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钢的淬火缺陷及其防止措施1. 淬火工件的过热和过烧过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。
由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。
轻微的过热可用延长回火时间补救。
严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。
过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界局部熔化或者发生氧化的现象。
过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。
过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。
高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。
2. 淬火加热时的氧化和脱碳淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。
氧化使工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。
工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。
因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。
在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。
此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。
3. 淬火时形成的内应力有两种情况：①工作在加热或冷却时，引起的热应力。
②由于热处理过程中各部位冷速的差异引起的相变应力。
当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就开裂。
解决办法：①工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；②对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力；③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少冷却中热应力和相变应力。
但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。
钢件热处理容易变形的温度
钢件在热处理过程中容易发生变形的温度取决于钢的成分、形
状和热处理方法。
一般来说，钢件在固溶处理和淬火过程中容易发
生变形。
固溶处理是将钢加热至其临界温度以上，使合金元素溶解
在固溶体中，而淬火则是迅速冷却钢件以形成马氏体组织。
具体来说，碳钢的固溶处理温度通常在700°C至950°C之间，而合金钢的固溶处理温度可能会更高，取决于合金元素的种类和含量。
在这些温度下，钢件在加热和冷却过程中可能会发生形变，尤
其是对于复杂形状的零件。
为了减少变形，可以采取一些措施，例如采用适当的夹具和支
撑结构来固定钢件形状，控制加热和冷却速度，以及在热处理后进
行适当的调质处理来减轻应力和稳定尺寸。
总之，钢件在热处理过程中容易发生变形的温度取决于多种因素，需要根据具体材料和工艺条件来进行综合考虑和控制。
影响淬火热处理变形的淬火是将钢件加热到临界温度以上,保温适当的时间,然后以大于临界冷却速度冷却,获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺,它是强化钢材的最重要的热处理方法。
大量重要的机器零件及各类刀具、刃具、量具等都离不开淬火处理。
需要淬火的工件,经过加热后,便放到一定的淬火介质中快速冷却。
但冷却过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂。
由于淬火变形影响因素非常复杂，导致变形控制十分棘手。
而采用校直办法纠正变形或通过加大磨削加工余量，都会增加成本，因此研究钢件淬火热处理变形的影响因素，提出防止变形的措施是提高产品质量、延长零部件使用寿命、提高经济效益的重要课题。
零件热处理变形原因分析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,塑性则大大提高。
当应力超过屈服强度时,就会产生塑性变形,如果造成应力集中，并超过了材料的强度极限,就会使零件淬裂。
导热性很差的高碳合金钢,如合金模具钢Cr12MoV、高速钢W18Cr4V之类的工具钢，淬火加热温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。
此外,铸钢件和锻件毛坯,如果表层存在着一层脱碳层,由于表层和心部导热性能不同,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 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，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。
