钢件的淬火热处理变形与控制

收稿日期:2005-10-20

作者简介:陈锐(1979-),男,硕士研究生,从事金属材料及热处理研究.

文章编号:1673

-4971(2006)01-0018-05

钢件的淬火热处理变形与控制

陈　锐,罗新民

(江苏大学材料学院,江苏　镇江　212013)

摘　要:综述了钢件热处理变形的影响因素与预防、控制变形的方法。包括四个部分:热处理内应力的组成;热处理变形原因分析;影响热处理变形的因素以及如何预防与控制淬火变形和开裂。

关键词:淬火应力;变形;冷却均匀性;淬火方法中图分类号:TG 156.35 文献标识码:A

Control of Distortion Due to Q uenching Process of Steel P arts

CHE N Rui ,LUO X in-min

(Department of Material Science ,Jiangsu University ,Zhenjiang 212013)

Abstract :This paper summarizes the affects of distortion and distortion control in the quenching process of steel parts ;and it consists of the following four parts :the com posing of stress ,the analysis of distortion res ources ,the factors affecting quenching distortion and how to prevent and control distortion and cracking of quenching.K ey w ords :quenching stress ;distortion ;cooling uniformity ;quenching methods

在汽车、公路、铁路和航空等工业中,热处理都是极为关键的制造技术。美国热处理工业一年的交易额就高达150～200亿美元。其中零件变形成本占了整个制造成本的很大部分。在欧洲,由于变形引起的成本占到了4%以上。消耗在校直工序和特殊工装的成本往往达到热处理总成本的20%～25%,仅在轴承工业,每年变形带来的附加成本估计就超过10亿美元。美国金属学会向能源部提交的国际研发计划中,提出的目标之一就是“努力达到热处理

零件的零变形和最大限度的均匀性”[1]

。

多年来,国内外热处理工作者在研究钢件热处理变形成因、规律及预防控制变形措施等方面取得了许多理论成果,积累了丰富的实践经验。但由于淬火变形影响因素非常复杂,导致变形控制十分棘手。而采用校直方法纠正变形或加大磨削加工余量,都会增加成本,因此研究钢件淬火变形成因、影

响规律,并提出防止措施是提高产品质量、延长零部件使用寿命、提高经济效益的重要课题。1　热处理变形与内应力

所谓热处理变形是指零件经热处理后其变形量超过了图样公差要求的一种物理现象。最容易造成变形的是淬火过程,因为淬火过程中加热温度高,组织比容变化大,冷却激烈等导致变形的因素较多。由于冷却过程的复杂性和具有瞬间完成的特点,加之测量仪器和研究手段的局限,使其研究和控制水平始终滞后于热处理的加热过程。1.1　热处理变形与开裂

一种变形是零件加热时由于自身重量而产生的尺寸变化,称为形状畸变,比如弯曲、翘曲、扭曲等。另一种是尺寸变形,包括可以观察到的如伸长、收缩、变厚和变薄等尺寸变化。尺寸变形是由于相变

第27卷第1期2006年2月

热处理技术与装备

RECH U LI J ISH U Y U ZH UANG BEI V ol.27,N o.1

Feb ,2006

时体积变化引起的。尺寸变形分为一维,二维和三维变形。

淬火开裂的主要原因是冷却过快而产生很大的热应力及相变应力。在马氏体转变过程中,开裂是由于形成马氏体的体积膨胀引起的。出现开裂必定存在着应力梯度,即应力集中。常见的应力梯度有两种:一种是几何缺口,包括刀痕、尖角、沟槽、孔穴以及截面突变处。另一种是材料中的隘口,包括晶间影响,碳化物偏析以及杂质聚合体。

