热处理变形控制及校正方法在实际生产中的应用

内容提要在热处理过程中，工件变形是一种不可避免的现象。变形量保持在一定的要求范围内不影响工件的使用，但变形过大、以至于超出公差要求范围则工件报废，不能使用，造成浪费。本文通过对多年实际操作经验的总结，从理论上阐述了工件热处理产生变形的原因，并联系生产实际，介绍了在热处理各个环节中产生变形的因素并极具针对性的介绍了控制各种产生变形的因素，诸如：分级淬火、等温淬火、预冷淬火等热处理控制变形方法及其他确实有效的变形控制方法。并以实际生产中的产品为例，对比证明了相关控制并减小热处理变形的方法。以及实际生产过程中，在产生较大变形的情况下，针对不同的产品特性所采取的校型方法。1、热处理变形产生的原理及危害工件淬火中引起的变形（宏观或微观）是操作中一种常见庛病，碳素钢薄板类工件在淬火前采用综合工艺可以在不同程度控制变形，对于模具钢、高速钢、量具钢可以结合分级淬火、等温淬火、预冷淬火减小变形量。热处理的各个环节，都存在导致产生变形的因素。物体的“热胀冷缩”是众所周知的一种现象，钢材同样也是如此，淬火时当高温工件放入淬火冷却剂时，遇冷工件必然会产生收缩。工件截面上各部分的冷却是有先后的，因此各部分发生收缩也就有了先后，工件表面先冷却、先发生收缩，工件中心后冷却，还没有发生收缩。这样表面的收缩就必然要受到中心部分的牵制。这种由于工件表里热胀冷缩的不一致（即有温差）而造成的内应力称热应力。钢在淬火冷却过程中还要发生奥氏体向马氏体组织的转变过程，由于奥氏体的比容较马氏体小得多，所以在奥氏体向马氏体转变的同时，也就伴随着发生体积的膨胀。由于工件截面上各部分的冷却速度不一致，因此发生组织的转变和体积的膨胀也就不一致。工件表面先冷到Ms点，先发生转变和膨胀，而此时中心部分却尚未（或正在）开始发生转变和膨胀，这样表面的体积必然要受到中心部分的约束。这种由于工件表里组织转变的不一致而造成的内应力称组织应力。对每一个淬火工件来讲，既有热应力，又有组织应力，问题在于这两种应力综合的结果如何。当这两种应力的综合结果超过了钢材的屈服强度（δs）时，则引起变形，当这两种内应力综合的结果超过了钢材的强度极限（δb）时，则将引起钢材发生开裂的危险。2、变形的控制方法2.1热处理过程中控制变形的方法2.1.1加热控制法2.1.1.1对于形状复杂的重要零件及薄板件或工具，可在加热淬火前进行一次或两次预热，这样可以减少工件表里的温差所造成的热应力。2.1.1.2在保证硬度的前提下选正常淬火温度下限和采用冷却能力较为缓慢的淬火冷却剂。2.1.1.3在可能条件下，最好采用分级淬火或等温淬火法。此外，预冷淬火和双液淬火法也是减小工件淬火应力和变形的一效方法。2.1.2冷却控制法对于厚薄不对称、孔洞不对称，存在直角、尖角、盲孔等，加热前可以局部绑扎或填堵孔洞，冷却时可采用局部预冷或分先后次序冷却的方法，还可以通过控制冷却温度，调节残余奥氏体量达到微变形的效果。2.1.3淬火操作控制方法2.1.3.1细长工件（钻头、长大铣刀、扣箱锥）或薄而平的工件应十分垂直地浸入，以防弯曲。2.1.3.2薄壁环状工件（如圆环、套圈）应轴向垂直浸入淬火冷却剂中。2.1.3.3厚薄不均的零件，要有选择地将零件的某一部位先预冷或先淬入介质中，以尽可能使零件整体各个方向上的冷却速度均匀。