时效与冷处理对热处理变形的影响

1、时效与冷处理对热处理变形的影响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E -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

2、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

3、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

4、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

5、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 Y-a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

6、，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

7、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

8、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0.055m

9、m。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：AL=n(N/K)%AL-主导应力方向长度的增加；n-系数，取决于材料和渗氮 工件横截面的形状；N-

10、渗氮层的横截面积；K-心部的横截面积。常用渗氮钢的n值工件横截面形状38CrMoALA 40CrNiMo圆形0.30.15方形0.40.2五热处理变形的校正热处理变形的校正-工件的热处理变形可以在一定程度上加以控 制和减小，但是不能够完全避免。机械校正法-采用机械或局部加热的方法使变形工件产生局部微 量塑性变形,同时伴随着残余内应力的释放和重新分布达到校正变形 的目的。常用的机械校正法有冷压校正、淬火冷却至室温前的热压校 正、加压回火校正、使用氧-乙炔火焰或高频对变形工件进行局部加 热的”热点”校正、锤击校正等。机械校正的零件在使用、放置过程中 或进行精加工时，由于残余应力的衰减和释放可能部分

11、地恢复原来的 变形和产生新的变形。因此，对于承受高负荷的工件和精密零件，最好 不要进行机械校正。必须进行机械校正时，校正达到的塑性应变应该 超过热处理变形的塑性应变，但校正塑性变形量必须控制在很小的范 围内,一般应大于弹性极限应变的10倍,小于条件强度极限的十分之 一。校正要尽可能在淬火后应即进行，校正后应进行消除残余应力处 理。热处理变形工件的校正，要求操作者具有熟练的技术并很费工时, 因此，校正自动化是热处理工作者的一项重要任务。热处理校正法-对于因热处理胀大或收缩变形而尺寸超差的工件, 可以重新使用适当的热处理方法对其变形进行校正。常用的热处理校正法有在Ac1温度下加热急冷法对胀大变形的

12、工 件进行收缩处理-工件不发生组织比体积变化的相变，因此，不会产生 组织应力，只产生因心部和表面热收缩量不同而形成的热应力。急冷 时工件表面急剧收缩对温度较高塑性较好的心部施以压应力，使工件 沿主导应力方向产生塑性收缩变形，这是热处理收缩处理的机理。钢 的化学成分不同,其热传导和热膨胀系数不同，在Ac1温度下加热后, 钢的塑性和屈服强度也不相同，靠热应力所能达到的塑性收缩变形效 果不尽相同，一般碳素钢和低合金钢的收缩效果比较明显，高碳高合金 钢的收缩效果则比较差。收缩处理的加热温度应根据Ac1选择，应保证在水中激冷时不淬 硬为原则，对奥氏体稳定性差的碳钢可采用稍高于Ac 1的温度，以利用 相变

13、温度区的相变超塑性达到最大的收缩效果。各类钢的加热温度 是；碳素钢 Ac120 Ac1+20C低合金钢Ac120 Ac1+10C低碳高合金钢（1Cr13、2Cr13、18Cr2Ni4WA 等）Ac130 Ac1+10C奥氏体型耐热耐蚀钢 8501000C加热时间应保证工件充分热透,冷却以食盐水激冷为最好。Ac1温 度下加热急冷收缩处理法，可以收缩处理各种不同形状的工件,如环形 工件的内孔和外圆，扁方工件的孔、孔距尺寸及外形尺寸，轴类工件的 长度以及某些需要局部尺寸收缩的工件等。淬火胀大法对收缩变形的工件进行胀大处理-主要适用于形状简单 的工件。其原理是利用淬火时工件表层发生马氏体相变时比体积增大, 对尚未发生马氏体相变或未淬透的心部施以拉应力，通过心部拉伸塑 性变形达到工件沿主导应力方向胀大的目的。对于低中碳钢和低中碳 合金结构钢制造的工件,使用常规淬火加热温度的上限加热水淬时，在 工件淬透或半淬透的情况下，可使主导应力方向胀大0.