1.2　热处理内应力与热处理变形

一般来说,变形是由热处理内应力引起的,因此防止变形的关键就在于控制工件中的应力分布。热处理过程中形成的内应力是不断变化着的瞬时应力,其大小、方向和分布状态随着温度的变化和组织转变的进程而不断地改变。零件中的内应力可以通过消除应力处理来消除。即把零件加热到550℃左右,保持一定时间,这时材料在塑性状态下,应力使零件“复苏”而变形,从而应力也基本上得到消除(处于新的平衡状态)。消除应力处理温度越高、材料塑性越好,消除应力效果也越好。应该注意,消除应力处理的后期阶段必须均匀地冷却到250℃以下,否则仍有可能产生新的应力,最好是随炉缓冷。

1.3　热处理内应力的组成

零件由高温(830℃)到低温(180℃),即由膨胀状态迅速冷却到冷缩状态时所产生的内应力,称为热应力。热应力大于零件材料的弹性极限,因此零件变形是难以避免的。热应力是温度梯度的函数,它取决于加热温度、加热速度、零件截面厚薄的差异程度、材料的散热率(散热率=钢的热导率/密度)、比热和膨胀系数以及加热、冷却的均匀性等。

造成零件变形的热处理内应力还有组织应力。所谓组织应力,是在淬火冷却过程中,零件从奥氏体转变为马氏体,由于奥氏体比容较马氏体小,故组织转变时发生体积膨胀,这种由于组织转变引起的比容变化以及组织转变的不等时性所造成的应力,称为组织应力。组织应力取决于马氏体转变温度、马氏体的正方性和残余奥氏体量。此外,钢的淬透性、钢的原始组织、淬火温度以及冷却速度也是影响组织应力的重要因素。理清内应力的起因及其变化规律对于控制消除变形开裂有重要意义。

2　热处理变形原因分析

2.1　热应力引起的变形

钢件在加热和冷却过程中,将发生热胀冷缩的体积变化以及因组织转变时新旧相比容差而产生的体积改变。

零件加热到淬火温度时,屈服强度明显降低,塑性则大为提高。当应力超过屈服强度时,就会产生塑性变形,也就是永久变形。如果应力集中到零件的某一部位,并超过了材料的强度极限,就会造成零件的淬裂。导热性差的高碳合金钢,如Cr12M oV, Cr12M o,W18Cr4V之类的工具纲,如不采用多次预热或缓慢加热,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。零件必须先经过预热再逐步加热到高温。此外,铸钢件和锻件毛坯,如果表层存在着一层脱碳层(导热性较好),由于导热性能不同,在淬火加热较快时,也会产生热应力而引起变形。冷却时由于温差大,热应力是造成零件变形的主要原因。

2.2　组织应力引起的变形

体积的变化往往与加热和冷却有关,因为它和钢的膨胀系数相关。比容的变化导致零件尺寸和形状的变化。组织应力的产生起源于体积的收缩和膨胀。没有体积的膨胀,就没有组织转变的不等时性,也就没有组织应力引起的变形。

导致热处理变形的内应力是热应力和组织应力共同作用形成的复合应力。热应力和组织应力综合作用的结果是不定的,可能因冷却条件及淬火温度的不同而产生不同情况。淬火应力是由急冷急热应力及由组织转变不同时所引起的应力综合构成的。

3　影响淬火热处理变形的因素

影响淬火变形的因素有很多,包括钢的含碳量、零件尺寸和形状、淬火介质的温度和压力、淬火工艺(冷或热空气/水喷、压模淬火、高压气流等)、淬火冷却设备和搅拌装置,以及零件周围淬火介质的流速、流场分布等。此外,奥氏体化过程中零件在热处理炉内的放置方式、加热炉炉温均匀性以及出炉时的机械输送等,都会对变形产生一定的影响。

3.1　钢的淬透性对零件变形的影响

钢的淬透性表征在规定条件下的淬硬深度和硬度分布的特征。当心部未淬透时,变形情况是趋向于长度缩短,内外径尺寸缩小。当全部淬透时,则趋向于长度伸长,内外径尺寸胀大。因为当整个截面全部淬透时,组织转变的应力总和大,对变形影响较大。

・

9

1

・

第1期陈　锐等:钢件的淬火热处理变形与控制