对热处理过程中变形、开裂问题的探讨.doc

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1、对热处理过程中变形、开裂问题的探讨摘 要在热处理过程中变形与开裂是常见而又较难解决的问题 。对热处理变形的规律的复杂性我们还没有彻底的认识和掌握。论文分析了热处理变形、开裂的原因，影响变形的因素以及减小热处理变形、防止开裂的一系列技术措施。关键词：热处理；变形；开裂；热应力；组织应力目 录引言.1第一章 热处理变形、开裂的原因.21.1热应力及其引起的变形.21.2 组织应力及其引起的变形.2第二章 影响变形、开裂的因素.42.1原材料缺陷.42.2钢的化学成分.42.3钢的淬透性.42.4钢的原始组织.42.5工件的几何形状.4第三章 减小变形、防止开裂的措施.53.1正确的选择钢材.53.

2、2合理锻造及预先热处理.53.3合理设计工件的结构形状.53.3.1避免尖角、尖棱.53.3.2 避免厚薄悬殊.53.3.3 采用封闭、对称结构.53.3.4 采用组合结构.63.4 采用合理的热处理工艺.63.4.1采用一次或多次预热.63.4.2 采用分级淬火或等温淬火.63.5.1 长轴类零件，垂直淬入，上下移动.63.5采用正确的操作方法.63.6 合理安排工艺路线.73.9 修改技术条件.73.7预留合理的加工余量.73.8 按变形频率调节加工尺寸.7第四章 结论.9参考文献.10致谢.11引言变形是指零件在热处理时引起的形状和尺寸的偏差。变形是热处理较难解决的问题，要完全不变形是不

3、可能的，一般是把变形量控制在一定范围内。超过变形量时，只能用校正法校正。开裂是绝对要避免的，因为开裂零件无法挽救，只能报废，这既浪费了材料与加工费用，有影响了生产，给国家造成损失。因此，分析研究金属热处理变形、开裂的原因，掌握其规律性，并找出减小变形、防止开裂的技术措施，具有十分重要的意义。 第一章 热处理变形、开裂的原因工件的变形包括尺寸变化和形状变化两种。不论哪种变形，主要都是由于热处理时，工件内部产生的内应力所造成的根据内应力的形成原因不同，可分为热应力与组织应力。工件的变形就是这两种应力综合影响的结果，当应力大于材料的屈服极限时，就会发生永久变形，如果大于材料的强度 ，工件就会开裂。下

4、面对两种应力引起的变形分别加以研究。1.1 热应力及其引起的变形由于加热或冷却不均匀使零件表里存在温差因而造成热胀冷缩的不一致，由此而产生热应力。急冷热应力有两个特点：1是零件表面产生压力，心部产生热效应。2大型轴类零件心部的轴向参与拉应力特别大。对工件的影响：大型轴类零件如轧辊，因冷却后轴向参与拉应力很大，再加上心部往往存在气孔、夹杂、锻造裂纹等缺陷，故容易造成横向开裂。对于形状简单的小轴零件，新产生的表面压应力可提高其抗疲劳能力。实践证明，热应力引起工件变形的特点是和物体内部受到高的流体静压力作用的结果相似，它使平面变成凸面，直角变成钝角，长的方向变短，短的方向变长。一句话，使零件趋向球形

5、参看图1-1(a)所示。1.2 组织应力及其引起的变形由于奥氏体及其转变产物的比容不同以及工件的表面、心部各部分之间组织转变的时间不同所造成的内应力称为组织应力。奥氏体的比容最小、马氏体的比容最大，故钢淬火时发生体积膨胀，产生组织应力。组织应力有两个特点：1）工件表面受拉应力，心部受压应力。2）靠近表面层，切向拉应力大于轴向拉应力。组织应力引起工件变形的特点与热应力相反，使平面边凹，直角变锐角，长的方向变长，短的方向变短。一句话使尖角变得突出如图1-1(b)所示。特别指出的是，试样表面的切向拉应力很大，较大的切向拉应力往往是零件产生纵向裂纹的主要原因。淬火零件的变形时热应力和组织应力综合作用的

