工件的热处理变形------主要是由于热处理应力造成的。工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和和..
工件的热处理变形------主要是由于热处理应力造成的。工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和和冷却时的支承或夹持不当等因素也能引起变形。
凡是牵涉到加热和冷却的热处理过程,都可能造成工件变形。但是,淬火变形对热处理质量的影响最大。严重的淬火变形往往很难通过最后的精加工加以修正,即使对淬火变形的工件能够进行校正和机加工修整,也会因而增加生产成本。工件热处理后的不稳定组织和不稳定的应力状态,在常温和零下温度,长时间放置或使用过程中,逐渐发生转变而趋于稳定,也会伴随引起工件的变形,这种变形称为时效变形。时效变形虽然不大,但是对于精密零件和标准量具也是不允许的。
工件的热处理变形分为尺寸变化(体积变形)和形状畸变两种形式。尺寸变形归因可相变前后比体积差引起工件的体积改变,形状畸变则是由于热处理过程中,在各种复杂应力综合作用下,不均匀的塑性变形造成的。这两种形式的变形很少单独存在,但是对具体工件和热处理工艺,可能以一种形式的变形为主。
1>工件热处理的尺寸变化
不同的具有不同的体积。常见组织的比体积表如下;
组织wc(％)室温下的比体积/(cm3/g)
奥氏体0—20.1212 0.0033(c％)
马氏体0---20.1271 0.0025(c％)
铁素体0---0.020.1271
渗碳体6.7 -0.20.130 -0.001
∈-碳化物8.5 -0.70.140 -0.002
石墨1000.451
铁素体 渗碳体0---20.1271 0.0005(c％)
低碳马氏体 ∈-碳化物0---20.1277 0.0015(c％-0.25)
铁素体 ∈-碳化物0---20.1271 0.0015(c％)
工件在热处理加热和冷却过程中,由于相变引起的体积差造成的体积变形。
碳钢组织转变引起的尺寸变化
组织转变体积变化(％)尺寸变化(％)
球状珠光体->奥氏体-4.64 2.21(wc)-0.015 0.0074(wc)
ag尊龙app-kb88凯时官网登录->马氏体4.64–0.53(wc)-0.0155 0.0018(wc)
球状珠光体->马氏体1.68(wc)0.0056(wc％)
奥氏体->下贝氏体4.64–1.43(wc)0.0156–0.0048(wc)
球状珠光体->下贝氏体0.78(wc)0.0026(wc)
奥氏体->铁素体->渗碳体4.64–2.21(wc)0.0155–0.0074(wc)
球状珠光体->铁素体->渗碳体00
2>工件热处理的形状畸变
工件热处理的形状畸变有多种原因。加热过程中残余应力的释放,淬火时产生的热应力、组织应力以及工件自重都会使工件发生不均匀的塑性变形而造成形状畸变。
工件细长，炉底不平，工件在炉中呈搭桥状态放置时,当加热至奥氏体化温度下保温过程中,常因自重产生蠕变畸变,这种畸变与热处理应力无关。工件在热处理前由于各种原因可能存在内应力,例如,细长零件经过校直,大进给量切削加工,以及预先热处理操作不当等因素,都会在工件中形成残余应力。热处理加热过程中,由于钢的屈服强度随温度的升高而降低,当工件中某些部位的残余应力达到其屈服时,就会引起工件的不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力的松弛。
加热时产生的热应力,受钢的化学成分、加热的速度、工件的大小形形状的影响很大。导热性差的高合金钢,加热速度过快,工件尺寸大、形状复杂、各部分厚薄不均匀,会致使工件各部分的热膨胀程度不同而形成很大的热应力,导致工件不均匀塑性变形,从而产生形状畸变。
与工件加热时情况相比,工件冷却时产生的热应力和组织应力对工件的变形影响更大。热应力引起的变形主要发生在热应力产生的初期,这是因为冷却初期工件内部仍处于高温状态,塑性好,在瞬时热应力作用下,心部因受多向压缩易发生屈服而产生塑性变形。冷却后期,随工件温度的降低，钢的屈服强度升高,相对来说塑性变形变得更加困难,冷却至室温后,冷却初期的不均匀塑性变形得以保持下来造成工件的变形。
3>热处理变形的一般规律
ag尊龙app-kb88凯时官网登录变形的趋势
ms以上时,变形主要由热应力所引起
高度大于直径的圆柱体状工件---高度缩短,直径变粗,最终造成腰鼓状变形。
直径大于厚度的圆盘件---厚度增大,直径缩小。
壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体---内孔收缩,外径增大,高度缩短(壁厚显腰鼓状)。
壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体---内孔收缩,外径增大(壁厚显腰鼓状)。
正方体---趋向球形。
ms以下时,变形主要由瞬时组织应力所引起
工件变形的趋势是沿最大尺寸方向伸长,沿最小尺寸方向收缩,表面内凹,棱角变尖。
对于长度大于直径的圆柱体工件,具体表现为心部被拉长,直径变细,长度增加。
壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体---内孔胀大,外径收缩,高度增加(壁厚反腰鼓状)。
壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体---内孔增大,外径收缩(壁厚显反腰鼓状)。
正方体---平面内凹,棱角突出。
实际生产中,淬火冷却时既有瞬时热应力,也有瞬时组织应力,由于它们引起的变形相反，工件最终的变形,是两种应力引起的变形叠加。
体积效应作用变形及尺寸变化
轴类---d ,l 或d-,l-;
---d ,l 或d-,l-;
圆(方)孔柱体---d ,d ,l 或d-,d-,l-;
圆(方)孔扁体---d ,d 或d-,d-;
正方体---d ,l 或d-,l-;
4>影响热处理变形的因素
工件在热处理过程中体积和形状的改变,是由于钢中组织转变时的比体积变化所引起的体积膨胀,以及热处理应力引起的塑性变形所造成。因此,热处理应力愈大,相变愈不均匀,则变形愈大,反之则小。为减小变形,必须力求减小淬火应力和提高钢的屈服强度。
化学成分对热处理变形的影响
钢的化学成分通过影响钢的屈服强度、ms点、淬透性、组织的比体积和残余奥氏体量等影响工件的热处理变形。
钢的碳含量直接影响热处理后所获得的各种组织的比体积(室温下不同组织的比体积与碳含量间的关系---图略,碳钢的碳含量与ms点和残余奥氏体之间的关系---图略)随着钢的碳含量的增加,马氏体的体积增大,屈服强度升高。淬透性和马氏体比体积的增大,增大了淬火组织应力和热处理变形;而残余奥氏体量的增多和屈服强度的升高,减小了比体积变化,导致组织应力下降和热处理变形的减小。碳含量对工件热处理变形的影响是上述矛盾因素综合作用的结果。
碳含量对淬火时体积变化量的影响
(试样尺寸:￠25*100)
钢号淬火温度淬火介质高度变化％处两端处
0894014c水-0.06 0.07-0.14
5582014c水 0.38-0.02 0.21
t1078014c水-0.05 0.18 0.12
08钢试样的淬火变形趋势是长度缩短,试样中部直径增大,端部直径缩小,呈腰鼓状,这是因为虽然低碳钢ms点高,发生马氏体相变时,钢的屈服强度低,塑性好,易变形,但是由于马氏体比体积小,组织应力不大,不会引起大的塑性变形,相反热应力引起的变形量相对较大,最终表现为热应力型变形。
55钢试样,组织应力成为引起变形的主导因素,结果试样的变形为中部直径缩小,端部直径增大,长度增大。
当碳的质量分数进一步增加到0.8％以上时,由于ms点的降低,残余奥氏体量的增加,其变形又呈长度缩短,直径增大的热应力型变形。并且由于高碳钢屈服强度的升高,其变形量要小于中碳钢。对碳素钢来说,在大多数情况下,以t7a钢的变形量为最小。当碳的质量分数大于0.7％时,多趋向于缩小;但碳的质量分数小于0.7％时,内径、外径都趋向于膨胀。
一般来说,在完全淬透的情况下,由于碳素钢的ms点高于合金钢的ms点,其马氏体相变在较高温度下开始。由于钢在较高温度下具有较好的塑性,加之碳素钢本身屈服强度相对较低,因而带有内孔(或型腔)类的碳素钢件,变形较大,内孔(或型腔)趋于胀大。合金钢由于强度较高,ms点较低,残余奥氏体量较多,故淬火变形较小,并主要表现为热应力型的变形,其钢件内孔(或型腔)趋于缩小。因此,在与中碳钢同样条件下淬火时,高碳钢和高合金钢工件往往以内孔收缩为主。
合金元素对工件热处理变形的影响主要反映在对钢的ms点和淬透性的影响上。大多数合金元素,例如,锰、铬、硅、镍、钼、硼等，使钢的ms点下降,残余奥氏体量增多,减小了钢淬火时的比体积变化和组织应力,因此,减小了工件的淬火变形。合金元素显著提高钢的淬透性,从而增大了钢的体积变形和组织应力,导致工件热处理变形倾向的增大。此外,由于合金元素提高钢的淬透性,使临界淬火冷却速度降低,实际生产中,可以采用缓和的淬火介质淬火,从而降低了热应力,减小了工件的热处理变形。硅对ms点的影响不大,只对试样变形起缩小作用;钨和钒对淬透性和ms点影响也不大,对工件热处理变形影响较小。故工业上所谓微变形钢,均含有较多量的硅、钨、钒等合金元素。
