鋼件的淬火熱處理變形與控制

1、第27卷第1期2006年2月熱處理技術(shù)與裝備RECHULIJISHUYUZHUANGBEIVol.27,No.1Feb,2006文章編號(hào):1673-4971(2006)01-0018-05鋼件的淬火熱處理變形與控制陳 銳,羅新民(江蘇大學(xué)材料學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)摘 要:綜述了鋼件熱處理變形的影響因素與預(yù)防、控制變形的方法。包括四個(gè)部分:熱處理內(nèi)應(yīng)力的組成;熱處理變形原因分析;影響熱處理變形的因素以及如何預(yù)防與控制淬火變形和開裂。關(guān)鍵詞:淬火應(yīng)力;變形;冷卻均勻性;淬火方法中圖分類號(hào):TG156.35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AControlofDistortionDuetoQuenchingP

2、rocessofSteelPartsCHENRui,LUOXin_min(DepartmentofMaterialScience,JiangsuUniversity,Zhenjiang 212013)Abstract:Thispapersummarizestheaffectsofdistortionanddistortioncontrolinthequenchingprocessofsteelparts;anditconsistsofthefollowingfourparts:thecomposingofstress,theanalysisofdistortionresources,thefa

3、ctorsaffectingquenchingdistortionandhowtopreventandcontroldistortionandcrackingofquenching.Keywords:quenchingstress;distortion;coolinguniformity;quenchingmethods在汽車、公路、鐵路和航空等工業(yè)中,熱處理都是極為關(guān)鍵的制造技術(shù)。美國熱處理工業(yè)一年的交易額就高達(dá)150200億美元。其中零件變形成本占了整個(gè)制造成本的很大部分。在歐洲,由于變形引起的成本占到了4%以上。消耗在校直工序和特殊工裝的成本往往達(dá)到熱處理總成本的20%25%,僅在軸承工

4、業(yè),每年變形帶來的附加成本估計(jì)就超過10億美元。美國金屬學(xué)會(huì)向能源部提交的國際研發(fā)計(jì)劃中,提出的目標(biāo)之一就是/努力達(dá)到熱處理零件的零變形和最大限度的均勻性01。多年來,國內(nèi)外熱處理工作者在研究鋼件熱處理變形成因、規(guī)律及預(yù)防控制變形措施等方面取得了許多理論成果,積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但由于淬火變形影響因素非常復(fù)雜,導(dǎo)致變形控制十分棘手。而采用校直方法糾正變形或加大磨削加工余量,都會(huì)增加成本,因此研究鋼件淬火變形成因、影響規(guī)律,并提出防止措施是提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長零部件使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要課題。1 熱處理變形與內(nèi)應(yīng)力所謂熱處理變形是指零件經(jīng)熱處理后其變形量超過了圖樣公差要求的一種物理現(xiàn)象。最

5、容易造成變形的是淬火過程,因?yàn)榇慊疬^程中加熱溫度高,組織比容變化大,冷卻激烈等導(dǎo)致變形的因素較多。由于冷卻過程的復(fù)雜性和具有瞬間完成的特點(diǎn),加之測量儀器和研究手段的局限,使其研究和控制水平始終滯后于熱處理的加熱過程。1.1 熱處理變形與開裂一種變形是零件加熱時(shí)由于自身重量而產(chǎn)生的尺寸變化,稱為形狀畸變,比如彎曲、翹曲、扭曲等。另一種是尺寸變形,包括可以觀察到的如伸長、收縮、變厚和變薄等尺寸變化。尺寸變形是由于相變收稿日期:2005-10-20作者簡介:陳銳(1979-),男,碩士研究生,從事金屬材料及熱處理研究.第1期陳 銳等:鋼件的淬火熱處理變形與控制#19#時(shí)體積變化引起的。尺寸變形分為一

6、維,二維和三維變形。淬火開裂的主要原因是冷卻過快而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力及相變應(yīng)力。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中,開裂是由于形成馬氏體的體積膨脹引起的。出現(xiàn)開裂必定存在著應(yīng)力梯度,即應(yīng)力集中。常見的應(yīng)力梯度有兩種:一種是幾何缺口,包括刀痕、尖角、溝槽、孔穴以及截面突變處。另一種是材料中的隘口,包括晶間影響,碳化物偏析以及雜質(zhì)聚合體。1.2 熱處理內(nèi)應(yīng)力與熱處理變形一般來說,變形是由熱處理內(nèi)應(yīng)力引起的,因此防止變形的關(guān)鍵就在于控制工件中的應(yīng)力分布。熱處理過程中形成的內(nèi)應(yīng)力是不斷變化著的瞬時(shí)應(yīng)力,其大小、方向和分布狀態(tài)隨著溫度的變化和組織轉(zhuǎn)變的進(jìn)程而不斷地改變。零件中的內(nèi)應(yīng)力可以通過消除應(yīng)力處理來消除。即把零件加

