热处理工艺、操作与变形关系

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10 4 月, 2023

一、预处理

淬火前通过对工件进行消除应力、改善组织的预备热处理，对减少淬火变形是非常有利的。预处理一般包括球化退火、消除应力退火，有些还采用调质或正火处理。

① 消除应力退火：在机械加工过程中，工件表层在加工方法、背吃刀量、切削速度等的影响下，会产生一定的残余应力，由于其分布的不均衡，导致了工件在淬火时产生了变形。为了消除这些应力的影响，淬火前将工件进行一次消除应力的退火是必要的。消除应力退火的温度一般为 500-700 ℃，在空气介质中加热时，为防止工件产生氧化脱碳可采用500-550 ℃进行退火，保温时间一般为2-3h。工件装炉时要注意可能因自重引起的变形，其他操作同一般退火操作。

② 以改善组织为目的的预热处理：这种预处理包括球化退火、调质及正火等。

——球化退火：球化球退火是碳素工具钢及合金工具钢在热处理过程中必不可少的工序，球化退火后所获得的组织对淬火变形趋势影响很大。所以可以通过调整退火后的组织来减少某些工件有规律的淬火变形。

——其他预处理：为减少淬火变形所采用的预处理方法有很多种，如调质处理、正火处理等。针对工件产生淬火变形的原因及工件所用材料，合理地选用正火、调质等预处理对减少淬火变形是有效的。但应对正火后引起的残余应力及硬度提高对机加工的不利影响应给予注意，同时调质处理对含W Mn 等钢可减少淬火时胀大，而对GCr15等钢种的减少变形作用不大。

在实际生产中要注意分清淬火变形产生的原因，即要分清淬火变形是由残余应力引起的还是由组织不佳引起的，只有这样才能对症处理。若是由残余应力引起的淬火变形则应进行消除应力退火而不用类似调质等改变组织的预处理，反之亦然。只有这样，才能达到减少淬火变形的目的，才能降低成本，保证质量。

以上各种预处理的具体操作同其他相应操作，此处不赘述。

二、淬火加热操作

① 淬火温度：淬火温度对工件的淬火变形影响很大。其影响淬火变形趋势的一般规律如图所示。根据图的所示曲线对淬火畸变的影响规律，我们可通过调整淬火温度来达到减少变形的目的，或将预留机械加工余量同淬火温度来达到减少变形的目的，或将预留机械加工余量同淬火温度经热处理试验后合理地选择、使用，从而达到减少后序加工余量。淬火温度对淬火变形的影响除与工件所用材料有关外，还与工件的尺寸、形状等有关。当工件形状和尺寸差异很大时，虽然工件使用材料一样，但淬火变形趋势却大不相同，操作者在实际生产中应注意这种情况。

② 淬火保温时间：保温时间的选择除了要保证工件透烧、淬火后达到要求的硬度或其他力学性能外，还要考虑它对淬火变形的影响。延升淬火保温时间，实际上就相应地提高了淬火温度。特别是对高碳高铬钢，这一影响尤显突出。

③ 装炉方法：工件在加热时摆放形式不合理，则会产生因工件自重而引起的变形或因工件之间相互挤压产生变形或因工件堆放过密造成加热及冷却不均而产生变形。

如某弹簧件，淬火时曾用垂直吊挂的方式在860±10℃的保护气氛加热炉中加热保温30min，保温后从炉中取出并将工件垂直淬入冷却油中，淬火后弹簧总长缩短了27mm，并且上下螺距因淬入淬火介质的时间差异而变形量也不一样。后改用弹簧套在心轴上，并水平吊挂装炉，其他操作过程同前，淬火后，其变形情况大为改观，螺距均匀，总长度收缩较小。

特别是细长的工件除不能以密堆横放的方式装炉外，在盐浴炉加热时，还应考虑到因加热介质翻滚使工件产生变形的可能。细长且重量较小的杆类工件装炉时，一般是将盐浴炉先升至稍高于淬火温度，断电后再将工件装入盐浴炉中，装炉时要稳，并且采用不通电的方式加热工件，从而达到减少工件的淬火变形的目的。

④ 加热方式：工件的形状复杂、厚薄悬殊较大时，特别是当其材料的含碳及合金元素较高时，其加热过程一定要缓慢均匀，应充分利用预热过程，一次预热不行的，采用二次、三次预热。对用预热方式仍不能解决变形的较大工件，还可采用装箱保护在箱式电阻炉中加热，加热时除限速升温外，还可增加等温过程，以便减少由于加热速度过快而产生的淬火变形。

三、冷却操作

淬火变形主要是来自冷却过程。合理的淬火介质、熟练的操作技能，冷却过程中的每一个环节都直接地影响着工件的淬火变形。

1、合理选择淬火介质：在保证工件经淬火后硬度达到设计要求的情况下，工件淬火时应尽可能地选用较缓和的淬火介质。如利用加热浴介质冷却（利用热浴介质冷却时可趁热对工件进行矫直）。尽可能用空冷淬火，以及用介于水、油冷速之间的淬火介质代替水油双介质淬火等。

——空冷淬火：空冷淬火对减少高速钢、铬型模具钢及空冷微变形钢的淬火变形是有效的。对淬火后硬度要求不高的3Cr2W8V钢，通过适当地调整淬火温度也可用空淬火来达到减少变形的目的。

——油冷淬火：油是一种比水的冷却速度小得多的淬火介质，但对那些具有较高淬透性且尺寸小、形状复杂的变形倾向大的工件来说，无疑人们仍会认为油的冷却速度偏高，而对尺不大但淬透性较差的工件，油的冷却速度却又显不足了。为了解决上述矛盾，充分利用油淬减少工件的淬火变形，人们采取了调节油温及提高淬火温度的方未能来扩大对油的利用。

——改变淬火用油的温度：利用淬火用同的油温来减少淬火变形尚存在以下问题，即油温偏低时，淬火变形仍很大，而油温偏高时又难以保证工件淬火后的硬度。某些工件在形状和材料的综合作用下，提高淬火用油的温度还可能会增加其变形。所以，根据工件材料、截面尺寸及形状等实际情况通过试验后再确定淬火用油的油温，这是非常必要的。

利用热油淬火时，为避免因淬火冷却引起油温过高而发生火灾，应在油槽附近配备必要的消防器材。此外还应定期检测淬火用油的质量指标，并及时补充或更换新油。

——提高淬火温度：此法适用于在正常淬火温度下加热保温后经油淬后达不到硬度要求的较小截面的碳素钢制工件及尺寸稍大的合金钢工件。通过适当地提高淬火温度后油淬，则达到即能淬硬又能减少变形的效果。利用这种方法淬火时要注意防止因提高淬火温度而可能引起晶粒粗化、降低工件的力学性能和使用寿命等问题。

——分级、等温淬火：在淬硬度能满足设计要求的情况下，应充分利用热浴介质的分级、等温淬火，来达到减少淬火变形的目的。这一方法对淬透性较低的、小截面碳素结构钢、工具钢同样有效，特别是淬透性较高的含铬模具钢、高速钢制工件，热浴介质分级、等温淬火冷却方法是这类钢的基本淬火方法。同样，对那些淬火硬度要求不高的碳素钢、低合金结构钢也是行之有效的。

在利用热浴淬火时，应注意以下问题：

第一、用油浴分级、等温淬火时，应对油温进行严格控制，防止火灾的发生。

第二、用硝盐分级淬火时，硝盐槽应配备必要的仪表及水冷装置，其他注意事项详见相关资料，此处不再赘述。

第三、等温淬火时要严格控制等温温度，温度偏高或偏低都不利于减少淬火变形。另外等温淬火时工件的吊挂方式要选择合量，防止因工件自重而引起的变形。

第四、利用等温或分级淬火趁热矫正工件形状时，工装夹具应配备齐全，操作时动作要迅速。防止对工件淬火质量产生不利影响。

2、冷却操作：冷却过程中操作的熟练程度对淬火变形的影响很大，特别是利用水、油等淬火介质时，操作熟练与否更为重要了。

——正确的淬入介质方向：一般来说，截面对称和细长杆类工件，垂直淬入淬火介质，截面不对称的工件可采用斜向淬入淬火介质。实际上正确的淬入淬火介质方向就是使工件各部分能均匀冷却的方向。将冷却慢的部分先淬入淬火介质，冷却快的部分后淬入淬火介质。在实际生产中要特别注意工件的形状对冷却速度的影响，工件表面积大的部分，并不意味着其冷却速度就大，特别是在该部分形状比较复杂时，由于冷却不均匀，很可能会导致冷却速度比表面积小的部分的冷却速度慢。所以如何选择进入淬火介质方向，应根据工件的形状具体掌握。工件淬入淬火介质方向对淬火变形的影响实例如图

——工件在淬火介质中的运动：冷却速度慢的部人应迎水运动。形状相对称的工件在水中运动路线要对称均匀，运动幅度要小且速度要快。对于细长薄片类工件淬入淬火介质时要稳，工件不应在淬火介质中摆动，这类工件最好不用铁丝捆绑淬火而用钳子夹持淬火。

——工件淬入淬火介质的速度：工件淬入淬火介质时的速度要快。特别是细长、筒类工件，如淬入淬火介质的速度慢，则会导致其弯曲变形增大以及会使筒类件先淬入淬火介质部分和后淬入淬火介质部分的变形量差异增大。

——采用加保护的冷却：截面尺寸差别较大的工件应将冷却速度快的部分用石棉绳、铁皮等物进行捆绑保护，借以降低该部分的冷却速度，从而使工件各部分冷却均匀。

——工件在水中的冷却时间：对于由组织应力为主引起变形的工件可缩短其在水中的冷却时间；而对于由热应力为主引起变形的工件则可适当延长其在水中的冷却时间，从而达到减少工件淬火变形的目的。

[出处 – 微信公众号粉末冶金及硬质合金展] 热处理工艺、操作与变形关系 https://mp.weixin.qq.com/s/XrrJbhC7cEY6HS37Ky9Yxg

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