用下,不均勻的塑性變形造成的。這兩種形式的變形很少單獨存在,但是對具體工件和熱處理工藝,可能以一種形式的變形為主。1>工件熱處理的尺寸變化工件在熱處理加熱和冷卻過程中,由于相變引起的體積差造成的體積變形。2>工件熱處理的形狀畸變工件熱處理的形狀畸變有多種原因。加熱過程中殘余應力的釋放,淬火時產生的熱應力、組織應力以及工件自重都會使工件發(fā)生不均勻的塑性變形而造成形狀畸變。工件細長，爐底不平，工件在爐中呈搭橋狀態(tài)放置時,當加熱至奧氏體化溫

3、度下保溫過程中,常因自重產生蠕變畸變,這種畸變與熱處理應力無關。工件在熱處理前由于各種原因可能存在內應力,例如,細長零件經過校直,大進給量切削加工,以及預先熱處理操作不當?shù)纫蛩?都會在工件中形成殘余應力。熱處理加熱過程中,由于鋼的屈服強度隨溫度的升高而降低,當工件中某些部位的殘余應力達到其屈服時,就會引起工件的不均勻塑性變形而造成形狀畸變和殘余應力的松弛。加熱時產生的熱應力,受鋼的化學成分、加熱的速度、工件的大小形形狀的影響很大。導熱性差的高合金鋼,加熱速度過快,工件尺寸大、形狀復雜、各部分厚薄不均勻,會致使工件各部分的熱膨脹程度不同而形成很大的熱應力,導致工件不均勻塑性變形,從而產生形狀畸變

4、。與工件加熱時情況相比,工件冷卻時產生的熱應力和組織應力對工件的變形影響更大。熱應力引起的變形主要發(fā)生在熱應力產生的初期,這是因為冷卻初期工件內部仍處于高溫狀態(tài),塑性好,在瞬時熱應力作用下,心部因受多向壓縮易發(fā)生屈服而產生塑性變形。冷卻后期,隨工件溫度的降低，鋼的屈服強度升高,相對來說塑性變形變得更加困難,冷卻至室溫后,冷卻初期的不均勻塑性變形得以保持下來造成工件的變形。3>熱處理變形的一般規(guī)律淬火變形的趨勢Ms以上時,變形主要由熱應力所引起高度大于直徑的圓柱體狀工件-高度縮短,直徑變粗,最終造成腰鼓狀變形。直徑大于厚度的圓盤件-厚度增大,直徑縮小。壁厚小于高度的帶圓孔的圓(方)孔柱體-

5、內孔收縮,外徑增大,高度縮短(壁厚顯腰鼓狀)。壁厚小于高度的帶圓孔的圓(方)孔扁體-內孔收縮,外徑增大(壁厚顯腰鼓狀)。正方體-趨向球形。Ms以下時,變形主要由瞬時組織應力所引起工件變形的趨勢是沿最大尺寸方向伸長,沿最小尺寸方向收縮,表面內凹,棱角變尖。對于長度大于直徑的圓柱體工件,具體表現(xiàn)為心部被拉長,直徑變細,長度增加。壁厚小于高度的帶圓孔的圓(方)孔柱體-內孔脹大,外徑收縮,高度增加(壁厚反腰鼓狀)。壁厚小于高度的帶圓孔的圓(方)孔扁體-內孔增大,外徑收縮(壁厚顯反腰鼓狀)。正方體-平面內凹,棱角突出。實際生產中,淬火冷卻時既有瞬時熱應力,也有瞬時組織應力,由于它們引起的變形相反，工件最