7、熱到550e左右,保持一定時(shí)間,這時(shí)材料在塑性狀態(tài)下,應(yīng)力使零件/復(fù)蘇0而變形,從而應(yīng)力也基本上得到消除(處于新的平衡狀態(tài))。消除應(yīng)力處理溫度越高、材料塑性越好,消除應(yīng)力效果也越好。應(yīng)該注意,消除應(yīng)力處理的后期階段必須均勻地冷卻到250e以下,否則仍有可能產(chǎn)生新的應(yīng)力,最好是隨爐緩冷。1.3 熱處理內(nèi)應(yīng)力的組成零件由高溫(830e)到低溫(180e),即由膨脹狀態(tài)迅速冷卻到冷縮狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力大于零件材料的彈性極限,因此零件變形是難以避免的。熱應(yīng)力是溫度梯度的函數(shù),它取決于加熱溫度、加熱速度、零件截面厚薄的差異程度、材料的散熱率(散熱率=鋼的熱導(dǎo)率/密度)、比熱和膨脹系

8、數(shù)以及加熱、冷卻的均勻性等。造成零件變形的熱處理內(nèi)應(yīng)力還有組織應(yīng)力。所謂組織應(yīng)力,是在淬火冷卻過程中,零件從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,由于奧氏體比容較馬氏體小,故組織轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生體積膨脹,這種由于組織轉(zhuǎn)變引起的比容變化以及組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性所造成的應(yīng)力,稱為組織應(yīng)力。組織應(yīng)力取決于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度、馬氏體的正方性和殘余奧氏體量。此外,鋼的淬透性、鋼的原始組織、淬火溫度以及冷卻速度也是影響組織應(yīng)力的重要因素。理清內(nèi)應(yīng)力的起因及其變化規(guī)律對(duì)于控制消除變形開裂有重要意義。2 熱處理變形原因分析2.鋼件在加熱和冷卻過程中,將發(fā)生熱脹冷縮的體積變化以及因組織轉(zhuǎn)變時(shí)新舊相比容差而產(chǎn)生的體積改變。零件加熱到淬火溫度時(shí)

9、,屈服強(qiáng)度明顯降低,塑性則大為提高。當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生塑性變形,也就是永久變形。如果應(yīng)力集中到零件的某一部位,并超過了材料的強(qiáng)度極限,就會(huì)造成零件的淬裂。導(dǎo)熱性差的高碳合金鋼,如Cr12MoV,Cr12Mo,W18Cr4V之類的工具綱,如不采用多次預(yù)熱或緩慢加熱,不但會(huì)造成零件變形,而且會(huì)導(dǎo)致零件開裂而報(bào)廢。零件必須先經(jīng)過預(yù)熱再逐步加熱到高溫。此外,鑄鋼件和鍛件毛坯,如果表層存在著一層脫碳層(導(dǎo)熱性較好),由于導(dǎo)熱性能不同,在淬火加熱較快時(shí),也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形。冷卻時(shí)由于溫差大,熱應(yīng)力是造成零件變形的主要原因。2.2 組織應(yīng)力引起的變形體積的變化往往與加熱和冷卻有關(guān),因?yàn)樗?/p>

10、鋼的膨脹系數(shù)相關(guān)。比容的變化導(dǎo)致零件尺寸和形狀的變化。組織應(yīng)力的產(chǎn)生起源于體積的收縮和膨脹。沒有體積的膨脹,就沒有組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性,也就沒有組織應(yīng)力引起的變形。導(dǎo)致熱處理變形的內(nèi)應(yīng)力是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用形成的復(fù)合應(yīng)力。熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是不定的,可能因冷卻條件及淬火溫度的不同而產(chǎn)生不同情況。淬火應(yīng)力是由急冷急熱應(yīng)力及由組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)所引起的應(yīng)力綜合構(gòu)成的。3 影響淬火熱處理變形的因素影響淬火變形的因素有很多,包括鋼的含碳量、零件尺寸和形狀、淬火介質(zhì)的溫度和壓力、淬火工藝(冷或熱空氣/水噴、壓模淬火、高壓氣流等)、淬火冷卻設(shè)備和攪拌裝置,以及零件周圍淬火介質(zhì)的流速、流場分布等