如何解决淬火变形和淬火裂纹的问题淬火的定义与目的将钢加热到临界点Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。
也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。
钢件在有物态变化的淬火介质中冷却时，其冷却过出一般分为以下三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾阶段、对流阶段。
钢的^透性淬硬性和淬透性是表征钢材接受淬火能力大小的两项性能指标，它们也是选材、用材的重要依据。
1.淬硬性与淬透性的概念淬硬性是钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。
决定钢淬硬性高低的主要因索是钢的含碳量，更确切地说是淬火加热时固溶在奥氏体中的含碳量，含碳量越离，钢的淬硬性也就越高。
而钢中合金元素对淬硬性的影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。
淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。
即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，它是钢材固有的一种属性。
淬透性实际上反映了钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的容易程度。
它主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关，或者说与钢的临界淬火冷却速度有关。
还应指出：必须把钢的淬透性和钢件在具体淬火条件下的有效淬硬深度区分开来。
钢的淬透性是钢材本身所固有的属性，它只取决于其本身的内部因素，而与外部因素无关；而钢的有效淬硬深度除取决于钢材的淬透性外，还与所采用的冷却介质、工件尺寸等外部因索有关，例如在同样奥氏体化的条件下，同一种钢的淬透性是相同的，但是水淬比油淬的有效淬硬深度大，小件比大件的有效淬硬深度大，这决不能说水淬比油淬的淬透性高。
也不能说小件比大件的淬透性高。
钢件热处理变形的原因总结
引起热处理变形的因素颇多，总括起来，基本上有三点：
1、固态相变时，各相质量体积的变化必然引起体积的变化，造成零件的胀与缩的尺寸变化；
2、热应力，包括急热热应力和急冷热应力，当它们超过零件在该温度下所具有的屈服极限时，将使零件产生塑性变形，造成零件的形状变化，即歪扭，或称为畸变；
3、组织应力也会引起形状的改变，即畸变。
一般说，淬火工件的变形总是由于以上的两种或三种因素综合作用的结果，但究竟哪一个因素对变形的影响较大，则需要具体情况作具体的分析。
总的来说，体积变化是由相变时比容的改变而引起的。
马氏体的质量体积比钢的其他组成相的质量体积要大，热处理时钢由其他组成相转化为马氏体时，必然引起体积的增加。
而奥氏体的质量体积要比钢的其他组织质量体积要小，在热处理时由其他组成相转变为奥氏体时，则引起体积的减小。
关于形状的变化，歪扭或称为畸变，主要是由于内应力或者外加应力作用的结果。
在加热、冷却过程中，因工件各个部位的温度有差别，相变在时间上有先后，有时发生的组织转变也不一致，而造成内应力。
这种内应力一旦超过了该温度下材料的屈服极限，就产生塑性变形，引起形状的改变。
此外工件内的冷加工残余应力在加热过程中的松弛，以及由于加热时受到较大的外加应力也会引起形状的变化。
在热处理时可能引起体积变化和形状变化的原因见下表。
表中“体积变化原因” 一栏未列入钢因热胀冷缩现象而产生的体积变化，钢由淬火加热温度到零下温度进行冷处理，均随温度的变化而有相应的体积变化，因热胀冷缩而引起的体积变化不均匀乃是热应力产生的原因，而且对变形有相当的影响。
热处理可能引起体积变化和形状变化的原因。
热处理变形产生的原因及控制方法学院：化学化工学院班级：09材料化学姓名：张怡群学号：090908050摘要：热处理变形是热处理过程中的主要缺陷之一，对于一些精密零件和工具、模具，常常会因为热处理变形超差而报废。
为此，本文对热处理变形产生的原因进行了阐述，并总结了减少和控制热处理变形的几种方法。
关键词：热处理变形、产生原因、控制方法前言：金属热处理是将金属工件在适当的温度下通过加热、保温和冷却等过程，使金属工件内部组织结构发生改变，从而改善材料力学、物理、化学性能的工艺。
热处理是改善金属工件性能的一种重要手段。
在工件制造中选取合适的材料后，为了达到工艺要求而经常采用热处理工艺，但是热处理除了具有积极作用外，在处理过程中也不可避免地会产生形变。
在实际生产中，热处理产生的变形，对后续工序的影响是至关重要的，有些贵重材料和一些机器中的重要零部件，因变形过大而导致报废。
钢件在热处理过程中由于钢中组织转变时比容变化所造成的体积膨胀，以及热处理所引起的塑性变形，使钢件体积及形状发生不同程度改变。
变形是热处理较难解决的问题，要完全不变形是不可能的，一般是把变形量控制在一定范围内。
