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熱處理變形問題的解決辦法

本文基于熱處理變形的機理及其影響因素,淺談熱處理變形的預防控制及后期的機加工補救方法。


一,導致熱處理變形的因素

1,碳含量及其對熱處理變化量的影響

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,在大多數情況下,以T7A鋼的變形量為最小。當碳的質量分數大于0.7%時,多趨向于縮小;但碳的質量分數小于0.7%時,內徑、外徑都趨向于膨脹。

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。

2,合金元素對熱處理變形的影響
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。大多數合金元素,例如,錳、鉻、硅、鎳、鉬、硼等,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。故工業上所謂微變形鋼,均含有較多量的硅、鎢、釩等合金元素。

3,原始組織和應力狀態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、大小、數量及分布,合金元素的偏析,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,碳化物的形態和分布對淬火變形的影響尤為顯著。

總之,工件的原始組織愈均勻,熱處理變形愈小,變形愈有規律,愈易于控制。

4,淬火前工件本身的應力狀態對變形有重要影響
特別是形狀復雜,經過大進給量切削加工的工件,其殘余應力若未經消除,對淬火變形有很大影響。

5,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。

6,工藝參數對熱處理變形的影響
無論是常規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影響。加熱過程的主要參數是加熱的均勻性、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,本節主要討論其它工藝參數的影響。

二,熱處理變形的預防與控制方法

1) 反向壓彎法:根據軸類零件的熱處理變形規律,可在淬火前預加一個應力,即在零件彎曲方向的反向壓彎,以補償淬火后所產生的彎曲變形,可減小校直工作量。適用于截面明顯不均勻,變形嚴重的零件。

2) 靜態淬火法: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狀態。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) 零件設計均勻對稱:零件的截面形狀設計應盡量均勻對稱,必要時可開工藝用槽。例如,鏜桿上有兩條對稱的槽,實際上只用一條,另一條就是為了減小熱處理變形而設計的。

4)采用專用淬火夾具淬火:如果零件截面是對稱的,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,一般都可以控制在預留余量范圍以內。

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,容易產生彎曲變形,而埋入式鹽浴爐則溫度較均勻,而且節能,也可采用流動粒子爐。

6)直吊橫放:對于長零件淬火前后的存放,應注意不使零件因自重而彎曲,最好采用架子直吊。長途運輸時,可采用多個塑料氣墊包,這樣不但能使零件自動取得平衡,且有減震作用。

7)淬火前消除應力:用于重要的容易變形的零件,例如精密長絲桿等。淬火前進行退火或正火以細化晶粒并使組織均勻化,減少內應力。淬火加熱時嚴格控制加熱溫度。

三,熱處理變形的機加工糾正方法。

以滲碳淬火齒輪軸為例,在滲碳前和淬火后的加工余量按標準很大,直接磨齒即不經濟又不方便,硬度大,有什么方法直接加工呢?

采用非金屬粘合劑HLCBN刀具BN-S20牌號可對淬硬工件,進行大余量一次走刀加工完成,BN-S20牌號超硬刀具能夠大余量切除淬硬層,替代大余量粗磨加工,可省去退火后再進行二次淬火的傳統加工方法,節約了加工費用和相應的工序成本,并大幅度提高生產效率。

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