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日期: 2013-6-29 0:35:46　浏览: 0　来源: 学海网收集整理　作者: 周倩

（中国矿业大学 材料学院 科学10-4班14105508）  

[摘要]本文针对材料为T12钢的长薄型切片刀热处理淬火翘曲变形的相关问题。分析了工件热处理变形机理，分析工件内部应力状况等情况。因为应力值超过了钢材在该状态下的拉伸屈服极限或压缩屈服极限后，能而产生翘曲形式的塑性变形。分析淬火介质对变形的影响，并设计了合理的改进措施。该工件的工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→热处理→磨加工。

[关键词]长薄型切片刀；翘曲变形；热应力；淬火介质；热处理

 

一、前言

 塑件翘曲变形是注塑制品最重要的质量指标之一，它不仅影响产品的装配和使用性能，而且影响产品的外观质量。

 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。

刀具淬火变形的现象普遍存在，普通淬火工艺不能很好的解决这个问题。淬火变形影响因素非常复杂，导致对淬火后的变形控制十分困难。如果采用校直办法纠正变形或通过加大磨削加工余量，会有效果，但是成本会增加。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。 

切片刀是一种切削工具刀，因此需要良好的硬度和平直的外形。多年来一直采用常规热处理淬火工艺规范，热后端面翘曲变形大，不良品率特别高，经磨削加工后仍达不到图纸技术要求。所以找出变形原因并改进淬火工艺非常重要。

 

二、T12钢的物理化学性能

T12钢由于含碳量高，淬火后有较多的过剩碳化物，按耐磨性和硬度适于制作不受冲击负荷、切削速度不高、切削刃口不变热的工具。

 

T12钢的化学成分（GB1298-86）w/％

C	Si	Mn	S	P
1.15~1.24	≤0.35	≤0.40	≤0.030	≤0.035

    密度为7.81t/m ³；磁导率µ为约0.85mH/m;矫顽力Hc636.6～795.8A/m，（Hc的下限值适合于球化组织；上限值适合于珠光体组织）；饱和磁感Bs1.88～1.92T。 

 

T12钢的临界温度

临界点	Acl	Acm	Arl
温度（近似值）/℃	730	820	700

 

T12钢的线（膨）胀系数 

温度/℃	20～100	20～200	20～300	20～500	20～700	20～900
线（膨）胀系数/℃	11.5×10-6	13.0×10-6	14.3×10-6	15.1×10-6	15.8×10-6	32.4×10-6

 

T12钢的质量定压热容 

温度/℃	300	500	700	900
质量定压热容cp/ J·（kg·k）-1	548.4	728.5	649.0	636.4

 

三、切片刀淬火变形原因分析

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。

（一）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。

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。

1、热应力引起的变形

通过对变形产生分析后认为，工件在加热时随加热温度升高，其屈服强度降低。在于工件内部已存残余应力(冷变形应力、机加工应力等)，当达到高温时的屈服强度时，就会引起工件不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力松弛。淬火冷却时，工件冷却速度的不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部产生翘曲变形。

长薄型切片刀在加热和冷却过程中，体积会因为热胀冷缩的原因发生变化以及因组织转变时新旧相比容差而产生的体积改变。当工件加热到淬火温度时，屈服强度明显降低，塑性则大大提高。T12钢的屈服强度较低。工件内部应力已经超过本身的屈服强度所以工件会出现两端翘曲变形现象。

该切片刀的材料是T12钢，它是一种导热性很差的高碳钢，淬火加热温度高于Ac1线低于Acm线，温度相对较高，所以应采用多次预热和缓慢加热，以免工件变形、开裂而报废。

2、组织应力引起的变形

工件用的T12钢，含碳量很大，因此马氏体的比容较大（见表1计算方法），因此组织应力很大。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。组织应力的产生起源于体积的收缩和膨胀，因为体积的膨胀收缩而导致组织转变的不等时性。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的综合作用。

 

组织名称	％C	比容 CM3/g(20℃)
奥氏体（A）	0～2	0.1212+0.0033×％C
马氏体（M）	0～2	0.1271+0.0025×％C
渗碳体（Fe3C）	6.7±0.2	0.130±0.0001
ε-碳化物	8.5±0.7	0.140±0.0002
铁素体（α）	0～0.2	0.1271
铁素体+渗碳体	0～2	0.1271+0.0005×％C
低碳马氏体+ε-碳化物	0～2	0.1277+0.0015(％C-0.25)
铁素体+ε-碳化物	0～2	0.1271+0.015×％C
石墨	100	0.451

表1钢中各种组织的比容计算

 

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)
奥氏体->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	0	0