11、。此外,奧氏體化過程中零件在熱處理爐內(nèi)的放置方式、加熱爐爐溫均勻性以及出爐時(shí)的機(jī)械輸送等,都會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生一定的影響。3.1 鋼的淬透性對(duì)零件變形的影響鋼的淬透性表征在規(guī)定條件下的淬硬深度和硬度分布的特征。當(dāng)心部未淬透時(shí),變形情況是趨向于長度縮短,內(nèi)外徑尺寸縮小。當(dāng)全部淬透時(shí),則趨向于長度伸長,內(nèi)外徑尺寸脹大。因?yàn)楫?dāng)整個(gè)截面全部淬透時(shí),組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力總和大,對(duì)變形影響較#20#熱處理技術(shù)與裝備第27卷3.2 鋼的含碳量對(duì)零件變形的影響Ms點(diǎn)溫度與淬裂有密切關(guān)系,淬裂大多發(fā)生在0.4%C以上,Ms點(diǎn)在330e以下的鋼中。Ms點(diǎn)溫度隨著碳含量增加而降低,導(dǎo)致淬火中殘余奧氏體增加。碳含量大于0.5%的

12、鋼2,碳含量對(duì)Ms點(diǎn)溫度的影響可以用Steven和Haynes公式來估算:Ms=561-474C-33Mn-17Ni-17Cr-21Mo式中:C,Mn,Ni,Cr和Mo分別表示合金元素的重量百分比。這個(gè)公式適用于碳含量低于0.5%的情況,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相比,可靠性達(dá)90%。該公式的另一個(gè)著名變型是Andrews公式3:Ms=539-423C-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5MoMf溫度一般大約在Ms點(diǎn)215e以下。通常,當(dāng)Mf溫度低于淬火溫度時(shí),馬氏體轉(zhuǎn)變就不充分。未轉(zhuǎn)變的奧氏體體積(Vr)取決于Ms和淬火介質(zhì)的溫度(Tq),Koistinen和Marhurger方程4:Vr

13、=exp-1.1010-2(Ms-Tq)含碳量低時(shí),淬火溫度提高,熱應(yīng)力增加,抵消了部分組織應(yīng)力的影響,淬火時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變量減少;含碳量高時(shí),Ms降低,材料本身的屈服強(qiáng)度提高,塑性比中碳鋼差,所以組織應(yīng)力引起的變形量減小,熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用。Kunitake和Susigawa提出了一個(gè)關(guān)系式來表示碳含量和元素成分對(duì)鋼淬火開裂傾向的復(fù)合影響。這里用碳當(dāng)量(Ceq)來表示,計(jì)算公式為(Si-0.5)/5+Ti/5+W/10+Al/10其中:元素符號(hào)代表百分比含量,Ceq值越大,鋼開裂敏感性越高。Ceq0.4:鋼不易開裂;Ceq=0.40.7:鋼較易開裂;Ceq0.7:鋼易于開裂。3.3 鋼的原始組織對(duì)

14、零件變形的影響零件淬火前后的原始組織、狀況,例如球化是否均勻、是否有偏析和網(wǎng)狀組織存在,對(duì)淬火后的變形、特別是對(duì)細(xì)長軸的彎曲變形關(guān)系很大。零件材料的本質(zhì)晶粒度越細(xì),屈服強(qiáng)度越高,對(duì)變形的抗力越大,零件淬火后的變形量就相應(yīng)減小。3.4 淬火介質(zhì)的選擇和控制對(duì)零件變形的影響一般認(rèn)為,淬火介質(zhì)300e時(shí)的冷卻速度對(duì)變形的影響是關(guān)鍵的,應(yīng)根據(jù)鋼的淬透性、零件截面尺寸和表面粗糙度,合理選用淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)的使用溫度和冷卻特性對(duì)變形影響很大。比如淬火油,5響淬火介質(zhì)的冷卻能力,從而引起變形。因此,有必要對(duì)淬火介質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測,保持其冷卻性能穩(wěn)定。3.5 冷卻均勻性對(duì)零件變形的影響冷卻不均勻也是導(dǎo)致淬火開

