论文部分内容阅读
【摘 要】 零件结构对热处理后的变形影响极大，严重时会出现裂纹等缺陷。因此在设计零件时，应在满足使用性能的条件下，从热处理的工艺角度出发，适当修改零件结构来改善热处理操作难度。本文对热处理零件变形的解决措施进行了分析。
【关键词】 热处理；零件变形；措施
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。设计人员设计零件的主要任务是确定零件的几何形状、机械性能要求、尺寸精度和选定材料牌号等等。热处理目的是使零件获得所要求的机械性能和力学性能。当热处理零件出现破损、弯曲、变形、发裂等现象时，人们常从材料的质量、热处理工艺使用不当或其他实际情况寻找发生变形的原因；除此之外，还应该从设计人员开始设计零件时的零件结构设计、材料选择、制定热处理技术要求等方面寻找原因，减少热处理的困难，和造成废品、反修品和零件在使用中的失效的情况。因此设计人员必须在零件设计之初充分考虑零件结构在热处理中会不会引起变形或开裂等因素。
一、零件的结构分析
变形和开裂是由热应力与组织应力共同作用的结果。热应力是由于工件在加热和冷却时各部热胀冷缩不一致而产生；工件在加热时厚度大的传热较慢热胀也就慢，冷却时，厚度大的冷却也较慢冷缩也就慢，因此厚度大的结构限制了厚度薄的结构的热胀和冷缩。组织应力是由于加热和冷却时组织转变不同时而产生。同理，由于工件厚薄的差异，厚度较大的结构无论加热或冷却组织转变都滞后厚度较薄的结构，因此，引起体积膨胀或收缩也不一致。同样厚度较大的结构限制了其它结构的组织转变。明确了应力产生的原因与工件的结构有直接关系，零件设计，编制加工与工件的热处理变形有很大的关系，在零件设计时注意工件的截面积不宜过于悬殊，且截面形状尽量对称。如设计时无法调整，在工件热处理前采用工艺调整的方法预留较大的加工余量或预留工艺台，在热处理后去除预留结构；在工件结构较薄处加副结构。
二、从设计方面考虑
2.1合理选用材料。零件的材料是实现热处理目的的重要条件，希望所选用的材料具备达到所需性能要求，与此同时还要具备与热处理工艺相适应的能力。即能够承受热处理操作。
（1）尺寸效应，即同一化学成分在同一情况进行热处理状态下的钢，由于钢的淬透性影响和钢的结构尺寸增大，钢的内部组织产生冶金缺陷（如偏析、疏松、非金属夹杂物等）的机会增多。随着工件尺寸增大而钢的机械性能有所下降的现象叫做尺寸效应。尺寸效应还会导致淬火钢截面上机械性能的不均匀性，从钢表面向中心强度逐渐下降，特别是淬透性越差的钢尺寸效应越明显。
（2）材料的化学成分波动的影响，特别是碳含量波动，直接影响淬火钢的硬度值。
（3）钢的缺陷对热处理的影响也很大。钢中非金属类夹杂物能降低钢的塑性和韧性。影响机械性能，碳化物会造成淬火变形与裂纹。因此必须根据零件的重要程度提出冶金质量要求，对冶金缺陷加以限制。
（4）为了消除在热处理过程中因冷却速度的影响而产生的热应力。通常采用在较缓和的冷却条件下就能达到硬化淬透性能较好的合金结构钢。同时合金化将使奥氏体量增加，有效地减少变形。
2.2合理设计。零件淬火时变形和裂纹，固然与材料的选择和热处理工艺有关，但零件结构设计是否设计合理，也是产生淬火变形和裂纹的重要原因。目前尚无标准为设计提供充足的数据，但设计者应尽可能做到零件形状和尺寸精度的合理化，以改善其零件的热处理工艺性。零件的结构应力求简单、对称以减少变形和翘曲，力求截面厚度均匀。因为零件截面尺寸变化较大时易开裂或变形，截面变化超过1：4的工件不宜在水中淬火，应采用在油或溶盐中淬火。为了使零件截面变化平缓应将过小的截面适当的放大、截面过大处可钻孔或开槽。尽可能地避免深盲孔出现，最好能将盲孔改为通孔。