淬火變形
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-28
淬火變形的實例教程
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影響制件淬火變形的主要因素
1、鋼的成分及原始組織：
①鋼中的碳和合金元素多少均對淬火變形存在影響。對于碳含量而言：低碳鋼淬火變形主要以熱應力為主，小尺寸中碳鋼以組織應力變形為主，大尺寸中碳鋼以熱應力變形為主，高碳鋼以熱應力變形為主。對于合金元素而言：低合金鋼完全淬透為馬氏體的情況下，通常以體積變形和組織應力起主要作用，而中心未淬透時，表層為馬氏體組織，心部為屈氏體的情況下，變形則由組織應力和熱應力綜合作用；高碳高合金鋼，因有大量合金碳化物，降低鋼的導熱性，易受熱應力影響變形，可通過增加預熱和采用不同淬火溫度調節奧氏體中碳及合金元素含量，在緩慢介質中淬火來使變形量減小。
②鋼的原始組織：材料原始組織的缺陷，如混晶、合金元素偏析、碳化物形態、大小和數量均會對淬火變形產生不利影響，可采用預備熱處理正火+回火、球化退火等方式消除不良組織，預防淬火變形。
2、制件的尺寸和形狀：
結構簡單、單一、對稱的制件變形較小，復雜、尺寸大、截面變化大、形狀不對稱的制件變形大，因為制件不同部位冷卻的速度快慢不一致，冷卻效果不均勻，組織轉變存在時間差。防范措施：①在設計制件加工流程時，制件在熱處理工序盡量避免復雜、尺寸大、截面變化大和形狀不對稱；②在冷卻曲線不觸碰到C曲線“鼻子”區域的情況下，盡量減緩冷卻速度，也可在不影響制件性能的條件下亞溫淬火，還可以采用分分級淬火或等溫淬火。對于制件冷卻不均的問題，可以采取“熱補償”、“局部熱平衡”、“靜油淬火”等方式。
3、熱處理工藝：
①加熱溫度及加熱速度：提高淬火溫度一般會使制件變形增大，加熱速度過快，直接導致形成熱應力，引起制件變形。
展開 防范措施：①在設計制件加工流程時，制件在熱處理工序盡量避免復雜、尺寸大、截面變化大和形狀不對稱；②在冷卻曲線不觸碰到C曲線“鼻子”區域的情況下，盡量減緩冷卻速度，也可在不影響制件性能的條件下亞溫淬火，還可以采用分分級淬火或等溫淬火。對于制件冷卻不均的問題，可以采取“熱補償”、“局部熱平衡”、“靜油淬火”等方式。
3、熱處理工藝：
①加熱溫度及加熱速度：提高淬火溫度一般會使制件變形增大，加熱速度過快，直接導致形成熱應力，引起制件變形。可采用下限淬火溫度，緩慢的升溫速度和適當的預熱措施減小變形。
②淬火介質及冷卻方式：淬火介質的冷卻效果越好（導熱性能越好），制件淬入后變形更大。在能獲得相同組織和性能的條件下，盡量選擇緩和的冷卻介質。冷卻方式對淬火變形也有很大影響。合理的冷卻方式可以減小制件變形，降低馬氏體點以上的冷卻速度，可減小因熱應力引起的變形；降低馬氏體點以上的冷卻速度，可減小因組織應力引起的變形。因此，可由單一的水冷、油冷改為分級淬火、等溫淬火。
③回火的影響：回火時發生組織轉變以及重新加熱時鋼的塑性增加，可以降低殘余應力，可能減小淬火變形，但也有可能加劇制件的變形。可以根據實際情況，采用加壓回火的方式減小零件變形。
4、殘余應力：
熱處理淬火前的機加、鍛造、焊接、校直等對制件造成的殘余應力，在淬火加熱過程中，應力得到釋放，也會引起制件的變形，可在淬火前進行消除應力回火處理，釋放殘余應力。
5、制件自身重量和裝夾方式：
在零件奧氏體化保溫過程中，制件因為自身重力作用和不合理的裝夾方式導致變形，例如：長制件水平加熱淬火，制件受重力作用更為明顯。采取合理的裝夾支撐方式，盡量豎直放置，減小重力作用。
展開 工件若在冷卻過程中產生的瞬時拉應力大于材料的抗拉強度時，將會產生淬火裂紋。
相變應力是指熱處理過程中由于工件各部位相轉變的不同時性所引起的應力，又稱組織應力。