6、结果。如图1-1(c)所示除了内应力外，零件的变形还要原材料成分、工件的形状和介质冷却速度的影响，实际情况要复杂很多。因此在解决实际问题时，要全面分析，指出起主导作用的是热应力还是组织应力，以便判定变形的趋势或裂纹产生的可能性，并采取各种措施予以控制或防止。（a)热应力 （b)组织应力 （c)热应力+组织应力图1-1 不同应力作用下零件变形示意图第二章 影响变形、开裂的因素2.1 原材料缺陷 钢中的锁孔、白点以及冷加工留下的较深刀痕等都可能成为淬火裂纹的根源。原材料中碳化物偏析对淬火裂纹也有一定的影响，特别对高速钢，网状碳化物偏析易形成切口应力集中，工件易发生开裂，因此，必须必须严格控制原材料

7、的质量。2.2 钢的化学成分 主要是含碳量的影响。它通过对马氏体的比容，钢的Ms点以及残余奥氏体量等的影响而表达出来。低碳钢淬火后一般表现以热应力为主的变形特征。这是由于低碳马氏体的比容较小，组织应力就小，故热应力对变形起主导作用。中碳钢在全部淬透的情况下，总是表现为以组织应力为主的变形特征。这是由于马氏体的比容较低碳钢大马氏体点仍然相当高，故组织应力的作用大。在未淬透的情况下，随着淬硬层的减薄，组织应力引起的变形也逐渐减小。在个别情况下还可能出出现以热应力为主的变形特征。高碳钢在淬不透的情况下，以组织应力为主导作用。2.3 钢的淬透性淬火工种的变形与淬硬层深度有密切的关系。以T10钢长轴为例

8、，在完全淬透的情况下，它是以组织应力为主的变形，故淬火后其长度增加。如果直径大而未淬透，则其长度反而缩短。2.4 钢的原始组织实践证明，淬火前的原始组织对淬火变形有影响。例如，组织不均匀以及碳化物偏析，碳化物网的存在等均使变形量增加；粒状珠光体比片状珠光体淬火后的变形量要小。2.5 工件的几何形状在实际生产中，设计人员不仅要使零件的结构形状适合部件机构的的需要，而且要充分考虑 淬火零件的结构形状与热处理工艺性的关系。工件结构不合理会给热处理带来不便，以致引起淬火变形甚至开裂，而使零件报废。第三章 减小变形、防止开裂的措施3.1 正确的选择钢材对于形状复杂、截面尺寸相差悬殊的工件，最好选用高淬性

9、的合金钢。以便在缓冷介质中冷却时，能减小应力与变形。对形状复杂且精度要求较高的模具、量具等，可用微变形钢，用等温淬火或分级淬火来减小变形。3.2 合理锻造及预先热处理钢中白点、锁孔可能成为淬火裂纹的根源。原材料中碳化物偏析也易使工件发生开裂，因此，必须严格控制原材料的质量。淬火前的原始组织对淬火变形有很大的影响。尤其对高碳工具钢必须进行合理的锻造以消除网状碳化物及偏析，尽可能使其均匀分布。对变形要求较严格的工件，在加工过程中，要进行去应力退火。对形状复杂的零件淬火前进行退火、正火或调制处理，以减小或避免零件变形、开裂。3.3 合理设计工件的结构形状3.3.1 避免尖角、尖棱 零件尖角、尖棱 造

10、成淬火应力集中，往往会导致淬火裂纹，故要将尖角、棱角加工成圆角、倒角以避免开裂。3.3.2 避免厚薄悬殊 厚薄悬殊的零件因淬火冷却不均匀，所以变形、开裂倾向较大可采取开工艺孔、加厚零件太薄的部分、合理安排空洞位置或不通孔为通孔等方法。3.3.3 采用封闭、对称结构 开口或不对称结构的零件淬火时应力分布不均匀，已引起变形，应改为封闭结构或对称结构。封闭结构如图3-1（a）所示弹簧夹头，热处理后再切开槽口。如图3-1（b）为镗杆截面，要求氮化变形极小。原设计在镗杆一侧开槽，结果变形较大。后修改设计，在另一侧也开槽，使零件形状呈对称结构，结果减小了镗杆在热处理时的变形。（a）弹簧卡头 （b）镗杆截面