零件上孔和槽的位置应满足零件截面均匀过渡。过于细长的杆件和薄而大的板状零件.不宜采用普通淬火.应采用局部淬火或表面淬火。尺寸大于400mm结构而又形状复杂的零件，最好应采用组合式结构。化繁为简，化大为小，变内表面为外表面.分体进行热处理，经精加工后进行零部件组装，不仅便于冷热加工，而且能有效地减小变形与开裂。设计组合式结构时，一般应在不影响配合精度的情况下按下列原则进行分解：调整厚度，使截面相差悬殊的零件在分解后截面基本均匀：在容易产生应力集中的地方分解，分散其应力，防止开裂；配合工艺孔，使结构对称；便于冷、热加工，便于拼装；最为重要的是必须确保其使用性。
2.3硬度误差范围。零件的硬度值可以反应钢的强度水平，耐磨性和切削性能，所以许多零件的热处理技术要求都以硬为主，硬度是衡量零件的内在质量的基本尺度。硬度是钢的含碳量和淬火冷却速度的函数；同一牌号中的钢由于受含碳量和工艺参数（如温度、时间等）波动的影响，在相同条件下，热处理的硬度值也将在一定范围内波动。因此，在零件設计之初，给定零件硬度范围大小具有重要实际意义。
三、从工艺方面考虑
3.1预留磨削量。预留磨削量是最简单而有效的工艺措施。其预留磨削量，根据零件淬火的变形情况，实际生产实践中.对一些形状较复杂零件应适当调整常规预留磨削量数据，使工件变形达到符合要求的一种方法.这种办法是很不经济的，但有时却是很有效的。
3.2改变工艺路线。轴承衬套零件类，如全部加工成形后进行热处理，则由于截面冷却不均匀，将会产生严重的翘曲。但如改为在未切开之前，以圆筒形状进行热处理，然后再用锯片砂轮切开就可保证零件的尺寸不变形。
3.3减少毛坯机械加工残余应力的影响
较长、较窄的板状和细长丝杠，轴类零件在机械加工时所选用的切削用量，都会产生不同程度的残余应力。淬火时变形量反应特别敏感。因此应特别注意切削用量的选择。如加工细长螺纹杆类零件时，转速宜高不宜低，车刀前角也不宜太小。形状复杂的零件，淬火前消除预应力的处理特别重要。消除应力处理是零件在半精加工后加热到回火温度，保温4～8小时，随炉缓冷到300℃左右出炉。零件经消除应力处理后其残余应力将变成塑性变形，从而使应力消失。零件消除应力处理措施对减少淬火变形非常有效。
3.4减少热处理的影响
热应力是影响淬火变形的主要因素之一，因此减少热应力是控制变形的一个重要的环节。在淬火过程中尽可能降低淬火温度，减小温差，提高淬火油温，一般都采用800℃的热油。油温高，油的流动性好，不但可以减少热应力，减少变形，而且淬火后的硬度也比冷油淬火高，硬度均匀性也要好得多。
3.5正确选择冷却方式和冷却介质
尽可能选用预冷淬火、分级淬火和分级冷却方式。预冷淬火对细长或薄的零件减少变形有较好的效果，对于厚薄悬殊的零件，在一定程度上可以减小变形的作用。对于形状复杂、截面相差悬殊的零件，采用分级淬火较好。如高速钢采用580～620℃分级淬火，基本上避免了淬火变形和开裂。
在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性介质。实验和实践证明，在其他条件无差异的前提下，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度相对快一些。而且，和油性介质相比。水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小些。
3.6采用专用淬火夹具淬火
如果零件截面是对称的，在出炉后可套人专用夹具，然后以垂直方向淬入到冷却液中。由于零件变形受到夹具的限制。一般都可以控制在预留余量范围以内。
参考文献：
[1]裘汲.中小型钢件热处理[M].上海机械制造工艺研究所.