正文：1热处理变形的原因在生产实际中，热处理变形的表现形式多种多样，有体积和尺寸的增大和收缩变形，也有弯曲、歪扭、翘曲等变形，就其产生的根源来说, 可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形两大类。
(1) 内应力塑性变形热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性, 都会产生内应力, 在一定塑性条件的配合下, 就会产生内应力塑性变形。
在加热和冷却过程中, 零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致,致使热胀冷缩的程度不同, 这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。
在加热和冷却过程中, 零件的内部组织转变而发生的时间不同, 这样产生的应力变形叫组织应力变形塑性变形。
(2) 比容变形在热处理过程中, 各种相结构的组织比容不同,在相变时发生的体积和尺寸变化为比容变形。
淬火后钢件变形趋势-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在钢件制造过程中，淬火是一种常见的热处理方法，通过快速冷却的方式改变钢件的组织结构和性能。
然而，在淬火过程中，钢件往往会出现一定程度的变形，这种变形现象对于钢件的质量和精度都会产生一定的影响。
因此，本文旨在探讨钢件在淬火后的变形趋势，分析变形的原因，并对影响钢件变形的因素进行讨论和展望，以期为钢件制造过程中的质量控制和工艺改进提供一定的参考和指导。
1.2 文章结构文章结构主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的。
在概述中介绍了淬火过程中钢件的重要性，以及淬火后引起的变形问题。
文章结构部分主要是本篇长文的结构安排，包括各个部分的内容和顺序。
目的部分则是说明本篇长文的写作目的和意义。
正文部分包括钢件淬火过程、变形原因分析和变形趋势探讨。
在钢件淬火过程中，我们将介绍钢件淬火的基本流程和影响因素。
变形原因分析部分将对钢件淬火后出现变形的原因进行详细的分析和讨论。
而在变形趋势探讨中，我们将对不同条件下钢件变形的趋势进行深入探讨和分析。
结论部分包括总结、影响因素和展望。
在总结中对文章的主要内容和结论进行总结归纳。
影响因素部分将进一步分析淬火后钢件变形的影响因素。
展望部分将展望未来对钢件淬火变形问题的研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在研究钢件在淬火后的变形趋势，探讨钢件在淬火过程中可能出现的变形原因，并对变形趋势进行分析。
通过本文的研究，我们旨在深入了解钢件淬火后的变形规律，为工程师和生产人员提供参考，从而有效降低钢件淬火过程中的变形率，提高产品的质量和生产效率。
同时，我们也希望为相关领域的学术研究提供实用的理论支持和指导，推动该领域的进步和发展。
2.正文2.1 钢件淬火过程:钢件淬火是一种重要的热处理工艺，通过对钢件进行急冷处理，使其获得高强度和硬度。
通常情况下，淬火包括加热、保温和冷却三个阶段。
首先是加热阶段，钢件被置于均热炉中进行升温。
热处理淬火工艺过程中产生的缺陷热处理淬火工艺过程中产生的缺陷热处理淬火工艺过程中产生的缺陷1:淬火畸变与淬火裂纹:热处理过程中淬火畸变是不可避免的现象,只有超过规定公差或产生无法矫正时才构成废品,通过适当选择材料,改进结够设计,合理选择淬火,回火方法及规范等可有效的减小与控制淬火畸变,可采用冷热效直,热点校直和加热回火等加以休正。
裂纹是不可补救的淬火缺陷,只有采取积极的预防措施,如减小和控制淬火应力方向分布,同时控制原材料质量和正确的结构设计等。
2:氧化-脱碳-过热-过烧零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护。
过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修。
过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品。
3:硬度不足淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含CR轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象,这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象。
4:软点淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于原始组织过于粗大不均匀,(如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体)淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品。
热处理常见缺陷#热处理缺陷在热处理工艺中淬火工序造成的废品率往往较高，这主要是在淬火过程中，同时形成较大的热应力与组织应力，此外，由于材料内在的冶金缺陷、选材不当、错料、设计上的结构工艺性差、冷、热加工过程中形成的缺陷等因素，均容易在淬火、回火工艺中暴露出来，因此对零部件淬火、回火后的缺陷必须进行系统的分折与调査。