15、裂的主要原因。淬火過程中,零件表面淬火介質(zhì)不均勻的流場或者因?yàn)槟骋槐砻鏉櫇癫痪鶆蚨鴮?dǎo)致冷卻速率不均勻。如果某一平面的冷卻速率較快而伸長,則稱為/凸變形0,冷卻速率較慢之一側(cè)的變形稱為/凹變形0。圖1例子中,軸向(垂直)的淬火介質(zhì)流流經(jīng)水平放著的圓棒,由于散熱不均勻,變形出現(xiàn)在上表面。攪拌使底部散熱較快,上下表面之間形成較大的熱梯度。:淬火強(qiáng)度是由攪拌決定的,攪拌設(shè)計(jì)不當(dāng)是冷卻不均勻的主要原因。淬火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立,應(yīng)重視淬火槽的設(shè)計(jì)、折流板的設(shè)計(jì)與分布以及攪拌器的安置。圖2中的攪拌系統(tǒng)說明了淬火介質(zhì)在工件表面單方向流動(dòng)對(duì)變形的影響5?？赏ㄟ^減小介質(zhì)流速至足夠散熱的程度,并將零件作機(jī)械式上下運(yùn)動(dòng)

16、來Ceq=C+Mn/5+Cr/4+Mo/3+Ni/10+V/5+第1期陳 銳等:鋼件的淬火熱處理變形與控制#21#減少變形。改善冷卻均勻性仍然是優(yōu)化變形控制和減少開裂的重要手段。計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)建模被日益廣泛地用來檢驗(yàn)和改善淬火槽內(nèi)流場的均勻性。Totten和Lally報(bào)道了應(yīng)用這種方法來說明槽內(nèi)流場不均勻性的例子。Garwood等人也進(jìn)行了類似且更為嚴(yán)格的工作,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的淬火系統(tǒng)進(jìn)行了模型合理性論證。Bogh用CFD分析法檢驗(yàn)鋁合金板周圍不同部位水下噴射排放裝置的擺放對(duì)冷卻均勻性的影響。Ferrari用氣冷淬火系統(tǒng)的CFD分析法研究流場不均勻性的原因。研究結(jié)果表明:流場不均勻主

17、要是由氣室設(shè)計(jì)引起的,與氣體種類、總壓降以及氣體溫度毫無關(guān)系。CFD分析法還用來分析淬火槽內(nèi)的流場,為新淬火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了革新的設(shè)計(jì)概念。各種設(shè)計(jì)的性能是由Taguchi局部因子統(tǒng)計(jì)分析法來評(píng)估決定的,這個(gè)數(shù)據(jù)在工業(yè)生產(chǎn)淬火槽的設(shè)計(jì)中用來模擬流場。3.6 淬火技術(shù)對(duì)零件變形的影響零件設(shè)計(jì)、材料選擇以及淬火介質(zhì)的選用都是控制鋼件的開裂變形的重要因素。此外,可采用幾種減小變形、消除開裂的淬火技術(shù)。例如:分級(jí)淬火,模壓淬火,強(qiáng)烈淬火等等。強(qiáng)烈淬火技術(shù)(IQ)61)零件浸入淬火介質(zhì)時(shí),應(yīng)力梯度的外圓同時(shí)接觸液體,容易產(chǎn)生淬火開裂。2)零件浸入淬火介質(zhì)時(shí),應(yīng)力梯度的外圓各處先后接觸液體,可大大減少開裂

18、的可能性。是1964年前蘇聯(lián)的Kobasko博士發(fā)現(xiàn)和提出的,并在獨(dú)聯(lián)體國家得到應(yīng)用,近年來該技術(shù)在美國得到了重視和應(yīng)用。強(qiáng)烈淬火技術(shù)是采用高速攪拌或高壓噴淬使試件在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域進(jìn)行快速而均勻的冷卻,在試件整個(gè)表面形成一個(gè)均勻的具有較高壓應(yīng)力的硬殼,避免了常規(guī)淬火在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域進(jìn)行快速冷卻而產(chǎn)生畸變過大和開裂的問題7。在強(qiáng)烈淬火過程中,高濃度聚合物水溶液淬火介質(zhì)被用來在表面和心部形成更大的冷卻梯度。Kobasko用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了確實(shí)存在一個(gè)臨界冷卻速率,超過該速率時(shí),開裂可能性減少,如圖3所示。3.7 淬火操作對(duì)零件變形的影響雖然可以期望通過消除所有的應(yīng)力梯度來減少開裂的可能性,但大多數(shù)情