[2]王世清.钢件的整体热处理[M].山东工业大学.
【关键词】 热处理；零件变形；措施
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。设计人员设计零件的主要任务是确定零件的几何形状、机械性能要求、尺寸精度和选定材料牌号等等。热处理目的是使零件获得所要求的机械性能和力学性能。当热处理零件出现破损、弯曲、变形、发裂等现象时，人们常从材料的质量、热处理工艺使用不当或其他实际情况寻找发生变形的原因；除此之外，还应该从设计人员开始设计零件时的零件结构设计、材料选择、制定热处理技术要求等方面寻找原因，减少热处理的困难，和造成废品、反修品和零件在使用中的失效的情况。因此设计人员必须在零件设计之初充分考虑零件结构在热处理中会不会引起变形或开裂等因素。
一、零件的结构分析
变形和开裂是由热应力与组织应力共同作用的结果。热应力是由于工件在加热和冷却时各部热胀冷缩不一致而产生；工件在加热时厚度大的传热较慢热胀也就慢，冷却时，厚度大的冷却也较慢冷缩也就慢，因此厚度大的结构限制了厚度薄的结构的热胀和冷缩。组织应力是由于加热和冷却时组织转变不同时而产生。同理，由于工件厚薄的差异，厚度较大的结构无论加热或冷却组织转变都滞后厚度较薄的结构，因此，引起体积膨胀或收缩也不一致。同样厚度较大的结构限制了其它结构的组织转变。明确了应力产生的原因与工件的结构有直接关系，零件设计，编制加工与工件的热处理变形有很大的关系，在零件设计时注意工件的截面积不宜过于悬殊，且截面形状尽量对称。如设计时无法调整，在工件热处理前采用工艺调整的方法预留较大的加工余量或预留工艺台，在热处理后去除预留结构；在工件结构较薄处加副结构。
二、从设计方面考虑
2.1合理选用材料。零件的材料是实现热处理目的的重要条件，希望所选用的材料具备达到所需性能要求，与此同时还要具备与热处理工艺相适应的能力。即能够承受热处理操作。
（1）尺寸效应，即同一化学成分在同一情况进行热处理状态下的钢，由于钢的淬透性影响和钢的结构尺寸增大，钢的内部组织产生冶金缺陷（如偏析、疏松、非金属夹杂物等）的机会增多。随着工件尺寸增大而钢的机械性能有所下降的现象叫做尺寸效应。尺寸效应还会导致淬火钢截面上机械性能的不均匀性，从钢表面向中心强度逐渐下降，特别是淬透性越差的钢尺寸效应越明显。
（2）材料的化学成分波动的影响，特别是碳含量波动，直接影响淬火钢的硬度值。
（3）钢的缺陷对热处理的影响也很大。钢中非金属类夹杂物能降低钢的塑性和韧性。影响机械性能，碳化物会造成淬火变形与裂纹。因此必须根据零件的重要程度提出冶金质量要求，对冶金缺陷加以限制。
（4）为了消除在热处理过程中因冷却速度的影响而产生的热应力。通常采用在较缓和的冷却条件下就能达到硬化淬透性能较好的合金结构钢。同时合金化将使奥氏体量增加，有效地减少变形。
2.2合理设计。零件淬火时变形和裂纹，固然与材料的选择和热处理工艺有关，但零件结构设计是否设计合理，也是产生淬火变形和裂纹的重要原因。目前尚无标准为设计提供充足的数据，但设计者应尽可能做到零件形状和尺寸精度的合理化，以改善其零件的热处理工艺性。零件的结构应力求简单、对称以减少变形和翘曲，力求截面厚度均匀。因为零件截面尺寸变化较大时易开裂或变形，截面变化超过1：4的工件不宜在水中淬火，应采用在油或溶盐中淬火。为了使零件截面变化平缓应将过小的截面适当的放大、截面过大处可钻孔或开槽。尽可能地避免深盲孔出现，最好能将盲孔改为通孔。零件上孔和槽的位置应满足零件截面均匀过渡。过于细长的杆件和薄而大的板状零件.不宜采用普通淬火.应采用局部淬火或表面淬火。尺寸大于400mm结构而又形状复杂的零件，最好应采用组合式结构。化繁为简，化大为小，变内表面为外表面.分体进行热处理，经精加工后进行零部件组装，不仅便于冷热加工，而且能有效地减小变形与开裂。设计组合式结构时，一般应在不影响配合精度的情况下按下列原则进行分解：调整厚度，使截面相差悬殊的零件在分解后截面基本均匀：在容易产生应力集中的地方分解，分散其应力，防止开裂；配合工艺孔，使结构对称；便于冷、热加工，便于拼装；最为重要的是必须确保其使用性。