淬火缺陷与预防钢件淬火时最常见的缺陷有淬火变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足或不均匀、表面腐蚀、过烧、过热及其他按质量检查标准规定金相组织不合格等。
1.淬火变形与淬火裂纹在实际生产中，应该根据淬火变形与淬火裂纹的形成原因采取有效的预防措施。
(1)尽量做到均匀加热及正确加热工件形状复杂或截面尺寸相差悬殊时，常因加热不均匀而变形。
为此，工件在装炉前，对不需淬硬的孔及截面突变处，应采用石棉绳堵塞或绑扎等办法，以改善其受热条件，对一些薄壁圆环等易变形零件，可设计特定淬火夹具。
这些措施既有利于加热均匀，又有利于冷却均匀。
工件在炉内加热时，应均匀放置，防止单面受热，应放平，避免工件在髙温塑性状态因自重而变形。
对细长零件及袖类零件尽量采用井式炉或盐炉垂直悬挂加热。
限制或降低加热速度，可减少工件截面温差，使加热均匀。
因此对大型锻模、髙速钢及高合金钢工件，以及形状复杂、厚薄不匀、要求变形小的零件，一般都采用预热加热或限制加热速度的措施。
合理选择淬火加热温度，也是减少或防止变形、开裂的关键。
选择下限淬火温度，减少工件与淬火介质的温差，可以降低淬火冷却高温阶段的冷却速度，从而可以减少淬火冷却时的热应力。
另外，也可防止晶粒粗大。
这样可以防止变形开裂。
有时为了调节淬火前后的体积变形量，也可适当提高淬火加热温度。
例如CrWMn、Cr12Mo等高碳合金钢，常利用调整加热温度，改变其马氏体转变点以改变残余奥氏体含量，以调节零件的体积变形。
(2)正确选择冷却方法和冷却介质的基本原则尽可能采用预冷，即在工件淬入淬火介质前，尽可能缓慢地冷却至Ar附近，以减少工件内温差。
钢件淬火的三个阶段详解淬火是将钢件加热到奥氏体区后，急速冷却在水中或油中，以获得马氏体组织，从而提高钢件硬度和强度的热处理工艺。
整个淬火过程可以分为三个阶段：1. 蒸汽膜阶段•现象：工件刚一浸入冷却介质（如水或油）时，其表面温度很高，迅速将周围的冷却介质加热汽化，并在工件表面形成一层蒸汽膜。
•特点：蒸汽膜导热性能极差，相当于给工件表面包裹了一层绝热层，使得工件的冷却速度非常缓慢。
•影响：这个阶段的冷却速度慢，可能导致工件表面出现过热组织，影响淬火效果。
2. 沸腾阶段•现象：随着工件温度的不断下降，蒸汽膜逐渐破裂，冷却介质开始与工件表面直接接触，并剧烈沸腾。
•特点：沸腾阶段是冷却速度最快的阶段，工件表面迅速冷却，奥氏体转变为马氏体。
•影响：这一阶段的冷却速度对淬火效果至关重要。
冷却速度过快，容易产生裂纹；冷却速度过慢，则不能获得足够的硬度。
3. 对流阶段•现象：当工件温度继续下降，冷却介质的沸腾逐渐减弱，最终转变为对流冷却。
•特点：对流阶段的冷却速度相对较慢，主要影响工件的内部组织。
•影响：对流阶段的冷却速度决定了淬火层深度和心部组织。
各阶段对淬火效果的影响•蒸汽膜阶段：时间越短越好，可以采用强烈的搅动或真空淬火等方法缩短这一阶段。
•沸腾阶段：冷却速度要适当，过快易产生裂纹，过慢则硬度不够。
•对流阶段：根据工件的尺寸和要求，控制冷却速度，以获得理想的组织。
影响淬火效果的因素•冷却介质：水的冷却速度快，油的冷却速度慢。
•冷却方式：喷雾冷却、连续冷却等方式会影响冷却速度。
•工件的化学成分：合金元素的种类和含量会影响淬火效果。
•工件的尺寸和形状：尺寸越大，形状越复杂，冷却不均匀性越大。
•预热温度：预热温度过高或过低都会影响淬火效果。
总结淬火的三个阶段是相互关联的，每个阶段对淬火效果都有重要影响。
通过控制冷却条件，可以获得不同性能的淬火组织，满足各种工件的性能要求。
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:TG 156.35 文献标识码:AControl of Distortion Due to Q uenching Process of Steel P artsCHE N Rui ,LUO X in-min(Department of Material Science ,Jiangsu University ,Zhenjiang 212013)Abstract :This paper summarizes the affects of distortion and distortion control in the quenching process of steel parts ;and it consists of the following four parts :the com posing of stress ,the analysis of distortion res ources ,the factors affecting quenching distortion and how to prevent and control distortion and cracking of quenching.K ey w ords :quenching stress ;distortion ;cooling uniformity ;quenching methods 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。
热处理变形原因的分析与变形控制技术措施摘要:模具在热处理中的变形可导致模具超差报废,因而探讨其变形规律在生产中具有重要意义。