6、終的變形,是兩種應力引起的變形疊加。4>影響熱處理變形的因素工件在熱處理過程中體積和形狀的改變,是由于模具鋼中組織轉變時的比體積變化所引起的體積膨脹,以及熱處理應力引起的塑性變形所造成。因此,熱處理應力愈大,相變愈不均勻,則變形愈大,反之則小。為減小變形,必須力求減小淬火應力和提高鋼的屈服強度?；瘜W成分對熱處理變形的影響模具鋼材的化學成分通過影響鋼的屈服強度、Ms點、淬透性、組織的比體積和殘余奧氏體量等影響工件的熱處理變形。模具鋼材的碳含量直接影響熱處理后所獲得的各種組織的比體積(室溫下不同組織的比體積與碳含量間的關系-圖略 , 碳鋼的碳含量與Ms點和殘余奧氏體之間的關系-圖略)隨著鋼的

7、碳含量的增加,馬氏體的體積增大,屈服強度升高。淬透性和馬氏體比體積的增大,增大了淬火組織應力和熱處理變形;而殘余奧氏體量的增多和屈服強度的升高,減小了比體積變化,導致組織應力下降和熱處理變形的減小。碳含量對工件熱處理變形的影響是上述矛盾因素綜合作用的結果。碳含量對淬火時體積變化量的影響 (試樣尺寸:25*100)鋼號 淬火溫度 淬火介質 高度變化 直徑中間處 兩端處08 940 14C水 - 0.06 + 0.07 - 0.1455 820 14C水 +0.38 - 0.02 + 0.21T10 780 14C水 - 0.05 + 0.18 + 0.1208鋼試樣的淬火變形趨勢是長度縮短,試樣

8、中部直徑增大,端部直徑縮小,呈腰鼓狀,這是因為雖然低碳鋼Ms點高,發(fā)生馬氏體相變時,鋼的屈服強度低,塑性好,易變形,但是由于馬氏體比體積小,組織應力不大,不會引起大的塑性變形,相反熱應力引起的變形量相對較大,最終表現(xiàn)為熱應力型變形。55鋼試樣,組織應力成為引起變形的主導因素,結果試樣的變形為中部直徑縮小,端部直徑增大,長度增大。當碳的質量分數(shù)進一步增加到0.8以上時,由于Ms點的降低,殘余奧氏體量的增加,其變形又呈長度縮短,直徑增大的熱應力型變形。并且由于高碳鋼屈服強度的升高,其變形量要小于中碳鋼。對碳素鋼來說,在大多數(shù)情況下,以T7A鋼的變形量為最小。當碳的質量分數(shù)大于0.7時,多趨向于縮小

9、;但碳的質量分數(shù)小于0.7時,內徑、外徑都趨向于膨脹。一般來說,在完全淬透的情況下,由于碳素鋼的Ms點高于合金鋼的Ms點,其馬氏體相變在較高溫度下開始。由于鋼在較高溫度下具有較好的塑性,加之碳素鋼本身屈服強度相對較低,因而帶有內孔(或型腔)類的碳素鋼件,變形較大,內孔(或型腔)趨于脹大。合金鋼由于強度較高,Ms點較低,殘余奧氏體量較多,故淬火變形較小,并主要表現(xiàn)為熱應力型的變形,其鋼件內孔(或型腔)趨于縮小。因此,在與中碳鋼同樣條件下淬火時,高碳鋼和高合金鋼工件往往以內孔收縮為主。合金元素對工件熱處理變形的影響主要反映在對鋼的Ms點和淬透性的影響上。大多數(shù)合金元素,例如,錳、鉻、硅、鎳、鉬、硼

10、等，使鋼的Ms點下降,殘余奧氏體量增多,減小了鋼淬火時的比體積變化和組織應力,因此,減小了工件的淬火變形。合金元素顯著提高鋼的淬透性,從而增大了鋼的體積變形和組織應力,導致工件熱處理變形傾向的增大。此外,由于合金元素提高鋼的淬透性,使臨界淬火冷卻速度降低,實際生產中,可以采用緩和的淬火介質淬火,從而降低了熱應力,減小了工件的熱處理變形。硅對Ms點的影響不大,只對試樣變形起縮小作用;鎢和釩對淬透性和Ms點影響也不大,對工件熱處理變形影響較小。故工業(yè)上所謂微變形鋼,均含有較多量的硅、鎢、釩等合金元素。原始組織和應力狀態(tài)對熱處理變形的影響工件淬火前的原始組織,例如,碳化物的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布,合

