淬火變形的案例
影響制件淬火變形的主要因素
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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 影響制件淬火變形的主要因素
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 熱加工：淬火變形和淬火裂紋
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 沖壓模具熱處理過程中變形與開裂的改善方法
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。
展開 
模具熱處理變形與開裂的預防措施
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 沖壓模具熱處理變形和開裂怎么辦？
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。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。模具零件放入冷卻劑后，應適當旋轉，且旋轉方向有所改變，這樣有利于零件部位保持均勻的冷卻速率，可明顯減小變形及防止開裂傾向
展開 仿真實踐 | 汽車發動機連桿模鍛&熱處理鏈式仿真
鏈式仿真能夠把鍛造殘余應力、組織繼承與淬火變形關聯起來，是提升此類鍛件工藝穩定性的有效工具。
從“模鍛仿真—熱處理仿真—現場驗證—批量固化”建立閉環，是汽車發動機關鍵鍛件質量優化的重要方向。
9個影響熱處理變形的因素
因冷卻而導致的變形表現為以下幾種形式：
1.件急冷初期，急冷的一側凹陷，然后轉為凸起，結果快冷的一面凸起，這種情況屬于熱應力引起的變形大于相變引起的變形。
2.由熱應力所引起的變形是鋼料趨于球形化（見圖1），而由相變應力所引起的變形則使之趨于繞線軸狀（見圖2）。因此淬火冷卻所致的變形表現為兩者的結合（圖3），按照淬火方式的不同，表現出不同的變形如圖4所示。
3. 僅對內孔部分淬火時，內孔收縮。將整個環形工件加熱整體淬火時，其外徑總是增大，而內徑則根據尺寸的不同時漲時縮，一般內徑大時，內孔漲大，內徑小時，內孔收縮
五、冷處理與變形
冷處理促進馬氏體轉變，溫度較低，產生的變形比淬火冷卻要小，但此時產生的應力較大，由于殘余應力、相變應力和熱應力等的疊加容易導致開裂。
六、回火與變形
工件在回火過程中由于內應力的均勻化、減小甚至消失，加上組織發生變化，變形趨于減小，但同時，一旦出現變形，也是很難矯正的。為了矯正這種變形，多采用加壓回火或噴丸硬化等方法。
七 、重復淬火與變形
通常情況下，一次淬火后的工件未經過中間退火而進行重復淬火，將增大變形。重復淬火引起的變形，經過重復淬火，其變形累加而趨于球狀，容易產生龜裂，但形狀相對穩定了，不再容易產生變形了，因此重復淬火前應增加中間退火，重復淬火次數應小于等于2次（不含首次淬火）。
八、殘余應力與變形
加熱過程中，在450℃左右，鋼由彈性體轉變為塑性體，因此很容易呈上升塑性變形。
展開 變形量對余熱淬火鏈軌節鍛件晶粒度的影響
文 / 英成業，周琦，吳岳嶺 · 山推工程機械股份有限公司
鍛造余熱淬火是在鍛造后利用鍛件自有的余熱直接進行熱處理，它將鍛造與熱處理兩工序緊密結合在一起，實現了兩工序的合并，節省了工件后續熱處理的再次加熱，是一種大量節約能源的有效途徑，目前已在汽車、工程機械行業得到廣泛應用。
采用余熱淬火工藝生產的產品，具有優秀的綜合力學性能，但與采用常規調質熱處理生產的產品相比，其晶粒度較低，采用余熱淬火工藝生產的產品，其晶粒度通常要比采用調質工藝生產的產品低1 ～2 級。影響余熱淬火鍛件晶粒度的因素見表1。
表1 影響余熱淬火鍛件晶粒度的因素
由于受到各種因素的制約，鍛件在進行批量生產時，其產品形狀、使用的原材料、采用的設備一般是無法改變的。此時，若要提高余熱淬火鍛件的晶粒度，需要對鍛造工藝進行調整。影響鍛件晶粒度的工藝因素主要有三點，包括鍛造溫度、鍛造后至淬火前的時間、各鍛造工步間的變形量。通過降低鍛造溫度，減少鍛造后至淬火前的停留時間，能夠控制晶粒長大，提高鍛件晶粒度。
實際生產中，考慮到鍛件的質量和產線的布置，工藝參數調整的區間范圍是有限的。以我公司某鏈軌節鍛件產品為例，鍛造加熱溫度為(1180±30)℃，鍛后入油時間為35s以內，經驗證，在此范圍內對鍛造溫度及鍛后入油時間進行調整，對鍛件晶粒度無明顯影響。
鍛造過程是通過高溫下塑性變形引起的動態再結晶，達到細化晶粒的效果。根據臨界變形區理論(圖1)，當變形量大于臨界變形時，金屬內部均產生了塑性變形，因而再結晶時，同時形成很多核心，這些核心稍一長大即互相接觸了，所以再結晶后獲得了細晶粒。但是在實際生產中，尤其對于形狀復雜的多工位模鍛件，由于其變形工步多，各工步間變形過程復雜，因此很難直接判斷其各工位間鍛件晶粒度的變化規律。
展開 六大模具設計常用知識要點，掌握這些 月薪輕松過萬！
從防止磨削變形
和縮短加工時間方面來看，要選定淬火變形小的鋼材，而且要設計為淬火變形小的形狀。形狀復雜時，淬火冷卻不易均勻，易產生淬火變形。
精密注射成型6個必要條件
從防止磨削變形和縮短加工時間方面來看，要選定淬火變形少的鋼材，而且要設計為淬火變形少的形狀。形狀復雜時，悴火冷卻不易均勻，易產生淬火變形。
5.2總分割式模具
為了將淬火零件加工成較高精度，要使用磨床。因此，需要采用鑲件組成分割式模具。
這種模具有如下特征:
(1)因為可選擇適當材料，所以能夠使用適當硬度模具材料。
(2)能夠利用耐蝕性和耐磨性高的模具材料.