关键词:模具热处理变形分析控制措施1 热处理变形原因的分析模具零件淬火时由于热应力与组织应力的综合作用引起尺寸和形状的偏差。
由于零件的几何形状、截面尺寸不同,在淬火加热与冷却过程中因加热与冷却速度的差异,就会引起了零件体积膨胀、收缩及变形等。
影响淬火变形的原因是多方面的,主要与钢的化学成分和原始组织、零件的几何形状、尺寸大小及热处理工艺等因素有关。
然而,采取有效的预防措施,改善与优化热处理工艺,致力将模具热处理变形严格控制在最小限度之内。
2 热处理变形的类型及特征2.1 类型热处理变形有尺寸变化和形状变化两大类。
尺寸变化是因淬火时发生膨胀或收缩使尺寸改变。
形状变化即本身发生的形状改变,因应力而发生变形,如弯曲、扭转等变形。
在生产实践中,尺寸变化与形状变化常常重叠出现。
2.1.1 尺寸变化是因热处理过程中组织发生变化而引起的膨胀、收缩的结果。
淬火时组织转变为马氏体则膨胀,若残余奥氏体量多则变为收缩。
冷处理时因残余奥氏体转变成马氏体又引起膨胀。
马氏体引起的体积膨胀随钢中碳含量增加而变大;其尺寸变化量亦随着增大。
淬火钢回火时马氏体发生分解,而引起收缩;收缩量随马氏体中c%的增多而增大,但若以淬火前的状态为基准,淬火回火后尺寸变化的总合,其结果仍是膨胀。
2.1.2 形状变化是因淬火钢内部的应力及加于外部的力量而引起的。
内部应力是因温度分布不均或因组织转变而引起的。
而外部的力主要是因自重而导致“下垂”。
加热温度越高、保温时间越长,这种因本身重量而引起的“下垂”变形更易发生。
工件加热时,因机械加工或常温加工所产生的残余应力,将发生形状变化。
即使是均匀加热,因钢的屈服点随温度上升而降低之故,此时只要有少许应力存在即发生变形。
因残余应力于外部周围较强。
当温度上升自外部进行时,变形于外部周围特别显著。
淬火热处理热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
正如有些人说，机械加工是外科，热处理就是内科，代表一个国家制造业的核心竞争力。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。
采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。
工艺分类金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。
根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。
淬火时，工件发生的变形有两类，一是翘曲变形，一是体积变形。
翘曲变形包括形状变形和扭曲变形。
扭曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当，或者淬火前经变形校正后没有定型处理，或者是由于工件冷却时工件各部位冷却不均匀所造成，这种变形可以针对具体情况分析解决。
1、引起各种变形的原因及其变化规律（1）由于淬火前后组织变化而引起的体积变形工件在淬火前的组织状态一般为珠光体型，即铁素体和渗碳体的混合组织，而淬火后为马氏体型组织。
由于这些组织体积不同，淬火前后将引起体积变化，从而产生变形。
这种变形只按比例使工件胀缩，但不改变形状。
淬火前后由此而引起的体积变化，可以计算求得。
（2）热应力引起的形状变形热应力引起的变形发生在钢件屈服强度较低，塑性较高，而表面冷却快，工件内外温差最大的高温区。
此时瞬时热应力是表面张应力，心部压应力，心部温度高，屈服强度比表面低很多，易于变形。
因此表现为在多向压应力作用下的变形，即立方体向呈球形方向变化。
由此导致尺寸较大的一方缩小，而尺寸较小的一方则胀大。
（3）组织应力引起的形状变形组织应力引起的变形也产生在早期组织应力最大时刻。
此时截面温度较大，心部温度较高，仍处于奥氏体状态，塑性较好，屈服强度较低。
瞬时组织应力是表面压应力，心部拉应力；其变形表现为心部在多向拉应力作用下的拉长。
由此导致的结果为在组织应力作用下，工件中尺寸较大的一方伸长，而尺寸较小的一方缩短。
2、影响淬火变形的因素（1）影响体积变形和形状变形的因素。
凡是影响淬火前后组织比体积变化的因素均影响体积变形。
（2）其他影响淬火变形的因素。
影响淬火变形的因素有两种，一种是夹杂物和带状组织对淬火变形的影响。
（3）淬火前残存应力及加热冷却不均匀对变形的影响。
淬火前工件内残余应力没有消除，淬火加热装炉不当，淬火冷却不当均引起工件的扭曲变形。
一，导致热处理变形的因素1，碳含量及其对热处理变化量的影响高碳钢屈服强度的升高,其变形量要小于中碳钢。
对碳素钢来说,在大多数情况下,以T7A钢的变形量为最小。
当碳的质量分数大于0.7％时,多趋向于缩小;但碳的质量分数小于0.7％时,内径、外径都趋向于膨胀。
碳素钢本身屈服强度相对较低,因而带有内孔(或型腔)类的碳素钢件,变形较大,内孔(或型腔)趋于胀大。
合金钢由于强度较高,Ms点较低,残余奥氏体量较多,故淬火变形较小,并主要表现为热应力型的变形,其钢件内孔(或型腔)趋于缩小。
因此,在与中碳钢同样条件下淬火时,高碳钢和高合金钢工件往往以内孔收缩为主。
2，合金元素对热处理变形的影响合金元素对工件热处理变形的影响主要反映在对钢的Ms点和淬透性的影响上。
大多数合金元素,例如,锰、铬、硅、镍、钼、硼等，使钢的Ms点下降,残余奥氏体量增多,减小了钢淬火时的比体积变化和组织应力,因此,减小了工件的淬火变形。