淬火快冷時，當表層冷至Ms點，即產生馬氏體轉變，并引起體積膨脹。但由于受到還 沒進行轉變的心部的阻礙，使表層產生壓應力，而心部則為拉應力，應力足夠大時，即會引起變形。當心部冷至Ms點時，也要進行馬氏體轉變，并體積膨脹，但由于受到已經轉變的 塑性低、強度高的表層的牽制，因此其最后的殘余應力將呈表面受拉，心部受壓。由此可見，相變應力的變化情況及最后狀態，恰巧與熱應力相反。而且由于相變應力產生于塑性較低的低溫下，此時變形困難，所以相變應力更易于導致工件的開裂。
影響相變應力大小的因素很多，鋼在馬氏體轉變溫度范圍的冷卻速度越快、鋼件的尺寸越大、鋼的導熱性越差、馬氏體的比體積越大，其相變應力就越大。另外，相變應力還與鋼的成分、鋼的淬透性有關，例如，高碳髙合金鋼由于含碳量高而增大馬氏體的比體積，這本應增加鋼的相變應力，但隨著含碳量升高而使Ms點下降，又使淬火后存在著大量殘余奧氏體，其體積膨脹量減小，殘余應力就低。
（2）淬火時工件的變形
淬火時，工件發生的變形主要有兩類：一類是工件幾何形狀的變化，它表現為尺寸及外形的變化，常稱為翹曲變形，是淬火應力所引起的；另一類是體積變形，它表現為工件體積按比例脹大或縮小，是相變時的比體積變化所引起的。
翹曲變形又包括形狀變形和扭曲變形。扭曲變形主要是加熱時工件在爐內放置不當，或者淬火前經變形校正后沒有定型處理，或者是由于工件冷卻時工件各部位冷卻不均勻所造成的。這種變形可以針對具體情況分析解決。下面主要討論體積變形和形狀變形。
展開 采用合理的熱處理工藝
為減少及預防工件淬火變形，除了合理地設計工件、選材、制定熱處理技術要求，以及對工件毛坯正確進行熱加工（鑄、鍛、焊）和預先熱處理外，更為重要的是在熱處理方面必須注意以下問題：
（1）合理選擇加熱溫度
在保證淬硬的前提下，一般應盡量選擇低一些的淬火溫度。
但對于一些高碳合金鋼模具（如CrWMn，Cr12Mo鋼），可通過適當提高淬火溫度來降低Ms點，增大殘余奧氏體量，以控制淬火變形。
另外，對厚度較大的高碳鋼模具，也可適當提高其淬火溫度來防止產生淬火裂紋。
對易變形、開裂的模具，在淬火前還應先進行去應力退火。
（2）合理進行加熱
應盡量做到均勻加熱，減少加熱時的熱應力。
對于大截面、形狀復雜、變形要求高的高合金鋼模具，一般都應經過預熱或限制加熱速度。
（3）正確選擇冷卻方式和冷卻介質
盡可能選用預冷淬火、分級淬火和分級冷卻方式。
預冷淬火對細長或薄模具的減少變形有較好的效果，對于厚薄懸殊的模具，在一定程度上可以起到減小變形的作用。
對于形狀復雜、截面相差懸殊的模具，采用分級淬火較好。
如高速鋼采用580-620℃分級淬火，基本上避免了淬火變形和開裂。
（4）正確掌握淬火操作方法
正確選擇工件淬入介質的方式，保證模具得到最均勻的冷卻并沿最小阻力方向進入冷卻介質，將冷卻最慢的面朝著液體運動。
當模具冷卻至Ms點以下時，應停止運動。
展開 4.加熱方式的改進
對于一些小型的沖壓凸凹模或細長的圓柱形零件(如小沖頭)，可事先預熱至520--580℃，然后放入中溫鹽浴爐內加熱至淬火溫度，比直接使用電爐或反射爐加熱淬火零件變形明顯減小，且能控制開裂傾向。尤其是高合金鋼模具零件，正確的加熱方式為：先預熱(溫度為530--560℃)，然后升至淬火溫度。加熱過程中應盡量縮短高溫段時間，以減少淬火變形及避免小裂紋的生產。
5、冷卻劑的選擇
對于合金鋼而言，減小淬火變形的最佳方法是使用硝酸鉀和亞硝酸鈉熱浴的等溫淬火或分級淬火，這種方法尤其適宜處理形狀復雜、尺寸要求精確的沖壓模具。有些多孔模具零件(如多孔凹模)，等溫淬火時間不宜過長，否則會引起孔徑或孔距變大。若利用油中冷卻收縮，以及硝酸鹽中冷卻膨脹的特征，合理應用雙介質淬火，可減小零件變形。
6.線切割前的淬火處理
對于一些線切割加工的沖壓模具零件，線切割加工之前應采用分級淬火和多次回火(或高溫回火)熱處理工藝，以提高零件的淬透性，并使其內應力分布趨于均勻，且處于較小內應力狀態。內應力越小，線切割后的變形和開裂的傾向性就越小。
7.冷卻劑的選擇
