减少热处理变形的方法
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热处理变形会使工件前期加工获得的精度受到严重损失,这些损失有时甚至通过复杂、先进的修形技术(磨齿、校直等)也难以恢复。
这将直接影响工件的精度、强度、运转时的噪音、振动、传输功率损失、和使用寿命等。
这样即使我们拥有世界上最先进的机床、磨床,也很难加工出高精度、高附加值的产品来。
为了帮助本国企业减少和控制热处理变形提高市场竞争力,美国联邦政府甚至为此专门设立了100亿美金的专题科研支持基金[1]。
减少和控制热处理变形的意义由此可见一斑。
1 热处理变形产生的原因
减少和控制工件的热处理变形是材料和热处理工作者最为关注的难题,迄今为止人们还难于提出一个定量化、完整的可以预示工件热处理畸变的数学模型。
学者们普遍认为,工件热处理变形的影响因素涉及到工件的设计、原材料以及加工整个过程中的诸多环节。
笔者在多年的热处理生产和科研中,先后参与了多次国内外学术交流,实际接触了很多国内外最新资料和技术,并先后在热处理变形控制方面进行了诸多实践。
笔者认为从其它方面综合考虑固然重要,但影响热处理变形最主要的矛盾还是热处理工艺温度的合理控制。
工件在900℃下的强度很低,与铅的室温强度相当;虽然热处理设备愈来愈先进,但工件在加热、冷却时各部位的温度变化也很难完全一致;工件在加热、冷却时各部位温度变化的不同时性,会引起工件热(膨胀)应力和组织(转变时体积产生变化)应力的变化。
当热应力、组织应力或两者之合,大于该瞬间温度下工件某部位的塑性抗力时,就会在这一部位发生不可逆的变形——热处理变形。
a) 如果工艺温度降低,工件的高温强度损失减少,塑性抗力增强。
这样工件的抗应力变形、抗高温蠕变(工件因自重或受压而产生变形,大件、薄壁件更显著)的综合能力就会增强,变形就会减少。
b) 如果工艺温度降低,工件加热、冷却的温度时间减少,各部位温度不一致性也会减少,导致的热应力和组织应力也相对减少,这样变形就会减少。
c) 热处理工艺时间缩短,工件的高温蠕变时间减少,变形也会减少。
3 降低热处理温度的方法
降低工艺温度、提高渗碳或碳氮共渗速度,几十年来一直是国内外热处理界人士孜孜以求的理想目标,但由于基础技术条件的限制和传统热处理理论的束缚,多年来大家一直很难突破。
目前一种新的渗碳技术已经被法士特齿轮、株洲齿轮、洛轴、瓦轴、一汽等国内多家大型龙头企业采用。
这种技术可以在工艺温度降低40℃以上条件下实
现快速渗碳或碳氮共渗,并最低可以使渗碳温度降低到830℃左右,它同时还有节能、环保,高效率、高效益等优点。
这是一种在传统热处理理论基础上,引入了最新现代化工控制原理的热处理新技术——“BH系列催渗技术”。
a) 采用BH催渗技术降低渗碳温度后,产品变形普遍减少,产品最终精度提高0.5 — 1级。
b) 采用BH技术后各变形点与平均变形量的偏差值相对减少,变形的一致性、规律性增强,这为通过在加工时预留出一定的变形量,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内,从而控制工件的最终变形提供了更好的基础。
c) 采用BH后碳浓度梯度分布平缓,渗层波动范围减小,金相级别碳化物、马氏体、残余奥氏体普遍比原生产降低一级。
d) 采用BH后生产成本明显降低,投入产出比大于1:3以上。
4.减少变形的其它辅助措施
工件几何结构、钢材淬透性、工件的前期热处理状态、淬火条件(油品质量、油循环速度、油温)等都对工件的最终热处理变形有关,此处不再详述。
5. 结论
影响热处理变形最大的因素是热处理工艺温度:
1)工艺温降低后工件的高温强度损失相对减少,塑性抗力增强。
这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强,变形就会减少。
2)工艺温降低后工件加热、冷却的温度区间减少,由此而引起的各部位温度不一致性也会降低,由此而导致的热应力和组织应力也相对减少,这样变形就会减少。
3)如果工艺温降低、且热处理工艺时间缩短,则工件的高温蠕变时间减少,变形也会减少。
4)为了保证工件的最终精度,一种较为理想的方法是找到工件的热处理变形规律,在加工时预留出一定的变形量,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内。
这就要求工件变形具有良好的一致性,即同炉次工件之间、不同炉次的工件之间的变形规律和变形范围接近一致。
5)虽然热处理变形很难控制,但通过降低工艺温度、控制钢材淬透性、控制工件的前期热处理条件和对工件的淬火条件进行严格控制后。