合金元素显著提高钢的淬透性,从而增大了钢的体积变形和组织应力,导致工件热处理变形倾向的增大。
此外,由于合金元素提高钢的淬透性,使临界淬火冷却速度降低,实际生产中,可以采用缓和的淬火介质淬火,从而降低了热应力,减小了工件的热处理变形。
硅对Ms点的影响不大,只对试样变形起缩小作用;钨和钒对淬透性和Ms点影响也不大,对工件热处理变形影响较小。
故工业上所谓微变形钢,均含有较多量的硅、钨、钒等合金元素。
3，原始组织和应力状态对热处理变形的影响工件淬火前的原始组织,例如,碳化物的形态、大小、数量及分布,合金元素的偏析,锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。
球状珠光体比片状珠光体比体积大,强度高,所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。
对于一些高碳合金工具钢,例如,9Mn2V、CrWMn和GCr15钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响,通常以2.5-5级球化组织为宜。
调质处理不仅使工件变形量的绝对值减小,并使工件的淬火变形更有规律,从而有利于对变形的控制。
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:TG 156.35 文献标识码:AControl of Distortion Due to Q uenching Process of Steel P artsCHE N Rui ,LUO X in-min(Department of Material Science ,Jiangsu University ,Zhenjiang 212013)Abstract :This paper summarizes the affects of distortion and distortion control in the quenching process of steel parts ;and it consists of the following four parts :the com posing of stress ,the analysis of distortion res ources ,the factors affecting quenching distortion and how to prevent and control distortion and cracking of quenching.K ey w ords :quenching stress ;distortion ;cooling uniformity ;quenching methods 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150～200亿美元。
其中零件变形成本占了整个制造成本的很大部分。
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卷第1期2006年2月热处理技术与装备RECH U LI J ISH U Y U ZH UANG BEI V ol.27,N o.1Feb ,2006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,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Cr12M oV, 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。
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3.2 钢的含碳量对零件变形的影响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-21M o式中:C,Mn,Ni,Cr和M o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-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5M o M f温度一般大约在Ms点215℃以下。
通常,当M f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(V r)取决于Ms和淬火介质的温度(Tq),K oistinen和Marhurger方程[4]:V r=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。
K unitake和Susigawa提出了一个关系式来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+M o/3+Ni/10+V/5+ (Si-0.5)/5+T i/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。
Ceq≤0.4:钢不易开裂;Ceq=0.4～0.7:钢较易开裂;Ceq≥0.7: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一表面润湿不均匀而导致冷却速率不均匀。