原始组织和应力状态对ag尊龙app-kb88凯时官网登录变形的影响
工件淬火前的原始组织,例如,碳化物的形态、大小、数量及分布,合金元素的偏析,锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。球状珠光体比片状珠光体比体积大,强度高,所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。对于一些高碳合金工具钢,例如,9mn2v、crwmn和gcr15钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响,通常以2.5-5级球化组织为宜。调质处理不仅使工件变形量的绝对值减小,并使工件的淬火变形更有规律,从而有利于对变形的控制。
条状碳化物分布对工件的热处理变形有很大影响。淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀,与碳化物条带相垂直的方向则收缩,碳化物颗检愈粗大,条带方向的膨胀愈大。对于cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说,碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。由于碳化物的热膨胀系数小,约为基体的70％,因而在加热时,沿条带状分布的碳化物方向上,膨胀较小的碳化物抑制了基体的伸长,而冷却时,收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。由于奥氏体化加热温度较缓慢,碳化物对基本膨胀的抑制作用较弱,故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小;但在ag尊龙app-kb88凯时官网登录,由于冷却速度快,碳化物对基体收缩的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物条带方向呈现较大的伸长。
经过轧制和锻造的材料,沿不同的纤维方向表现出不同的热处理变形行为。纤维方向不明显的正火态试样沿纵、横方向的尺寸变化差别较小;而退火态试样,有明显带状组织存在时,沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。锻造比较大,纤维方向明显时,沿纤维方向的纵向试样尺寸变化率大于垂直于纤维方向的横向试样的尺寸变化率。
过共析钢存在网状碳化物时,在网状碳化物附近,碳和合金元素大量富集,在离网状碳化物较远的部位,碳和合金元素较低,结果增大了淬火组织应力,使淬火变形增大甚至开裂。因此,过共析钢的网状碳化物必须通过恰当的预先热处理予以消除。
另外,钢锭的宏观偏析常造成钢料横截面上的方形偏析,这种偏析往往造成圆盘状零件的不均匀淬火变形。总之,工件的原始组织愈均匀,热处理变形愈小,变形愈有规律,愈易于控制。
ag尊龙app-kb88凯时官网登录前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂,经过大进给量切削加工的工件,其残余应力若未经消除,对淬火变形有很大影响。
工件几何形状对热处理变形的影响
几何形状复杂,截面形状不对称的工件,例如带有键槽的轴,键槽拉刀、塔形工件等,ag尊龙app-kb88凯时官网登录,一个面散热快,另一面散热慢,是一种不均匀的冷却。如果在ms以上的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凹面,若在ms以下的不均匀冷却引起的变形占优势,则冷却快的一面是凸面,增加等温时间,增长贝氏体转变量,使残余奥氏体更加稳定,减小空冷中的马氏体转变量,可使工件的变形量显著减小。
工艺参数对热处理变形的影响
无论是常规热处理还是特殊热处理,都可能产生热处理变形,分析热处理工艺参数对热处理变形的影响时,最重要的是分析加热过程和冷却过程的影响。加热过程的主要参数是加热的均匀性、加热温度和加热速度。冷却过程的主要参数是冷却的均匀性和冷却速度。不均匀冷却对淬火变形的影响与工件截面形状不对称造成的不均匀冷却情况相同,本节主要讨论其它工艺参数的影响。