11、金元素的偏析,鍛造和軋制形成的纖維方向都對工件的熱處理變形有一定影響。球狀珠光體比片狀珠光體比體積大,強度高,所以經過預先球化處理的工件淬火變形相對要小。對于一些高碳合金工具鋼,例如,9Mn2V、CrWMn和GCr15鋼的球化等級對其熱處理變形開裂和淬火后變形的校正有很大影響,通常以2.5-5級球化組織為宜。調質處理不僅使工件變形量的絕對值減小,并使工件的淬火變形更有規(guī)律,從而有利于對變形的控制。條狀碳化物分布對工件的熱處理變形有很大影響。淬火后平行于碳化物條帶方向工件膨脹,與碳化物條帶相垂直的方向則收縮,碳化物顆檢愈粗大,條帶方向的膨脹愈大。對于Cr12類型鋼和高速鋼等萊氏體鋼來說,碳化物的

12、形態(tài)和分布對淬火變形的影響尤為顯著。由于碳化物的熱膨脹系數(shù)小,約為基體的70,因而在加熱時,沿條帶狀分布的碳化物方向上,膨脹較小的碳化物抑制了基體的伸長,而冷卻時,收縮較小的碳化物又會阻礙基體的收縮。由于奧氏體化加熱溫度較緩慢,碳化物對基本膨脹的抑制作用較弱,故條帶狀分布的碳化物對工件淬火加熱變形的方向性影響較小;但在淬火冷卻時,由于冷卻速度快,碳化物對基體收縮的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物條帶方向呈現(xiàn)較大的伸長。經過軋制和鍛造的材料,沿不同的纖維方向表現(xiàn)出不同的熱處理變形行為。纖維方向不明顯的正火態(tài)試樣沿縱、橫方向的尺寸變化差別較小;而退火態(tài)試樣,有明顯帶狀組織存在時,沿纖維方向和垂直于

13、纖維方向的尺寸變化則顯著不同。鍛造比較大,纖維方向明顯時,沿纖維方向的縱向試樣尺寸變化率大于垂直于纖維方向的橫向試樣的尺寸變化率。過共析鋼存在網狀碳化物時,在網狀碳化物附近,碳和合金元素大量富集,在離網狀碳化物較遠的部位,碳和合金元素較低,結果增大了淬火組織應力,使淬火變形增大甚至開裂。因此,過共析鋼的網狀碳化物必須通過恰當?shù)念A先熱處理予以消除。另外,鋼錠的宏觀偏析常造成鋼料橫截面上的方形偏析,這種偏析往往造成圓盤狀零件的不均勻淬火變形?？傊?工件的原始組織愈均勻,熱處理變形愈小,變形愈有規(guī)律,愈易于控制。淬火前工件本身的應力狀態(tài)對變形有重要影響。特別是形狀復雜,經過大進給量切削加工的工件,其

14、殘余應力若未經消除,對淬火變形有很大影響。工件幾何形狀對熱處理變形的影響幾何形狀復雜,截面形狀不對稱的工件,例如帶有鍵槽的軸,鍵槽拉刀、塔形工件等,淬火冷卻時,一個面散熱快,另一面散熱慢,是一種不均勻的冷卻。如果在Ms以上的不均勻冷卻引起的變形占優(yōu)勢,則冷卻快的一面是凹面, 若在Ms以下的不均勻冷卻引起的變形占優(yōu)勢,則冷卻快的一面是凸面,增加等溫時間,增長貝氏體轉變量,使殘余奧氏體更加穩(wěn)定,減小空冷中的馬氏體轉變量,可使工件的變形量顯著減小。工藝參數(shù)對熱處理變形的影響無論是常規(guī)熱處理還是特殊熱處理,都可能產生熱處理變形,分析熱處理工藝參數(shù)對熱處理變形的影響時,最重要的是分析加熱過程和冷卻過程的