對于合金鋼而言，減小淬火變形的最佳方法是使用硝酸鉀和亞硝酸鈉熱浴的等溫淬火或分級淬火，這種方法尤其適宜處理形狀復雜、尺寸要求精確的沖壓模具。有些多孔模具零件(如多孔凹模)，等溫淬火時間不宜過長，否則會引起孔徑或孔距變大。若利用油中冷卻收縮，以及硝酸鹽中冷卻膨脹的特征，合理應用雙介質淬火，可減小零件變形。
8.冷卻方式的優化
當零件從加熱爐中取出放入冷卻劑之前，應放置在空氣中適當預冷，隨后放入冷卻劑中淬火，這是減小零件淬火變形及防止零件開裂傾向的有效方法之一。
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禁止行為：
嚴禁在平臺上進行火焰切割或電弧氣刨，高溫會導致局部淬火變形甚至開裂。
嚴禁將平臺用作鐵砧，直接錘擊重物。
嚴禁長期堆放相當不均勻的重物，會導致平臺產生永和久性疲勞變形。
檢測樣本：1500件
改善效果：
硬度超差/波動偏大比例：由3.6%降至1.2%
淬火變形超差比例：由3.2%降至0.9%
組織異常或局部淬硬不足比例：由2.3%降至0.8%
綜合來看，連桿熱處理后相關異常比例下降約6.7%，基本解決了長期困擾客戶的硬度離散、局部組織不穩和淬火變形偏大等問題。
其中表面淬火因為變形、氧化及脫碳較小而應用較廣，而且表面淬火還具有外部強度高、耐磨性好，而內部保持良好的韌性、抗沖擊力強的優點。為提高表面淬火零件的機械性能，常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理。其一般工藝路線為：下料--鍛造--正火（退火）--粗加工--調質--半精加工--表面淬火--精加工。
淬火變形與開裂
在淬火過程所發生的鋼件體積、形狀、尺寸的變化通稱為淬火變形。當鋼件內的淬火應力超過材料的強度極限時便會導致開裂。引起這種現象的根本原因是淬火時在工件中引起的內應力。
當熱應力和組織應力的合力超過鋼的屈服強度時，工件就發生變形；當兩力的合力超過鋼的抗拉強度時，工件就發生開裂。
3、模具的熱處理工藝
預先熱處理、粗加工后的消除應力退火、淬火與回火、磨削后或電加工后消除應力退火等都是屬于模具的熱處理方式，模具的熱處理質量同樣對模具的性能以及使用壽命有著極大的影響，大量的事實證明模具的熱處理工藝差能夠直接導致模具工件零件的淬火變形與開裂以及使用過程中的早期斷裂。
合理進行鍛造和預先熱處理
鋼中的帶狀組織和成分偏析往往會造成模具的不均勻變形，淬火前的基體組織狀況也會影響模具淬火前后的比體積差。在一定條件下，鋼中原始組織的好壞成為影響熱處理變形的主要因素。為了減小淬火變形，除了在淬火過程中采取有效的措施外，還應適當控制淬火前鋼中的組織。
（一）淬火應力
工件在淬火過程中會發生形狀和尺寸的變化，有時甚至要產生淬火裂紋。工件變形或開內產生的內應力造成的。淬火內應力主要有熱應力和組織應力兩種。工件最終變形或開裂是這兩種應力綜合作用之結果。當淬火應力超過材料的屈服極限時，就會產生塑性變形，當淬火應力超過材料的強度極限時，工件則發生開裂。
實際工件淬火冷卻過程中總是同時存在著熱應力和組織應力。
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影響制件淬火變形的主要因素
1、鋼的成分及原始組織：
①鋼中的碳和合金元素多少均對淬火變形存在影響。對于碳含量而言：低碳鋼淬火變形主要以熱應力為主，小尺寸中碳鋼以組織應力變形為主，大尺寸中碳鋼以熱應力變形為主，高碳鋼以熱應力變形為主。
如今已存在一整套的仿真解決方案，可以分析完整的熱沖壓工藝，從初始零件成本估價到淬火后變形、冷卻通道分析以及虛擬現實檢查。
4.簡化加工工序
常規銑削加工只能在淬火之前進行，淬火造成的變形必須要經手工修整或采用電加工最終成形。現在則可以通過高速切削加工來完成，而且不會出現電加工所導致的表面硬化。另外，由于切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細節進行加工，節省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產周期。