2.2热处理前控制变形的方法2.2.1消除应力控制法工件从毛坯制造开始，经多道工序后，存在复杂的加工应力，如果将较大的加工残余应力带入热处理的加热过程，零件热处理后产生的变形量，很可能会超过预留给热处理工序的加工余量。2.2.2装炉方式控制法细长轴、条状、薄板类零件，宜垂直吊挂在加热炉中加热（去应力、加热过程、淬火过程、回火过程）不宜在箱式炉中平放或斜放，齿轮经渗碳或碳氮共渗后的淬火，必须使用专用淬火压床或专用夹具，以防止产生翘曲变形。3、生产中应用控制变形方法的实例3.145#钢垫板380*260*5（mm）淬火变形的控制产品图纸见图3-1，采用多种热处理方式进行对比试验，具体工艺参数见表3-1。图3-145#钢垫板380*260*5（mm）表3-145#钢垫板380*260*5（mm）热处理工艺参数对比去应力设备温度时间预热（一次)加热设备/温度保温时间淬火介质停留时间淬火后硬度HRC变形量回火温度时间工艺标准㈠无无45千瓦箱式电阻炉920℃10分钟油33～370.4mm无工艺标准㈡无无45千瓦箱式电阻炉790℃10分钟盐水（静止）58～613mm340℃60分钟自设标准井式低温回火炉采用垂直吊挂650℃、30分钟缓冷300℃以下、空冷600℃20分钟中温盐浴炉840℃3分钟160℃硝盐3分钟取出后空冷48～500.3mm垂直吊挂200℃60分钟注：回火后用80～100℃的5～10%碳酸钠水溶液洗涤工件，时间为30分钟，然后在防锈槽浸入5分钟后取出。工艺标准㈠采用油淬，变形量能达到标准，但硬度不合格。工艺标准㈡采用亚温盐水淬，硬度能达到标准，但成扭曲变形，回火热校直所用时间30分钟，变形量为0.8mm，达不到标准、耗时、效率低。采用自设标准：变形量均小于0.3mm，硬度均匀，正好在HRC48～50之间，共18块垫板，交验100%合格，这种方法节约时间，提高效率，降低劳动强度，切实可行。3.265Mn样板体淬火变形的控制图3-265Mn样板体产品图纸见图3-2，采用多种热处理方式进行对比试验，具体工艺参数见表3-2。表3-265Mn热处理工艺参数对比去应力设备温度、时间预热（一次)加热设备温度保温时间淬火介质停留时间淬火后硬度HRC变形量回火温度时间工艺标准㈠无无45千瓦箱式电阻炉840℃10分钟油58～620.3mm无自设标准井式低温回火炉垂直吊挂650℃、30分钟缓冷300℃以下、空冷600℃20分钟中温盐浴炉800℃5分钟160℃硝盐分级淬火3分钟取出空冷50～550.3mm垂直吊挂200℃60分钟采用表3-2工艺标准（一）淬火后工件变形，由于65Mn材质淬火后校型困难，变形问题比较棘手。采用自设标准：因65Mn淬透性比碳钢高，脱碳倾向小，然而过热敏感性较大，锰又使Ac1、Ac3降低，所以加热温度，保温时间要注意，故中温盐温度改为800℃，保温5分钟，其余数据同表3-2。共20块供外样板体硬度、变形量均100%达到标准。3.3T10样板淬火变形的控制图3-3样板体产品图纸见图3-3，采用多种热处理方式进行对比试验，具体工艺参数见表3-3。