不均匀加热引起的变形---加热速度过快、加热环境的温度不均匀和加热操作不当均能引起工件的不均匀加热。加热的不均匀对细长工件或薄片件的变形影响十分显著。这里说的不均匀加热并不是指工件表面和心部在加热过程中不可避免的温度差,而是特指由于种种原因工件各部分存在的温度梯度的情况。为了减小不均匀加热引起的变形,对于形状复杂或导热性较差的高合金钢工件,应当缓慢加热或采用预热。但是应当指出,虽然快速加热能导致长轴类工件和薄片状板件变形度的增加;然而,对于体积变形为主的工件,快速加热往往又能起到减小变形的作用。这是因为当只有工件的工作部位需要沪淬火强化时,快速加热可使工件心部保持在温度较低强度较高的状态下,工作部分即能达到淬火温度。这样强度较高的心部就能阻止工件淬火冷却后产生较大变形。另外,快速加热可以采用较高的加热温度和较短的加热保温时间,从而可以减轻由于在高温阶段长时间停留因工件自重产生的变形。快速加热仅使工件表层和局部区域达到相变温度,相应地减小了淬火后的体积变化效应,这也有利于减小淬火变形。
加热温度对变形的影响---淬火加热温度通过改变淬火冷却时的温差,改变淬透性、和残余奥氏体的数量而对淬火变形发生影响。提高淬火加热温度,增加了残余奥氏体量,使ms点降低,组织应力引起的变形减小,使套类工件的孔腔趋于缩小;但另一方面,淬火加热温度的提高了淬透性,增大了淬火冷却时的温差,提高了热应力,有使内孔胀大的倾向。实践证明,对于低碳钢制工件,若正常加热温度淬火后内孔收缩,提高淬火加热温度收缩的更大,为了减小收缩,要降低淬火加热温度;对于中碳合金钢制的工件,若正常加热温度淬火后内孔胀大,则提高淬火加热温度胀的更大,为了减小孔腔的胀大,也需降低淬火加热温度。对于cr12型高合金模具钢,提高淬火加热温度,使残余奥氏体量增多,孔腔趋于缩小。
淬火冷却速度对变形的影响---一般来说,淬火冷却愈激烈,工件内外和不同部位(截面尺寸不同的部位)温差愈大,产生的内应力愈大,导致热处理变形增大。(150长*100宽*50高)的热模具钢制试样经不同冷却速度淬火回火的变形情况。三种介质的冷却速度以油冷最快,热浴冷却次之,空冷最慢。工件经三种不同冷速淬火后,其长度和宽度的变形皆倾向于收缩,变形量差别不大;但在厚度方向上冷速慢的空冷淬火和热浴淬火引起的变形则小得多,其变形胀大小于0.05％,而油淬发生收缩变形,其最大变形量达0.28％左右。然而,当冷却速度的改变使工件的相变发生变化时,冷却速度的增大却并不一定会引起变形的增大,有时反而会使变形减小。例如,当低碳合金钢淬火后由于心部含有大量铁素体而发生收缩时,增大淬火冷却速度心部得到更多的贝氏体可以有效的减小收缩变形。相反,若工件淬火后因心部获得马氏体而胀大时,减小冷却速度从而减小心部的马氏体相对量又能使胀大减小。速度对淬火变形的影响是一个复杂的问题,但原则是在保证要求的组织和性能的前题下,应尽量减小淬火冷却速度。
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∈-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。
ag尊龙app-kb88凯时官网登录工件的变形---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同的ag尊龙app-kb88凯时官网登录等温转变曲线,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称的细长杆件,渗碳空冷后易产生弯曲变形。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γ->α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,ag尊龙app-kb88凯时官网登录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,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ag尊龙app-kb88凯时官网登录。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。ag尊龙app-kb88凯时官网登录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0.055mm。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:δl=η(ν/κ)％
δl----主导应力方向长度的增加;η----系数,取决于材料和渗氮工件横截面的形状;
ν------渗氮层的横截面积;κ----心部的横截面积。
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工件横截面形状38crmoala40crnimo
圆形0.30.15
方形0.40.2