15、影響。加熱過程的主要參數(shù)是加熱的均勻性、加熱溫度和加熱速度。冷卻過程的主要參數(shù)是冷卻的均勻性和冷卻速度。不均勻冷卻對淬火變形的影響與工件截面形狀不對稱造成的不均勻冷卻情況相同,本節(jié)主要討論其它工藝參數(shù)的影響。不均勻加熱引起的變形-加熱速度過快、加熱環(huán)境的溫度不均勻和加熱操作不當均能引起工件的不均勻加熱。加熱的不均勻對細長工件或薄片件的變形影響十分顯著。這里說的不均勻加熱并不是指工件表面和心部在加熱過程中不可避免的溫度差,而是特指由于種種原因工件各部分存在的溫度梯度的情況。為了減小不均勻加熱引起的變形,對于形狀復雜或導熱性較差的高合金鋼工件,應當緩慢加熱或采用預熱。但是應當指出,雖然快速加熱能導

16、致長軸類工件和薄片狀板件變形度的增加;然而,對于體積變形為主的工件,快速加熱往往又能起到減小變形的作用。這是因為當只有工件的工作部位需要滬淬火強化時,快速加熱可使工件心部保持在溫度較低強度較高的狀態(tài)下,工作部分即能達到淬火溫度。這樣強度較高的心部就能阻止工件淬火冷卻后產生較大變形。另外,快速加熱可以采用較高的加熱溫度和較短的加熱保溫時間,從而可以減輕由于在高溫階段長時間停留因工件自重產生的變形。快速加熱僅使工件表層和局部區(qū)域達到相變溫度,相應地減小了淬火后的體積變化效應,這也有利于減小淬火變形。加熱溫度對變形的影響-淬火加熱溫度通過改變淬火冷卻時的溫差,改變淬透性、Ms點和殘余奧氏體的數(shù)量而對

17、淬火變形發(fā)生影響。提高淬火加熱溫度,增加了殘余奧氏體量,使Ms點降低,組織應力引起的變形減小,使套類工件的孔腔趨于縮小;但另一方面,淬火加熱溫度的提高了淬透性,增大了淬火冷卻時的溫差,提高了熱應力,有使內孔脹大的傾向。實踐證明,對于低碳鋼制工件,若正常加熱溫度淬火后內孔收縮,提高淬火加熱溫度收縮的更大,為了減小收縮,要降低淬火加熱溫度;對于中碳合金鋼制的工件,若正常加熱溫度淬火后內孔脹大,則提高淬火加熱溫度脹的更大,為了減小孔腔的脹大,也需降低淬火加熱溫度。對于Cr12型高合金模具鋼,提高淬火加熱溫度,使殘余奧氏體量增多,孔腔趨于縮小。淬火冷卻速度對變形的影響-一般來說,淬火冷卻愈激烈,工件內

18、外和不同部位(截面尺寸不同的部位)溫差愈大,產生的內應力愈大,導致熱處理變形增大。(150長*100寬*50高)的熱模具鋼制試樣經不同冷卻速度淬火回火的變形情況。三種介質的冷卻速度以油冷最快,熱浴冷卻次之,空冷最慢。工件經三種不同冷速淬火后,其長度和寬度的變形皆傾向于收縮,變形量差別不大;但在厚度方向上冷速慢的空冷淬火和熱浴淬火引起的變形則小得多,其變形脹大小于0.05,而油淬發(fā)生收縮變形,其最大變形量達0.28左右。然而,當冷卻速度的改變使工件的相變發(fā)生變化時,冷卻速度的增大卻并不一定會引起變形的增大,有時反而會使變形減小。例如,當?shù)吞己辖痄摯慊鸷笥捎谛牟亢写罅胯F素體而發(fā)生收縮時,增大淬火