(3)能夠分別熱處理，所以容易設定熱處理條件。
(4)能夠使用鏡面加工性良好的模具材料，鏡面加工操作也容易，所以能夠提高鏡面度。
(5)因為容易按拔模方向研磨，所以有利于采用拔模斜度小的模具。
(6)由于硬化，可延長模具精度保持時間，模具壽命長。
(7)容易設在任意位置排氣，所以充模容易.
(8)磨削加工容易.
(9)能夠提高模具零件精度，所以可能提高制品精度。
(10)可在較小的公差內制作備模腔和型芯，所以部件互換性高，容易維修。
(11)因為以磨削加工為主體，所以加工效率高。
(12)零件數多，需要極大提高各零件加工精度.
(13)局限于特定加工方法
(14)采用完全淬火
6、防止模具精度的誤差
確保滑動件各周期的定位，需要防止模具精度的波動。為了維持滑動件的精度，滑動件都應悴火研磨.側芯滑動部分的配合應有定位退拔部分。
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熱處理工藝對模具變形有怎樣的影響？
1.加熱速度的影響
一般來說，淬火加熱時，加熱速度越快，則模具中產生的熱應力越大，易于造成模具的變形開裂，尤其對于合金鋼及高合金鋼，因其導熱性差，尤需注意進行預熱，對于一些形狀復雜的高合金模具，還需采取多次分級預熱。
但在個別情況下，采用快速加熱有時反而可以減少變形。這時僅加熱模具的表面，而中心還保持“冷態”，所以相應地減少了組織應力和熱應力，且心部變形抗力較大，從而減少了淬火變形，根據一些工廠經驗，用于解決孔距變形方面有一定效果。
2.加熱溫度的影響
淬火加熱溫度的高低影響材料的淬透性，同時對奧氏體的成分與晶粒大小起作用。
1）從淬透性方面看，加熱溫度高，將使熱應力增大，但同時使淬透性增高，因此組織應力也增大，并逐漸占主導地位。例如碳素工具鋼T8、T10、T12等，在一般淬火溫度淬火時，內徑表現為縮的傾向，但若提高淬火溫度到≥850℃時，則由于淬透性增大，組織應力逐漸占主導地位，因而內徑可能表現為脹得傾向。
2）從奧氏體成分看，淬火溫度提高使奧氏體含碳量增加，淬火后馬氏體的正方度增大（比容增大），從而使淬火后體積增大。
3）從對Ms點影響細看，淬火溫度高，則奧氏體晶粒粗大，將使零件的變形開裂傾向增大。
綜合上述，對所有的鋼種，尤其是某些高碳的中、高合金鋼，淬火溫度的高低會明顯影響模具的淬火變形，因此正確選擇淬火加熱溫度是很重要的。
一般來說，選擇過高的淬火加熱溫度對變形是沒有好處的。在不影響使用性能的前提下，總是采用較低的加熱溫度。
展開 模具選材的三個原則！
4、高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
（二）模具滿足工藝性能要求
模具的制造一般都要經過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質量，降低生產成本，其材料應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。
1、可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
2、退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
3、切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
4、氧化、脫碳敏感性
高溫加熱時抗氧化懷能好，脫碳速度慢，對加熱介質不敏感，產生麻點傾向小。
5、淬硬性
淬火后具有均勻而高的表面硬度。
6、淬透性
淬火后能獲得較深的淬硬層，采用緩和的淬火介質就能淬硬。
7、淬火變形開裂傾向
常規淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。
展開 模具選材的三個原則
7、淬火變形開裂傾向
常規淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。常規淬火開裂敏感性低，對淬火溫度及工件形狀不敏感。
8、可磨削性
砂輪相對損耗小，無燒傷極限磨削用量大，對砂輪質量及冷卻條件不敏感，不易發生磨傷及磨削裂紋。
（三）模具滿足經濟性要求
在給模具選材是，必須考慮經濟性這一原則，盡可能地降低制造成本。因此，在滿足使用性能的前提下，首先選用價格較低的，能用碳鋼就不用合金鋼，能用產材料就不用進口材料。另外，在選材時還應考慮市場的生產和供應情況，所選鋼種應盡量少而集中，易購買。
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雙色模具選材要滿足什么樣要求？
展開 什么樣的材料，才能做出好的模具呢？
4、高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出hci、hf等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
二、模具滿足工藝性能要求
模具的制造一般都要經過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質量，降低生產成本，其材料應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。
1、可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
2、退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
3、切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
4、氧化、脫碳敏感性
高溫加熱時抗氧化懷能好，脫碳速度慢，對加熱介質不敏感，產生麻點傾向小。
5、淬硬性
淬火后具有均勻而高的表面硬度。
6、淬透性
淬火后能獲得較深的淬硬層，采用緩和的淬火介質就能淬硬。
7、淬火變形開裂傾向
常規淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。
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