表3-3T10样板热处理参数对比去应力设备、温度、时间预热加热设备温度保温时间淬火介质停留时间淬火后硬度HRC变形量260℃回火60分钟改进前无无45千瓦箱式电阻炉840℃15分钟160℃硝盐3分钟64～660.4～0.6mm63～65实验㈠井式回火炉垂直吊挂650℃30分钟缓冷300℃空冷600℃30分钟45千瓦箱式电阻炉820℃12分钟180℃硝盐3分钟62～650.2～0.4mm62～64实验㈡井式低温回火炉采用垂直吊挂650℃30分钟缓冷300℃空冷600℃30分钟45千瓦箱式电阻炉800℃炉内先加平垫板10分钟200℃硝盐2分钟60～62=0.3mm57～60采用实验(二)数据，生产共30种150块供外件(厚度相同)不同形状、不同尺寸的工件，一次交验145块合格，合格率97%对于碳素钢45#尺寸较大的薄板、65Mn、T10A形状复杂的样板体，其厚度10毫米以下，采用合理的分级淬火方法，均能达到所需标准。4、生产中应用校正变形方法的实例4.1淬火状态校直法4.1.1生产制造轨道起重机专用的深孔钻头尺寸：φ50*600(mm)，材质：W18Cr4V，技术要求：（63～65）HRC，变形量≤0.3mm。根据工件冷却到Ms点左右尚存在大量奥氏体、塑性好，易于变形的特点进行校直，W18Cr4Vr的Ms点为220℃，生产中采用300℃左右（工件从油中取出后冒白烟，但不着火为宜）必须手法熟练、动作迅速，根据零件大小适当掌握加压停留时间，并注意适当压反过去（0.1～0.2）mm以抵消回火后变形的恢复，校直过程要在100℃以上区域完成，校好后要吊挂，并及时回火。4.1.2木工机专用创刃尺寸：600*40*5（mm），材料：65Mn，技术要求：（50～60）HRC，变形量≤0.3mm。65Mn的Ms点为270℃，生产中采用油中冷却至200℃以上取出（冒烟）铁锤点击校正，要注意控制终校温度和手法的轻重，一般不低于60℃，否则易造成断裂，校直后320℃加压回火，利用回火过程中的塑性与应力松驰进行校直，效果好。4.2热点校直法45#钢A型扣箱锥、T10A长剪刃、18CrMnTi花键轴，利用氧、乙炔火焰等热源小面积加热零件弯曲处，同时加以一定压力或通过热胀冷缩作用将工件校直，其温度不得超过900℃根据材质水冷或油冷，校直后必须低温回火一次，合金钢热点前最好预热以防开裂。4.3回火余热校直法采用300℃以上温度回火工件，利用回火出炉热塑性加压校直，校直后工件继续空冷。如图4-1的上模镶块，材质45#钢，热处理后硬度要求（38～42）HRC。图4-1上模镶块表4-1上模镶块热处理工艺参数对比淬火温度保温时间淬火介质校正方法回火温度、时间工艺标准(820－830)℃6－φ13堵孔40～50分钟（没烧透）盐水热点校直(360～400)℃90～120分钟自设标准840℃60分钟预冷在6－φ13孔周围采用温水降温以达到整体冷速均匀防止开裂的目的回火后带温油压机380℃120分钟采用自设标准：校直前变形量1.5mm，硬度（54～56）HRC；校直后，变形量≤0.3mm，硬度（39～41）HRC。校直方法还有很多，应结合具体工件，采用合理方法，达到标准要求。结论：本文通过对在热处理工艺流程中各种对热处理产品产生变形的因素的分析，针对各因素特点，通过特定热处理手段及热处理前后的准备工作，控制热处理产品的变形量。控制方法如下：1、热处理控制方法：包括控制加热方式、控制冷却方法、控制热处理淬火过程中的操作方法三种控制方式。2、其他控制方法：包括热处理前的应力消除方法及装炉方式的控制。对于已经产生较大变形的产品，文中又针对典型工件，例举了典型的校直方法如下：1）淬火状态校直法2）热点校直法3）回火余温热校直法在整个热处理工序的生产过程中，不论工件复杂、特殊都应事前考虑可能发生的变形，针对不同情况，对变形加以控制和校正，达到最满意的标准，这也是热处理工作者长期追求的理想。