19、冷卻速度心部得到更多的貝氏體可以有效的減小收縮變形。相反,若工件淬火后因心部獲得馬氏體而脹大時,減小冷卻速度從而減小心部的馬氏體相對量又能使脹大減小。淬火冷卻速度對淬火變形的影響是一個復雜的問題,但原則是在保證要求的組織和性能的前題下,應盡量減小淬火冷卻速度。時效與冷處理對熱處理變形的影響-對于精密零件和測量工具,為了在長期使用過程中,保持精度和尺寸穩(wěn)定,往往需要進行冷處理和回火,以便使其組織更加穩(wěn)定,因此,了解回火工藝和冷處理對工件在時效過程中的變形規(guī)律,對于提高這類工件的熱處理質量有重要意義。冷處理使殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體導致體積膨脹;低溫回火和時效一方面促使-碳化物析出和馬氏體分解使體積

20、收縮,另一方面引起一定程度的應力松馳導致工件產生形狀畸變。鋼的化學成分,回火溫度和時效溫度是影響時效過程中工作變形的主要因素?；瘜W熱處理工件的變形-化學熱處理工件的表面和心部成分和組織不同,具有不同的比體積和不同的奧氏體等溫轉變曲線,因此,其熱處理變形的特點和規(guī)律不同于一般工件。化學熱處理工件的變形校正工作更難以進行?；瘜W熱處理可以分為兩類:一類在高溫奧氏體狀態(tài)下進行滲碳,熱處理過程中有相變發(fā)生,工件變形較大。另一類在低溫鐵素體狀態(tài)下進行滲氮,熱處理過程中除因滲入元素進入滲層形成新相外,不發(fā)生相變,工件變形較小。滲碳工件的變形-滲碳工件通常用低碳鋼和低碳合金鋼制造,其原始組織為鐵素體和少量珠光

21、體,根據工件的服役要求,工件經過滲碳后需要進行直接淬火、緩冷重新加熱淬火或二次淬火。滲碳工件在滲碳后緩冷和滲碳淬火過程中由于組織應力和熱應力的作用而發(fā)生變形,其變形的大小和變形規(guī)律取決于滲碳鋼的化學成分、滲碳層深度、工件的幾何形狀和尺寸以及滲碳和滲碳后的熱處理工藝參數(shù)等因素。工件按其長度、寬度、高度(厚度)的相對尺寸可以分為細長件、平面件和立方體件。細長件的長度遠大于其橫截面尺寸,平面件的長度和寬度遠大于其高度(厚度),立方體三個方向的尺寸相差不大。最大熱處理內應力一般總是產生在最大尺寸方向上。若將該方向稱為主導應力方向,則低碳鋼和低碳合金鋼制造的工件,滲碳后緩冷或空冷心部形成鐵素體和珠光體時

22、,一般沿主導應力方向表現(xiàn)為收縮變形,收縮變形率約為0.08-0.14。鋼的合金元素含量增加、工件的截面尺寸減小時,變形率也隨之減小,甚至出現(xiàn)脹大變形。截面厚度差別較大形狀不對稱的細長桿件,滲碳空冷后易產生彎曲變形。彎曲變形的方向取決于材料。低碳鋼滲碳工件冷卻快的薄截面一側多為凹面;而12CrN3A、18CrMnTi等合金元素較高的低碳合金鋼滲碳工件,冷卻快的薄截面一側往往為凸面。低碳鋼和低碳合金鋼制造的工件經過920-940C溫度下滲碳后,滲碳層碳的質量分數(shù)增加至0.6-1.0,滲碳層的高碳奧在體在空冷或緩冷時要過冷至Ar1以下(600C左右)才開始向珠光體轉變,而心部的低碳奧氏體在900C左