11、图3-13.3.4 采用组合结构 某些有淬裂倾向而各部分工件要求不同的零件或形状复杂的零件，可采用组合结构或镶拼结构，不仅减小热处理变形、防止开裂，而且方便于维修。3.4 采用合理的热处理工艺3.4.1 采用一次或多次预热为了减小热应力应缓慢加热以减小工件的温差，尤其对形状复杂或导热性的高合金钢制工件模具，采用一次或多次预热，可减小变形、防止开裂。此外，适当降低淬火温度或采用预冷淬火，都有利于减小变形。3.4.2采用分级淬火或等温淬火采用分级淬火或等温淬火，可同时减小热应力和组织应力，将变形降低到最小程度。分级淬火、等温淬火只适应与薄壁小件的生产。3.5 采用正确的操作方法长轴类零件，垂直淬入

12、，上下移动。 厚薄不均匀的零件，厚的部分先淬入淬火剂，对截面不均匀冷却的长形工件，可水平快速淬入或倾斜淬入淬火剂。 对薄壁环状工件，轴向垂直淬入。 对带有盲孔的工件，孔部朝上淬入，这样有利于孔内气泡的排除。同理，具有凹面的工件，应将凹面朝上淬入。对薄壁件，侧向淬入，在可能的条件下，工件的尖、薄处要进行预冷。另外，将某些孔用石棉堵死；薄壁部位用石棉绳包裹；在易变形的一侧绑加强筋进行淬火均能减小热处理变形、防止开裂。3.6 合理安排工艺路线图3-2是四五钢制齿轮，它有6个35mm孔靠近齿根。若先加工出这些孔再进行高频淬火，则齿部靠近35孔的节图将会变小，在高频淬火后再钻这6个孔，可减小变形，保证精

13、度。图3-2 45钢齿轮3.7 预留合理的加工余量工件进行热处理，加热冷却并伴随组织转变，必然产生热应力、组织应力，因此在零件加工过程中必须留有合理的加工余量，这样既可简化热处理操作，又不使随后机械加工时增加过大的工作量。3.8 按变形频率调节加工尺寸热处理变形，通过实验可以总结出规律。采用冷、热加工配合，调整加工尺寸，对于大批生产零件是一种行之有效的方法。如某厂生产的汽车变速箱齿轮，通过试验，掌握了渗碳淬火后的变形规律，采用改变加工尺寸，就能在热处理后达到精度要求。该齿轮要求键宽为mm，热处理变形规律为缩小0.05mm，因此，冷加工控制在mm，热处理后一般在mm，正好在技术要求范围内。3.9

14、 修改技术条件对于某些发生变形、开裂的零件，可以修改技术条件，以减小变形、开裂。如图3-3为锁紧螺母。原设计用45钢，要求四个槽口部分硬度在HRC3540。当槽口、内螺纹等全部加工后，再整体淬火、回火、槽口硬度可达到技术要求，但内螺纹变形，不能保证精度。如先热处理后再加工，则硬度又太高。通过修改技术条件和调整工艺路线可解决这些矛盾。其工艺路线如下：图3-3 锁紧螺母下料调质（HRC2530）加工槽口槽口高频淬火（HRC3540）加工内螺纹这样，既满足了槽口的硬度要求，又保证了螺纹的精度。此外，热处理时使用淬火家具，降低零件表面粗糙度，更换材料等，均可减小或避免零件的变形、开裂。第四章 结论重要

15、件关键件都要进行热处理。热处理工件就会发生变形，甚至开裂，因此提高产品质量，降低废品率，减小热处理变形、防止开裂是关键。减小热处理变形、防止开裂仅靠热处理工作者使不够的，要求设计人员充分考虑热处理工艺性。冷热加工要相互配合。在生产、设计过程中，综合分析，找出问题的关键，抓住主要矛盾，采取有效措施，就能明显减小热处理变形，避免开裂，达到提高产品质量，降低消耗，增加经济效益的目的。 参考文献1刘永栓.钢的热处理M.北京：冶金工艺出版社，19812史美堂.金属材料及热处理M.上海：上海科技出版社，19803王明贤.中级热处理工工艺学M.北京：机械工艺出版社，19884赵忠.金属材料及热处理M.北京：机械工艺出版社，1997