2022年钢件的淬火热处理变形与控制 .pdf

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1、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:TG156.35 文献标识码:AControlof DistortionDue to

2、 Quenching Process of Steel PartsCHEN Rui ,LUO Xin-min(Departmentof Material Science, JiangsuUniversity, Zhenjiang212013 )Abstract : Thispapersummarizes the affectsof distortionanddistortion controlin the quenchingprocessof steelparts; and it consistsof the following four parts: the com posingof str

3、ess, the analysisof distortion res ources,the factorsaffectingquenchingdistortionand howto preventandcontrol distortionand crackingof quenching.Key words :quenchingstress; distortion; coolinguniformity; quenchingmethods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150200亿美元 。其中零件变形成本占了整个制造成本的很

4、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

5、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

6、卷第1期2006年2月热处理技术与装备RECHULI JISHU YU ZHUANGBEIVol. 27 ,No. 1Feb,2006名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 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,

7、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

8、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

9、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

10、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 Cr12MoV ,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

11、 。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

12、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 。?91?第1期陈 锐等:钢件的淬火热处理变形与控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3. 2 钢的含碳量对零

13、件变形的影响Ms 点温度与淬裂有密切关系,淬裂大多发生在0. 4 %C以上 ,Ms点在 330以下的钢中。Ms 点温度随着碳含量增加而降低,导致淬火中残余奥氏体增加 。碳含量大于0. 5 %的钢2,碳含量对Ms 点温度的影响可以用Steven和 Haynes公式来估算:Ms = 561- 474C- 33Mn- 17Ni - 17Cr- 21Mo式中 :C ,Mn , Ni , Cr 和 Mo 分别表示合金元素的重量百分比 。这个公式适用于碳含量低于0. 5 %的情况 ,计算结果与实测值相比,可靠性达90%。该公式的另一个著名变型是Andrews公式3 :Ms = 539- 423C - 30

14、. 4Mn- 12. 1Cr - 17. 7Ni - 7. 5MoMf 温度一般大约在Ms 点 215 以下 。通常 ,当Mf 温度低于淬火温度时,马氏体转变就不充分。未转变的奥氏体体积(Vr) 取决于 Ms 和淬火介质的温度 (Tq),Koistinen和Marhurger方程4:Vr= exp - 1. 10 10- 2(Ms- Tq) 含碳量低时,淬火温度提高,热应力增加,抵消了部分组织应力的影响,淬火时马氏体转变量减少;含碳量高时,Ms降低 ,材料本身的屈服强度提高,塑性比中碳钢差,所以组织应力引起的变形量减小,热应力起主导作用。Kunitake和 Susigawa 提出了一个关系式来

15、表示碳含量和元素成分对钢淬火开裂倾向的复合影响。这里用碳当量(Ceq ) 来表示 ,计算公式为5:Ceq= C + Mn/ 5 + Cr/4 + Mo/ 3 + Ni/ 10 + V/ 5 +(Si - 0. 5) / 5 + Ti/ 5 + W/ 10 + Al/ 10其中 :元素符号代表百分比含量,Ceq值越大 ,钢开裂敏感性越高。Ceq0. 4 :钢不易开裂; Ceq= 0. 40. 7 :钢较易开裂 ;Ceq0. 7 :钢易于开裂 。3. 3 钢的原始组织对零件变形的影响零件淬火前后的原始组织、状况 ,例如球化是否均匀 、 是否有偏析和网状组织存在,对淬火后的变形 、 特别是对细长轴的

16、弯曲变形关系很大。零件材料的本质晶粒度越细,屈服强度越高,对变形的抗力越大 ,零件淬火后的变形量就相应减小。3. 4淬火介质的选择和控制对零件变形的影响一般认为 ,淬火介质300 时的冷却速度对变形的影响是关键的,应根据钢的淬透性、 零件截面尺寸和表面粗糙度,合理选用淬火介质。淬火介质的使用温度和冷却特性对变形影响很大。比如淬火油混入水 、 淬火油老化、 聚合物淬火介质腐败,都会影响淬火介质的冷却能力,从而引起变形。因此 ,有必要对淬火介质进行定期监测,保持其冷却性能稳定。3. 5冷却均匀性对零件变形的影响冷却不均匀也是导致淬火开裂的主要原因。淬火过程中,零件表面淬火介质不均匀的流场或者因为某