3、碳含量对变形的影响

T12钢含碳量为1.2％，属于高碳钢。该切片刀的碳含量很大所以会因为淬火时相变的原因而体积变化很大（体积改变量见表2），从而引起变形；且该工件是长薄性，体积变化对形状影响很大。

含碳量（％）	体积变化（％）	含碳量（％）	体积变化（％）
0.1	+0.113	1.0	+1.557
0.3	+0.404	1.2	+2.103
0.6	+0.922	1.7	+3.781
0.85	+1.227

表2 马氏体形成时的体积变化与含碳量的关系

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曲线的“鼻温”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。因此，钢的理想淬火冷却速度如图所示：

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400—650℃时，水的冷却速度很小，大约200℃／s，而在400℃以下需要慢冷的区间，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，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。

分析该切片刀的淬火工艺时，发现在冷却时工件的冷却速度和淬火介质选的都不合适，这就造成了改工件最后会出现翘曲变形。

 

四、改善热处理工艺

热处理设备：采用井式电阻炉。在切片刀的热处理过程中，满足工艺要求的变形量是非常困难的，试验中，我们采用以下几种方法来控制切片刀的圆周平面翘曲变形。

淬火温度/℃	冷 却				硬度（HRC）
	介 质	温度/℃	延 续	冷却到20℃
790 ～ 810	锭子油或变压器油	20～40	至油温	—	62～64
	熔融硝盐	150～180	3～5min	冷空	62～64
	熔碱中加4％～6％	150～180	3～5min	冷空	62～64

(一)预备热处理

正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。

①淬火前的准备：清除切片刀表面的锈痕、污物、裂纹、磕碰伤、变形等缺陷。

尽量减少刀片厚薄悬殊，切片刀表面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；刀片应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；在工件的厚薄交界处要有圆角过渡；减少刀片上的孔、槽筋结构不对称；预留加工量。

    ②选择合适的托盘架：采用直径大于500mm 的托盘架，要求其表面平整，将切片刀逐一叠放在托盘架上，并将切片刀分成四等份，每一等份之间用铁丝在切片刀与切片刀之间进行相互连接，使切片刀之间既重叠又有一定的间隙，每一付托盘架上可放置6—7件切片刀。

    ③消除应力退火：采用450℃ 进行消除应力退火，消除了切削应力，对切片刀的尺寸起到了一个良好的稳定作用。

④淬火加热：将切片刀放人已升至850℃ 的井式炉里加热，保温。

适当提高淬火温度以增加淬火后残余奥氏体含量。由于奥氏体的体积比马氏体组织小，可部分抵消由于组织转变所引起的淬火畸变；同时奥氏体的塑性好有利于淬火后热矫直。

淬火过程热校直:

    利用冷却过程的“相变超塑性”直接进行校直，使用专用卡具在每片产品间加入垫片，加压夹持。

    ⑤冷却方式：将在850℃保温1小时的切片刀放人通有压缩空气的油中冷却，由于切片刀在托盘架上固定，比较平稳，切片刀之间又有2—3mm的间隙，从而保证了切片刀能够均匀冷却，防止了软点的产生，等切片刀冷至120℃左右时，出油冷至室温。

    ⑥回火：冷至室温后的切片刀，立即进行低温回火，回火设备：采用低温回火油槽，加热温度为150℃。

    回火过程中始终夹持在专用卡具中，以消除应力，稳定组织尺寸。

（二）机械加工

　　当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值应满足图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。为此，应按照工件的畸变规律，热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机械加工余量易于确定，而热处理由于影响因素多比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。热处理后再加工，根据工件的变形规律，施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率。

 

五、总结

    切片刀在采取上述几种方法后处理后，经检验，切片刀的两端平面翘曲变形量和硬度均符合工艺要求。提高了生产效率，满足了批量生产的需要。

 

[参考文献]

[1]吕立新著.哈尔滨第一工具厂.《超薄刀具的热处理》.2003

[2]刘晔东主编.热处理变形浅析.机械工人：热加工.2007.

[3]雷声主编.齿轮热处理变形的控制.机械工程师.2008.

[4]魏强、刘晓清主编.热处理淬火变形的控制.汽车工艺与材料.2008.

[5]胡德林主编.金属学及热处理.西安：西北工业大学出版社.1995. 

[6]黄继华主编.金属及合金中的扩散.北京：冶金工业出版社.1996. 

[7]李恒德、肖纪美主编.材料表面与界面.北京：清华大学出版社.1990.

[8]徐耀祖主编.马氏体相变与马氏体.北京：科学出版社.1999.

[9]刘春旸著.钢铁热处理.北京：冶金工业出版社.1982.

[10]钱苗根、胡根祥主编.金属学.上海：上海科学技术出版社.1980.

[11]周如松主编.金属物理.北京：高等教育出版社.1992.