19、況是不可行的。通常采用改變淬入方法來減少開裂。圖4中,Polyakov給出了帶有復(fù)雜外形零件的淬入建議。64 預(yù)防和控制零件淬火變形的措施雖然校直可以大大降低變形量,但在校直的過程中會(huì)使高應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展,并可能使工件表面和心部產(chǎn)生裂紋,且在隨后的機(jī)加工過程中鋼件有再次變形的趨向。目前,工業(yè)生產(chǎn)中有各種各樣防止變形的方法,如用淬火工裝來支持工件的某些部位#22#熱處理技術(shù)與裝備第27卷以限制變形,以及壓力淬火和應(yīng)力釋放技術(shù)等。預(yù)防和控制零件的淬火變形,應(yīng)從零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做起,并改進(jìn)操作,采用新工藝來減小熱應(yīng)力,此外還應(yīng)加強(qiáng)工藝管理。下面是一些常用的預(yù)防變形措施:1)反向壓彎法:根據(jù)軸類零件的熱處理

20、變形規(guī)律,可在淬火前預(yù)加一個(gè)應(yīng)力,即在零件彎曲方向的反向壓彎,以補(bǔ)償淬火后所產(chǎn)生的彎曲變形,可減小校直工作量。適用于截面明顯不均勻,變形嚴(yán)重的零件。2)靜態(tài)淬火法:要求淬火冷卻液的溫度要均勻,并且是在淬火前剛被攪勻后的靜止?fàn)顟B(tài)。將零件用鉗子夾住,淬入冷卻液中。這種方法可比用鉛絲吊扎懸掛淬入變形量要小得多。3)零件設(shè)計(jì)均勻?qū)ΨQ:零件的截面形狀設(shè)計(jì)應(yīng)盡量均勻?qū)ΨQ,必要時(shí)可開工藝用槽。例如,鏜桿上有兩條對(duì)稱的槽,實(shí)際上只用一條,另一條就是為了減小熱處理變形而設(shè)計(jì)的8。4)采用專用淬火夾具淬火:如果零件截面是對(duì)稱的,在出爐后可套入專用夾具,然后以垂直方向淬入冷卻液。由于零件變形受到夾具的限制,一般都可

21、以控制在預(yù)留余量范圍以內(nèi)。5)利用埋入式鹽浴爐加熱:插入式鹽浴爐加熱,零件單面受熱快,容易產(chǎn)生彎曲變形,而埋入式鹽浴爐則溫度較均勻,而且節(jié)能,也可采用流動(dòng)粒子爐。6)直吊橫放:對(duì)于長零件淬火前后的存放,應(yīng)注意不使零件因自重而彎曲,最好采用架子直吊。長途運(yùn)輸時(shí),可采用多個(gè)塑料氣墊包,這樣不但能使零件自動(dòng)取得平衡,且有減震作用。7)淬火前消除應(yīng)力:用于重要的容易變形的零件,例如精密長絲桿等。淬火前進(jìn)行退火或正火以細(xì)化晶粒并使組織均勻化,減少內(nèi)應(yīng)力。淬火加熱時(shí)嚴(yán)格控制加熱溫度。淬火后及時(shí)回火以消除應(yīng)力。5 結(jié)束語總之,淬火變形是一個(gè)受諸多因素影響的系統(tǒng)問題。當(dāng)然以前認(rèn)為在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中導(dǎo)致零件變形的

22、主要原因在于淬火過程的觀點(diǎn)也是不全面的,應(yīng)該說淬火過程只是釋放了在各個(gè)加工環(huán)節(jié)(鑄造、車削加工、銑削、淬火、磨削)中積累在工件的畸變潛能9(載體有零件的幾何形狀、成分偏析分布、金相組織分布及殘余應(yīng)力的分布)。所以對(duì)零件變形控制的研究應(yīng)從系統(tǒng)導(dǎo)向著手,著重于對(duì)新型淬火介質(zhì)、淬火槽和淬火技術(shù)的研究。參考文獻(xiàn)1 G.E.Totten,/HeatTreatingin2020:WhataretheMostCriticalIssuesandWhatwilltheFutureLookLike?0J,HeattreatmentofMetals,2004,31(1):1-3.2 R.T.VonBergen,/T

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