影响淬火热处理变形的原因

淬火是将钢件加热到临界温度以上,保温适当的时间,然后以大于临界冷却速度冷却,获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺,它是强化钢材的最重要的热处理方法。大量重要的机器零件及各类刀具、刃具、量具等都离不开淬火处理。需要淬火的工件,经过加热后,便放到一定的淬火介质中快速冷却。但冷却过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂。由于淬火变形影响因素非常复杂，导致变形控制十分棘手。而采用校直办法纠正变形或通过加大磨削加工余量，都会增加成本，因此研究钢件淬火热处理变形的影响因素，提出防止变形的措施是提高产品质量、延长零部件使用寿命、提高经济效益的重要课题。

零件热处理变形原因分析

1 热应力引起的变形

钢件在加热和冷却过程中,将发生热胀冷缩的体积变化以及因组织转变时新旧相比容差而产生的体积改变。零件加热到淬火温度时,屈服强度明显降低,塑性则大大提高。当应力超过屈服强度时,就会产生塑性变形,如果造成应力集中，并超过了材料的强度极限,就会使零件淬裂。导热性很差的高碳合金钢,如合金模具钢Cr12MoV、高速钢W18Cr4V之类的工具钢，淬火加热温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。此外,铸钢件和锻件毛坯,如果表层存在着一层脱碳层,由于表层和心部导热性能不同,在淬火加热较快时,也会产生热应力而引起变形。冷却时由于温差大,热应力是造成零件变形的主要原因。

2 组织应力引起的变形

体积的变化往往与加热和冷却有关,因为它和钢的膨胀系数相关。比容的变化导致零件尺寸和形状的变化。组织应力的产生起源于体积的收缩和膨胀，没有体积的膨胀,就没有组织转变的不等时性,也就没有组织应力引起的变形，导致热处理变形的内应力是热应力和组织应力共同作用形成的复合应力，热应力和组织应力综合作用的结果是不定的,可能因冷却条件及淬火温度的不同而产生不同情况，淬火应力是由急冷急热应力及由组织转变不同时所引起的应力综合构成的。

影响淬火热处理变形的主要因素

在实际生产中，影响淬火热处理变形的因素有很多,其中主要包括钢的原始组织、含碳量、零件尺寸和形状、淬火介质的选择、淬火工艺、钢的淬透性等。

1 钢中的含碳量对零件淬火热处理变形的影响

形成显微裂纹敏感度随马氏体中碳含量增高增大。当钢中碳含量大于1.4%时，形成显微裂纹敏感度反而减小。因为钢中碳含量大于1.4%时马氏体的形态改变了，片变得厚而短，马氏体片之间的夹角变小，撞击机会和应力都有所减小。因此，高碳钢过热淬火容易开裂，是因为奥氏体晶粒粗大和马氏体碳含量过高而引起形成显微裂纹敏感度增大的缘故。为防止变形和开裂，过共析钢通常采用不完全淬火获得隐晶马氏体，不易产生显微裂纹。

2 钢的淬透性对零件淬火热处理变形的影响

钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特征。它是反映钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度。钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系，临界冷却速度越底，钢的淬透性越好，降低临界冷却速度的主要因素是钢的化学成分，例如合金钢的淬透性比碳钢好。淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，减少工件淬火的变形及开裂倾向。因此，对于重要的、形状复杂的、大截面的零件应选择淬透性好的合金钢，经淬火及回火处理，既能获得所需要的力学性能，又能减少变形及开裂。

3 钢的原始组织对零件淬火变形的影响

零件淬火前的组织状态对零件的淬火质量有很大影响，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等，这些钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，将片状珠光体变为球状珠光体，在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。另外偏析现象和网状组织,对淬火后工件的变形、特别是对细长轴的弯曲变形影响很大。材料的本质晶粒度越细,屈服强度越高,对变形的抗力越大,工件淬火后的变形量就相应减小。

4 淬火介质对零件淬火热处理变形的影响

根据碳钢的等温转变图可知，为了抑制非马氏体转变的产生，在c曲线“鼻子”附近（550℃左右）需要快冷，而在650℃以上或400℃以下温度范围，并不需要快冷，特别在Ms线附近发生马氏体转变时需要缓慢冷却，为使马氏体转变时产生的热应力和组织应力最小，以防止淬火变形和开裂。

一般认为,淬火介质300℃时的冷却速度对变形的影响是关键的,应根据钢的淬透性、零件截面尺寸和表面粗糙度,合理选用淬火介质。常用的淬火介质有水、油、以及盐类水溶液、熔盐、空气等。水的冷却特性不理想，在要求快冷区间650—400℃时，水的冷却速度很小，大约200℃/s,而在400℃以下需要漫冷的区间，水的冷却速度大增，大约300℃达到最大值800℃/s,使零件淬火变形及开裂倾向最大。一般情况下碳钢常采用淬火烈度大的水或水溶液作为淬火介质；而合金钢一般用油作为淬火介质。因此，选择淬火介质的正确原则是，在保证淬硬的前提下，尽量选择淬火烈度小的淬火介质，以减小淬火变形及开裂。

5 零件的几何形状对零件淬火变形的影响

从热处理工艺角度出发，零件设计最好采用对称结构，尽量避免尖角，要求截面过渡均匀。必要时可开工艺用槽。如镗杆上开有两条对称的槽，其中一条是为减小热处理变形而设计的。形状较复杂的零件，如零件的尖角处，由于应力集中，更容易产生淬火裂纹。因此，必须合理选择材料，避免淬火裂纹产生。

6 淬火方法对零件淬火变形的影响

为了使淬火时最大限度地减少变形和避免开裂，除了正确地进行加热及合理选择淬火介质外，还应根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法。例如:双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、强烈淬火等。双介质淬火的内应力小，变形及开裂少，所以主要应用于碳素工具钢制造的易开裂的工件，如丝锥等；贝氏体等温淬火可以显著地减少淬火应力和淬火变形，并能基本上避免工件的淬火开裂，因此，各种形状复杂的模具、成形刀具采用贝氏体等温淬火；强烈淬火技术是采用高速搅拌或高压喷淬使试件在马氏体转变区域进行快速而均匀的冷却,在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳,避免了常规淬火在马氏体转变区域进行快速冷却而产生畸变过大和开裂的问题。

总之，淬火热处理变形的影响因素是十分复杂的问题，在制定淬火热处理工艺时，应充分考虑工件的形状、钢中的碳含量，根据工件所要求的力学性能，合理选择淬火方法及冷却介质，防止变形及开裂，提高产品质量。

影响淬火热处理变形的原因