17、一表面润湿不均匀而导致冷却速率不均匀。如果某一平面的冷却速率较快而伸长,则称为 “凸变形”,冷却速率较慢之一侧的变形称为“凹变形”。图 1 例子中 ,轴向 (垂直 ) 的淬火介质流流经水平放着的圆棒,由于散热不均匀,变形出现在上表面 。搅拌使底部散热较快,上下表面之间形成较大的热梯度 。淬火强度是由搅拌决定的,搅拌设计不当是冷却不均匀的主要原因。淬火系统的设计与建立,应重视淬火槽的设计、 折流板的设计与分布以及搅拌器的安置 。图 2 中的搅拌系统说明了淬火介质在工件表面单方向流动对变形的影响5 。可通过减小介质流速至足够散热的程度,并将零件作机械式上下运动来?02?热处理技术与装备第27卷名师

18、资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 减少变形 。改善冷却均匀性仍然是优化变形控制和减少开裂的重要手段。计算机流体力学( CFD) 建模被日益广泛地用来检验和改善淬火槽内流场的均匀性。Totten 和 Lally报道了应用这种方法来说明槽内流场不均匀性的例子 。Garw ood等人也进行了类似且更为严格的工作,对工业生产应用的淬火系统进行了模型合理性论证 。Bogh用 CFD 分析法检验铝合金板周围不同部位水下喷射排放装置

19、的摆放对冷却均匀性的影响。Ferrari用气冷淬火系统的CFD分析法研究流场不均匀性的原因。研究结果表明:流场不均匀主要是由气室设计引起的,与气体种类、 总压降以及气体温度毫无关系 。CFD分析法还用来分析淬火槽内的流场,为新淬火系统的设计提供了革新的设计概念。各种设计的性能是由Taguchi 局部因子统计分析法来评估决定的 ,这个数据在工业生产淬火槽的设计中用来模拟流场 。3. 6淬火技术对零件变形的影响零件设计、材料选择以及淬火介质的选用都是控制钢件的开裂变形的重要因素。此外 ,可采用几种减小变形、 消除开裂的淬火技术。例如 :分级淬火 ,模压淬火 ,强烈淬火等等。强烈 淬 火 技 术 (

20、 IQ)6 是 1964 年 前 苏 联 的K obasko博士发现和提出的,并在独联体国家得到应用 ,近年来该技术在美国得到了重视和应用。强烈淬火技术是采用高速搅拌或高压喷淬使试件在马氏体转变区域进行快速而均匀的冷却,在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳,避免了常规淬火在马氏体转变区域进行快速冷却而产生畸变过大和开裂的问题7 。在强烈淬火过程中,高浓度聚合物水溶液淬火介质被用来在表面和心部形成更大的冷却梯度。K obasko用实验数据说明了确实存在一个临界冷却速率 ,超过该速率时,开裂可能性减少,如图 3 所示 。3. 7 淬火操作对零件变形的影响虽然可以期望通过消除所有的应力梯

21、度来减少开裂的可能性,但大多数情况是不可行的。通常采用改变淬入方法来减少开裂。图 4 中 ,P olyakov给出了带有复杂外形零件的淬入建议。P olyakov对这些零件的淬火规则包括6 :1) 零件浸入淬火介质时,应力梯度的外圆同时接触液体 ,容易产生淬火开裂。2) 零件浸入淬火介质时,应力梯度的外圆各处先后接触液体,可大大减少开裂的可能性。4预防和控制零件淬火变形的措施虽然校直可以大大降低变形量,但在校直的过程中会使高应力集中区扩展,并可能使工件表面和心部产生裂纹,且在随后的机加工过程中钢件有再次变形的趋向。目前 ,工业生产中有各种各样防止变形的方法,如用淬火工装来支持工件的某些部位?1