23、右即開始析出鐵素體,剩余的奧氏體過冷至Ar1溫度以下也發(fā)生共析分解轉變?yōu)橹楣怏w。從滲碳溫度過冷至Ar1溫度,共析成分的滲碳層未發(fā)生相變,高碳奧氏體只隨著溫度的降低而發(fā)生熱收縮,與此同時,心部低碳奧氏體卻因鐵素體的析出比體積增大而發(fā)生膨脹,結果心部受壓縮應力,滲碳層則受拉伸應力。由于心部發(fā)生->轉變時,相變應力的作用使其屈服強度降低,導致心部發(fā)生壓縮變形。低碳合金鋼強度較高,相同條件下心部的壓縮塑性變形量較小。形狀不對稱的滲碳工件空冷時,冷卻快的一側奧氏體線長度收縮量大于冷卻慢的一側,因而產生彎曲應力,當彎曲應力大于冷即慢的一側的屈服強度時,則工件向冷卻快的一側彎曲。對于合金元素含量較高的

24、低碳合金鋼,滲碳后表層具有高碳合金鋼的成分,空冷時冷卻快的一側發(fā)生相變,形成硬度較高、組織比體積較大的新相,而另一側因冷即較慢形成的新相硬度較低,故出現(xiàn)相反的彎曲變形。滲碳工件的淬火變形規(guī)律可以用相同的方法分折。滲碳件的淬火溫度通常為800-820C,淬火時滲碳層的高碳奧氏體從滲火溫度冷卻至Ms點溫度區(qū)間內將發(fā)生明顯的熱收縮;而同時心部低碳奧氏體轉變?yōu)殍F素體和珠光體、低碳貝氏體或低碳馬氏體。不論轉變?yōu)楹畏N組織,心部都因組織比體積的增大而發(fā)生體積膨脹,結果在滲碳層與心部產生較大的內應力。一般來說,未淬透的情況下,由于心部的相變產物為屈服強度較低的鐵素體和珠光體,因而心部在滲碳層熱收縮壓應力作用下

25、,沿主導應力方向產生收縮變形;當心部的相變產物為強度較高的低碳貝氏體和低碳馬氏體對,表層高碳奧氏體則在心部脹應力作用下產生塑性變形,結果主導應力方向而脹大。隨著滲碳鋼碳含量和合金元素含量的增加,滲碳件淬火后心部硬度升高,主導應力方向脹大傾向增大。當心部硬度為28-32HRC時,滲碳工件的淬火變形很小。隨著心部硬度的升高,脹大變, 形傾向增大。很明顯,提高滲碳件的淬透性等凡導致滲碳工件心部硬度升高的因素,都會增大滲碳工件沿主導應力方向的脹大傾向。五>熱處理變形的校正熱處理變形的校正-工件的熱處理變形可以在一定程度上加以控制和減小,但是不能夠完全避免。機械校正法-采用機械或局部加熱的方法使變

26、形工件產生局部微量塑性變形,同時伴隨著殘余內應力的釋放和重新分布達到校正變形的目的。常用的機械校正法有冷壓校正、淬火冷卻至室溫前的熱壓校正、加壓回火校正、使用氧-乙炔火焰或高頻對變形工件進行局部加熱的”熱點”校正、錘擊校正等。機械校正的零件在使用、放置過程中或進行精加工時,由于殘余應力的衰減和釋放可能部分地恢復原來的變形和產生新的變形。因此,對于承受高負荷的工件和精密零件,最好不要進行機械校正。必須進行機械校正時,校正達到的塑性應變應該超過熱處理變形的塑性應變,但校正塑性變形量必須控制在很小的范圍內,一般應大于彈性極限應變的10倍,小于條件強度極限的十分之一。校正要盡可能在淬火后應即進行,校正后應進行消除殘余應力處理。熱處理變形工件的校正,要求操作者具有熟練的技術并很費工時,因此,校正自動化是熱處理工作者的一項重要任務。熱處理校正法-對于因熱處理脹大或收縮變形而尺寸超差的工件,可以重新使用適當?shù)臒崽幚矸椒▽ζ渥冃芜M行校正。常用的熱處理校正法有在Ac1溫度下加熱急冷法對脹大變形的工件進行收縮處理-工件不發(fā)生組織比體積變