2.3硬度误差范围。零件的硬度值可以反应钢的强度水平，耐磨性和切削性能，所以许多零件的热处理技术要求都以硬为主，硬度是衡量零件的内在质量的基本尺度。硬度是钢的含碳量和淬火冷却速度的函数；同一牌号中的钢由于受含碳量和工艺参数（如温度、时间等）波动的影响，在相同条件下，热处理的硬度值也将在一定范围内波动。因此，在零件設计之初，给定零件硬度范围大小具有重要实际意义。
三、从工艺方面考虑
3.1预留磨削量。预留磨削量是最简单而有效的工艺措施。其预留磨削量，根据零件淬火的变形情况，实际生产实践中.对一些形状较复杂零件应适当调整常规预留磨削量数据，使工件变形达到符合要求的一种方法.这种办法是很不经济的，但有时却是很有效的。
3.2改变工艺路线。轴承衬套零件类，如全部加工成形后进行热处理，则由于截面冷却不均匀，将会产生严重的翘曲。但如改为在未切开之前，以圆筒形状进行热处理，然后再用锯片砂轮切开就可保证零件的尺寸不变形。
3.3减少毛坯机械加工残余应力的影响
较长、较窄的板状和细长丝杠，轴类零件在机械加工时所选用的切削用量，都会产生不同程度的残余应力。淬火时变形量反应特别敏感。因此应特别注意切削用量的选择。如加工细长螺纹杆类零件时，转速宜高不宜低，车刀前角也不宜太小。形状复杂的零件，淬火前消除预应力的处理特别重要。消除应力处理是零件在半精加工后加热到回火温度，保温4～8小时，随炉缓冷到300℃左右出炉。零件经消除应力处理后其残余应力将变成塑性变形，从而使应力消失。零件消除应力处理措施对减少淬火变形非常有效。
3.4减少热处理的影响
热应力是影响淬火变形的主要因素之一，因此减少热应力是控制变形的一个重要的环节。在淬火过程中尽可能降低淬火温度，减小温差，提高淬火油温，一般都采用800℃的热油。油温高，油的流动性好，不但可以减少热应力，减少变形，而且淬火后的硬度也比冷油淬火高，硬度均匀性也要好得多。
3.5正确选择冷却方式和冷却介质
尽可能选用预冷淬火、分级淬火和分级冷却方式。预冷淬火对细长或薄的零件减少变形有较好的效果，对于厚薄悬殊的零件，在一定程度上可以减小变形的作用。对于形状复杂、截面相差悬殊的零件，采用分级淬火较好。如高速钢采用580～620℃分级淬火，基本上避免了淬火变形和开裂。
在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性介质。实验和实践证明，在其他条件无差异的前提下，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度相对快一些。而且，和油性介质相比。水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小些。
3.6采用专用淬火夹具淬火
如果零件截面是对称的，在出炉后可套人专用夹具，然后以垂直方向淬入到冷却液中。由于零件变形受到夹具的限制。一般都可以控制在预留余量范围以内。
参考文献：
[1]裘汲.中小型钢件热处理[M].上海机械制造工艺研究所.
[2]王世清.钢件的整体热处理[M].山东工业大学.