22、2?第1期陈 锐等:钢件的淬火热处理变形与控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 以限制变形,以及压力淬火和应力释放技术等。预防和控制零件的淬火变形,应从零件结构设计做起,并改进操作,采用新工艺来减小热应力,此外还应加强工艺管理 。下面是一些常用的预防变形措施:1)反向压弯法:根据轴类零件的热处理变形规律 ,可在淬火前预加一个应力,即在零件弯曲方向的反向压弯,以补偿淬火后所产生的弯曲变形,可减小校直工作量。适用于截面

23、明显不均匀,变形严重的零件 。2) 静态淬火法:要求淬火冷却液的温度要均匀,并且是在淬火前刚被搅匀后的静止状态。将零件用钳子夹住 ,淬入冷却液中。这种方法可比用铅丝吊扎悬挂淬入变形量要小得多。3)零件设计均匀对称:零件的截面形状设计应尽量均匀对称,必要时可开工艺用槽。例如,镗杆上有两条对称的槽,实际上只用一条,另一条就是为了减小热处理变形而设计的8。4)采用专用淬火夹具淬火:如果零件截面是对称的,在出炉后可套入专用夹具,然后以垂直方向淬入冷却液 。由于零件变形受到夹具的限制,一般都可以控制在预留余量范围以内。5)利用埋入式盐浴炉加热:插入式盐浴炉加热,零件单面受热快,容易产生弯曲变形,而埋入式

24、盐浴炉则温度较均匀,而且节能 ,也可采用流动粒子炉。6)直吊横放 :对于长零件淬火前后的存放,应注意不使零件因自重而弯曲,最好采用架子直吊。长途运输时,可采用多个塑料气垫包,这样不但能使零件自动取得平衡,且有减震作用。7)淬火前消除应力:用于重要的容易变形的零件 ,例如精密长丝杆等。淬火前进行退火或正火以细化晶粒并使组织均匀化,减少内应力。淬火加热时严格控制加热温度。淬火后及时回火以消除应力 。5 结束语总之 ,淬火变形是一个受诸多因素影响的系统问题 。当然以前认为在产品生产过程中导致零件变形的主要原因在于淬火过程的观点也是不全面的,应该说淬火过程只是释放了在各个加工环节(铸造 、车削加工 、

25、 铣削 、 淬火 、 磨削 ) 中积累在工件的畸变潜能9 (载体有零件的几何形状、 成分偏析分布、 金相组织分布及残余应力的分布) 。所以对零件变形控制的研究应从系统导向着手,着重于对新型淬火介质 、 淬火槽和淬火技术的研究。参考文献1 G. E.Totten ,“Heat Treating in 2020: What are the MostCritical Issues and What will the Future Look Like ?”J ,Heat treatment of Metals , 2004 ,31(1) :1 - 3.2 R. T. Von Bergen ,“The

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27、ench Cracks”J , in Heat Treating -Proceedingsof the 20th Conference ,Eds. K. Funataniand G. E. Totten ,October , 2000 , ASM In2ternational , Materials Park, OH ,2000 ,2 (9 - 12) :701 - 707.4 D. P. Koistinen and R. E. Marburger ,“A General EquationPrescribing the Extent of the Austenite - Martensite

28、Transfor2mation in Pure Iron - Carbon Alloys and Plain Carbon Steels”J , Acta. Metal , 1959 ,7:59 - 60.5 P. Stolar.P.Jurci , and F. Klima ,“Theeffect of Oil Quench2ing ParametersDistortion of Gear Wheels”J , Conf.Pro2ceed. 3rd International Conference on Quenching and C ontrolof Distortion , ASM Int

29、ernational , Materials OH ,1999:425 -431. 6 N. I.Kobasko, M. A.Arpnov ,G. E.Totten , A. V.Sverdlin ,“Method and Equipment for Implementation of In2tensive Quenching”,ASM International , Materials Park, OH ,1998 :616 - 621.7 陈乃录.淬火冷却技术研究进展J .热处理. 2004 , 19(3) : 17 - 22.8 姚禄年.钢热处理变形的控制M.北京:机械工业出版社. 1987(10) : 38 - 40.9 Klaus - Dieter Thoben, Dieter Klein ,“Distortion Engineer2ing”J .金属热处理. 2004 , 29 (11) : 43 - 50.?22?热处理技术与装备第27卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -