工艺参数对热处理变形的影响
无论是常规热处理还是特殊热处理,都可能产生热处理变形,分析热处理工艺参数对热处理变形的影响时,最重要的是分析加热过程和冷却过程的影响。加热过程的主要参数是加热的均匀性、加热温度和加热速度。冷却过程的主要参数是冷却的均匀性和冷却速度。不均匀冷却对淬火变形的影响与工件截面形状不对称造成的不均匀冷却情况相同,本节主要讨论其它工艺参数的影响。
不均匀加热引起的变形---加热速度过快、加热环境的温度不均匀和加热操作不当均能引起工件的不均匀加热。加热的不均匀对细长工件或薄片件的变形影响十分显著。这里说的不均匀加热并不是指工件表面和心部在加热过程中不可避免的温度差,而是特指由于种种原因工件各部分存在的温度梯度的情况。为了减小不均匀加热引起的变形,对于形状复杂或导热性较差的高合金钢工件,应当缓慢加热或采用预热。但是应当指出,虽然快速加热能导致长轴类工件和薄片状板件变形度的增加;然而,对于体积变形为主的工件,快速加热往往又能起到减小变形的作用。这是因为当只有工件的工作部位需要沪淬火强化时,快速加热可使工件心部保持在温度较低强度较高的状态下,工作部分即能达到淬火温度。这样强度较高的心部就能阻止工件淬火冷却后产生较大变形。另外,快速加热可以采用较高的加热温度和较短的加热保温时间,从而可以减轻由于在高温阶段长时间停留因工件自重产生的变形。快速加热仅使工件表层和局部区域达到相变温度,相应地减小了淬火后的体积变化效应,这也有利于减小淬火变形。
加热温度对变形的影响---淬火加热温度通过改变淬火冷却时的温差,改变淬透性、Ms点和残余奥氏体的数量而对淬火变形发生影响。提高淬火加热温度,增加了残余奥氏体量,使Ms点降低,组织应力引起的变形减小,使套类工件的孔腔趋于缩小;但另一方面,淬火加热温度的提高了淬透性,增大了淬火冷却时的温差,提高了热应力,有使内孔胀大的倾向。实践证明,对于低碳钢制工件,若正常加热温度淬火后内孔收缩,提高淬火加热温度收缩的更大,为了减小收缩,要降低淬火加热温度;对于中碳合金钢制的工件,若正常加热温度淬火后内孔胀大,则提高淬火加热温度胀的更大,为了减小孔腔的胀大,也需降低淬火加热温度。对于Cr12型高合金模具钢,提高淬火加热温度,使残余奥氏体量增多,孔腔趋于缩小。
淬火冷却速度对变形的影响---一般来说,淬火冷却愈激烈,工件内外和不同部位(截面尺寸不同的部位)温差愈大,产生的内应力愈大,导致热处理变形增大。(150长*100宽*50高)的热模具钢制试样经不同冷却速度淬火回火的变形情况。三种介质的冷却速度以油冷最快,热浴冷却次之,空冷最慢。工件经三种不同冷速淬火后,其长度和宽度的变形皆倾向于收缩,变形量差别不大;但在厚度方向上冷速慢的空冷淬火和热浴淬火引起的变形则小得多,其变形胀大小于0.05％,而油淬发生收缩变形,其最大变形量达0.28％左右。然而,当冷却速度的改变使工件的相变发生变化时,冷却速度的增大却并不一定会引起变形的增大,有时反而会使变形减小。例如,当低碳合金钢淬火后由于心部含有大量铁素体而发生收缩时,增大淬火冷却速度心部得到更多的贝氏体可以有效的减小收缩变形。相反,若工件淬火后因心部获得马氏体而胀大时,减小冷却速度从而减小心部的马氏体相对量又能使胀大减小。淬火冷却速度对淬火变形的影响是一个复杂的问题,但原则是在保证要求的组织和性能的前题下,应尽量减小淬火冷却速度。
时效与冷处理对热处理变形的影响---对于精密零件和测量工具,为了在长期使用过程中,保持精度和尺寸稳定,往往需要进行冷处理和回火,以便使其组织更加稳定,因此,了解回火工艺和冷处理对工件在时效过程中的变形规律,对于提高这类工件的热处理质量有重要意义。冷处理使残余奥氏体转变为马氏体导致体积膨胀;低温回火和时效一方面促使∈-碳化物析出和马氏体分解使体积收缩,另一方面引起一定程度的应力松驰导致工件产生形状畸变。钢的化学成分,回火温度和时效温度是影响时效过程中工作变形的主要因素。
化学热处理工件的变形---化学热处理工件的表面和心部成分和组织不同,具有不同的比体积和不同的奥氏体等温转变曲线,因此,其热处理变形的特点和规律不同于一般工件。化学热处理工件的变形校正工作更难以进行。化学热处理可以分为两类:一类在高温奥氏体状态下进行渗碳,热处理过程中有相变发生,工件变形较大。另一类在低温铁素体状态下进行渗氮,热处理过程中除因渗入元素进入渗层形成新相外,不发生相变,工件变形较小。
渗碳工件的变形---渗碳工件通常用低碳钢和低碳合金钢制造,其原始组织为铁素体和少量珠光体,根据工件的服役要求,工件经过渗碳后需要进行直接淬火、缓冷重新加热淬火或二次淬火。渗碳工件在渗碳后缓冷和渗碳淬火过程中由于组织应力和热应力的作用而发生变形,其变形的大小和变形规律取决于渗碳钢的化学成分、渗碳层深度、工件的几何形状和尺寸以及渗碳和渗碳后的热处理工艺参数等因素。
工件按其长度、宽度、高度(厚度)的相对尺寸可以分为细长件、平面件和立方体件。细长件的长度远大于其横截面尺寸,平面件的长度和宽度远大于其高度(厚度),立方体三个方向的尺寸相差不大。最大热处理内应力一般总是产生在最大尺寸方向上。若将该方向称为主导应力方向,则低碳钢和低碳合金钢制造的工件,渗碳后缓冷或空冷心部形成铁素体和珠光体时,一般沿主导应力方向表现为收缩变形,收缩变形率约为0.08-0.14％。钢的合金元素含量增加、工件的截面尺寸减小时,变形率也随之减小,甚至出现胀大变形。
截面厚度差别较大形状不对称的细长杆件,渗碳空冷后易产生弯曲变形。弯曲变形的方向取决于材料。低碳钢渗碳工件冷却快的薄截面一侧多为凹面;而12CrN3A、18CrMnTi等合金元素较高的低碳合金钢渗碳工件,冷却快的薄截面一侧往往为凸面。
低碳钢和低碳合金钢制造的工件经过920-940C温度下渗碳后,渗碳层碳的质量分数增加至0.6-1.0％,渗碳层的高碳奥在体在空冷或缓冷时要过冷至Ar1以下(600C左右)才开始向珠光体转变,而心部的低碳奥氏体在900C左右即开始析出铁素体,剩余的奥氏体过冷至Ar1温度以下也发生共析分解转变为珠光体。从渗碳温度过冷至Ar1温度,共析成分的渗碳层未发生相变,高碳奥氏体只随着温度的降低而发生热收缩,与此同时,心部低碳奥氏体却因铁素体的析出比体积增大而发生膨胀,结果心部受压缩应力,渗碳层则受拉伸应力。由于心部发生γ->α转变时,相变应力的作用使其屈服强度降低,导致心部发生压缩变形。低碳合金钢强度较高,相同条件下心部的压缩塑性变形量较小。
形状不对称的渗碳工件空冷时,冷却快的一侧奥氏体线长度收缩量大于冷却慢的一侧,因而产生弯曲应力,当弯曲应力大于冷即慢的一侧的屈服强度时,则工件向冷却快的一侧弯曲。对于合金元素含量较高的低碳合金钢,渗碳后表层具有高碳合金钢的成分,空冷时冷却快的一侧发生相变,形成硬度较高、组织比体积较大的新相,而另一侧因冷即较慢形成的新相硬度较低,故出现相反的弯曲变形。
渗碳工件的淬火变形规律可以用相同的方法分折。渗碳件的淬火温度通常为800-820C,淬火时渗碳层的高碳奥氏体从渗火温度冷却至Ms点温度区间内将发生明显的热收缩;而同时心部低碳奥氏体转变为铁素体和珠光体、低碳贝氏体或低碳马氏体。不论转变为何种组织,心部都因组织比体积的增大而发生体积膨胀,结果在渗碳层与心部产生较大的内应力。一般来说,未淬透的情况下,由于心部的相变产物为屈服强度较低的铁素体和珠光体,因而心部在渗碳层热收缩压应力作用下,沿主导应力方向产生收缩变形;当心部的相变产物为强度较高的低碳贝氏体和低碳马氏体对,表层高碳奥氏体则在心部胀应力作用下产生塑性变形,结果主导应力方向而胀大。
随着渗碳钢碳含量和合金元素含量的增加,渗碳件淬火后心部硬度升高,主导应力方向胀大倾向增大。当心部硬度为28-32HRC时,渗碳工件的淬火变形很小。随着心部硬度的升高,胀大变形倾向增大。很明显,提高渗碳件的淬透性等凡导致渗碳工件心部硬度升高的因素,都会增大渗碳工件沿主导应力方向的胀大倾向。
渗氮工件的变形---渗氮能够有效地提高工件表面的硬度和抗疲劳性,并能在一定程度上改善其耐蚀性。渗氮温度较低,约为510-560C,钢铁材料在渗氮过程中,基本金属不发生相变,因此,渗氮工件变形较小。渗氮一般是热处理的最后一道工序,工件在渗氮之后,除了高精度的工件还要进行研磨加工外,一般不再进行其他机械加工,因此,渗氮被广泛用来处理要求硬度高而变形小的精密零件。尽管如此,渗氮工件仍会产生变形。由于氮原子的渗入,使渗氮层的比体积增大,因此,渗氮工件最常见的变形是工件表面产生膨胀,由于表面渗氮层的胀大受到心部的阻碍,表层受到压应力,心部受拉应力作用。内应力的大小受零件截面大小、渗氮钢的屈服强度、渗氮层氮浓度及渗氮层深度等因素的影响。当工件截面尺寸较小,截面形状不对称、炉温和渗氮不均匀时,渗氮工件也会产生尺寸变化或弯曲与翘曲变形等形状畸变。
轴类零件经过渗氮后其变形规律是外径胀大,长度伸长。径向胀大量通常随工件直径的增大而增艾,但最大胀大量不超过0.055mm。长度伸长量一般大于径向胀大量,其绝对值随轴的长度增大而增大,但不随轴的长度变化而成比例的变化。渗氮的套类工件的变形取决于壁厚,壁厚薄时,内外径都趋向于胀大,随着壁厚的增大,胀大量减小,壁厚足够大时,内径有缩小的趋势。
一般情况下,当工件的有效截面尺寸大于50mm时,渗氮处理的主要变形方式是表面膨胀。但随着工件横截面积的减小,当渗氮层的截面积与心部截面积之比大于0.05小于0.7时,除了表面膨胀外,还必须考虑内应力引起的变形,沿工件主导应力方向的变形量可以用经验公式近似予以估算:ΔL=η(Ν/Κ)％
ΔL----主导应力方向长度的增加;η----系数,取决于材料和渗氮工件横截面的形状;
Ν------渗氮层的横截面积;Κ----心部的横截面积。
常用渗氮钢的η值
工件横截面形状38CrMoALA40CrNiMo
圆形0.30.15
方形0.40.2
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