熱處理變形會使工件前期加工獲得的精度受到嚴重損失,這些損失有時甚至通過復雜、先進的修形技術(磨齒、校直等)也難以恢復。這將直接影響工件的精度、強度、運轉時的噪音、振動、傳輸功率損失和使用壽命等。這樣即使我們擁有世界上最先進的機床、磨床,也很難加工出高精度、高附加值的產品。
為了減少和控制熱處理變形,提高市場競爭力,一些先進國家專門設有專題基金,減少和控制熱處理變形,由此可見解決熱處理變形的重要性。
1、熱處理變形產生的原因
減少和控制工件的熱處理變形是材料和熱處理工作者最為關注的難題,迄今為止人們還難于提出一個定量化、完整的可以預示工件熱處理畸變的數學模型。
學者們普遍認為,工件熱處理變形的影響因素涉及到工件的設計、原材料以及加工整個過程中的諸多環節。眾多專業人士認為,在加工中全面綜合考慮固然重要,但影響熱處理變形最主要的矛盾還是熱處理工藝溫度及冷卻速度的合理控制。
下表列舉了3種不同溫度的典型熱處理工藝對變形的影響,冷卻劑為機械油(N32)。
工藝類別 |
工藝溫度(℃) |
應用領域 |
精度損失 (級) |
適用滲層 (mm) |
滲速 (mm/h) |
滲碳 |
920±10 |
一般零件 |
2 ~ 3 |
≥ 0.50 |
0.18 |
碳氮共滲 |
870±10 |
機床等 |
1 ~ 2 |
≤ 0.80 |
0.15 |
氮化及軟氮化 |
570±10 |
航空、航天及國防 |
≤ 1 |
≤ 0.30 |
0.01 |
從表中可看出,隨著熱處理工藝溫度的降低,工件熱處理后由變形引起的精度損失由2-3級降低到了1級以下,其意義遠遠超過后期的磨齒、校直等修形技術。
工件在900℃以上的強度很低;雖然熱處理設備愈來愈先進,但工件在加熱、冷卻時各部位的溫度變化也很難完全一致;工件在加熱、冷卻時各部位溫度變化的不同時性,會引起工件熱應力和組織應力的變化。當熱應力、組織應力或兩者之合,大于該瞬間溫度下工件某部位的塑性抗力時,就會在這一部位發生不可逆的變形——熱處理變形。
2、溫度的影響
2.1如果工藝溫度降低,工件的高溫強度損失減少,塑性抗力增強。這樣工件的抗應力變形、抗高溫蠕變(工件因自重或受壓而產生變形,大件、薄壁件更顯著)的綜合能力就會增強,變形會減少。
2.2如果工藝溫度降低,工件加熱、冷卻時各部位溫度不一致性也會減少,導致的熱應力和組織應力也相對減少,這樣變形就會減少。
2.3 熱處理加熱時間縮短,工件的高溫蠕變時間減少,變形也會減少。
3、降低熱處理溫度的方法
降低工藝溫度、提高滲碳或碳氮共滲速度,幾十年來一直是國內外熱處理界人士孜孜以求的理想目標,但由于基礎技術條件的限制和傳統熱處理理論的束縛,多年來大家一直很難突破。
目前一種新的碳氮共滲技術已在工藝溫度降低的條件下實現快速滲碳或碳氮共滲,以碳氮共滲代替滲碳,它同時還有節能、環保,高效率、高效益等優點。
4、影響熱處理變形主要因素是熱處理工藝溫度
4.1工藝溫降低后工件的高溫強度損失相對減少,塑性抗力增強。這樣工件的抗應力變形、抗淬火變形、抗高溫蠕變的綜合能力增強,變形就會減少。
4.2工藝溫度降低后,工件加熱、冷卻的溫度區間減小,由此而引起的各部位溫度不一致性也會降低,由此而導致的熱應力和組織應力也相對減小,這樣變形就會減少。
4.3 工藝溫降低、熱處理工藝時間縮短,則工件的高溫蠕變時間減少,變形也會減少。
4.4為了保證工件的最終精度,一種較為理想的方法是找到工件的熱處理變形規律,在加工時預留出一定的變形量,使工件在共滲淬火后的尺寸遷移到所要求的范圍內。這就要求工件變形具有良好的一致性,即同爐次工件之間、不同爐次的工件之間的變形規律和變形范圍接近一致。
4.5雖然熱處理變形很難控制,但通過降低工藝溫度、控制工件的前期熱處理條件和對工件的淬火條件進行嚴格控制后會得到較好的效果。
5、冷卻速度及方法決定零件變形量的關鍵
5.1選擇冷速合理的淬火介質能有效地減小變形量。
5.2選擇高溫(400℃以上)快速冷卻,在350℃以下慢冷的方法,效果最佳;如:一些鹽浴、堿浴及有機淬火劑等。
5.3壓力淬火法。
5.4預冷淬火法。
5.5分級淬火法。