一種基于相變塑性的熱處理變形的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬材料加工工藝，尤其是涉及一種基于相變塑性的熱處理變形的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬制品的機(jī)械零部件通常可通過熱處理來提升力學(xué)性能。而在熱處理過程中，由于存在材料不均勻性、加熱和冷卻不均勻性、殘余應(yīng)力等因素，被處理零部件通常會產(chǎn)生不同程度的彎曲和翹曲等現(xiàn)象，稱之為熱處理變形。發(fā)生熱處理變形的金屬零部件如果超過了一定范圍，通常需要通過矯形使其尺寸達(dá)到設(shè)計要求。熱處理變形零部件的矯形原理是在外力作用下使材料發(fā)生少量塑性變形，并將該部分變形永久保留下來的加工工藝。
[0003]通常的矯形方法均基于穩(wěn)定組織的塑性變形。該方法主要是對經(jīng)熱處理后(通常相變已經(jīng)結(jié)束)的零部件，加力產(chǎn)生塑性變形來進(jìn)行矯形。然而該方法在模具鋼、工具鋼等高強(qiáng)度鋼材的矯形中，需要施加極大的矯直壓力，對矯直機(jī)和軋輥要求較高。文獻(xiàn)《不銹鋼薄板激光加熱矯形技術(shù)的研宄》(夏寒劍.研宄生碩士論文.2007)和文獻(xiàn)《火焰加熱矯形方法的研宄和應(yīng)用》(李偉.金屬熱加工.2011，9，28-19)分別報道了兩種局部加熱，利用熱應(yīng)力進(jìn)行矯形的方法。但應(yīng)用該方法難以控制和預(yù)測最終的形狀尺寸，工藝制定較為困難。文獻(xiàn)《鈦及鈦合金板材真空蠕變矯形爐研制及其應(yīng)用》(任連保，張文政，唐首斌.鈦工業(yè)進(jìn)展.2010，27(5):28-31)報道了應(yīng)用蠕變進(jìn)行矯形的方法。該方法應(yīng)用蠕變變形理論，在真空條件下對鈦合金板材長時間加載等溫，達(dá)到了矯形目的。然而該工藝耗時較長，為防止氧化長時間等溫蠕變需在真空氣氛中進(jìn)行，對設(shè)備投資較大。
[0004]相變塑性是鋼在發(fā)生相變時呈現(xiàn)的一種特殊的力學(xué)行為，與經(jīng)典的塑性變形不同。經(jīng)典的塑性變形需要外加載荷超過材料的屈服強(qiáng)度時才能產(chǎn)生不可逆的塑性變形，而相變塑性在應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度就可發(fā)生。相變塑性有三個基本特征:一是伴隨相變發(fā)生而發(fā)生；二是應(yīng)力水平低時也能產(chǎn)生，甚至低于弱項的屈服極限；三是隨著外加應(yīng)力的增大而增大。
[0005]相變塑性有如下解釋:
[0006]I)由于塑性變形而引起的局部應(yīng)力集中，將由于相變而得到松弛，因而防止裂紋形成，故提高了材料的韌性和塑性；
[0007]2)外加載荷超過材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形的本質(zhì)是材料內(nèi)部發(fā)生了晶格的相對錯位。在彈性階段，外加應(yīng)力沒有超過晶格之間的作用力，因此出現(xiàn)可恢復(fù)性的彈性變形；而在塑性變形階段，外加應(yīng)力超過了晶格之間的作用力，即發(fā)生晶格畸變，產(chǎn)生位錯等缺陷，并出現(xiàn)晶格的滑移和孿晶從而導(dǎo)致了不可逆的塑性變形。而在相變過程中，材料的晶格處于亞穩(wěn)狀態(tài)，此時晶格間作用力并不穩(wěn)定，因此材料內(nèi)部會出現(xiàn)在較小外力作用下即產(chǎn)生位錯缺陷，導(dǎo)致外加應(yīng)力在不超過材料本征屈服強(qiáng)度的情況下即產(chǎn)生塑性變形。
[0008]相變塑性現(xiàn)象早在上世紀(jì)60年代就在實(shí)驗過程中發(fā)現(xiàn)，也已應(yīng)用于熱加工工藝中。中國專利申請“利用相變超塑性對金屬材料機(jī)械零件進(jìn)行矯形的方法”(專利公布號:CN 101935744A)提供了一種利用回火相變超塑性對金屬零件進(jìn)行矯形的方法，對回火過程中的零件利用工裝進(jìn)行固定，使其發(fā)生由于相變塑性導(dǎo)致的低應(yīng)力塑性變形而矯形。然而金屬經(jīng)淬火后，材料硬度和強(qiáng)度已經(jīng)提高，因此在回火過程中所需施加的外力也較高。且該方法需要專門設(shè)計的要求較高的工裝夾具，應(yīng)用范圍較為局限，不適用于高強(qiáng)度板帶材和型材等的矯形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了解決熱處理后的工件矯形中出現(xiàn)的矯形力大、時間長等問題而提供一種基于相變塑性的熱處理變形的控制方法。
[0010]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0011]一種基于相變塑性的熱處理變形的控制方法，采用以下步驟:
[0012]步驟一、奧氏體化工序:將工件均勻加熱至奧氏體化溫度，根據(jù)材料成分保溫一定時間，低合金鋼保溫時間為10-60min，高合金鋼為30_120min，使其充分奧氏體化；
[0013]步驟二、淬火工序:將工件置于淬火液中，或進(jìn)行噴霧進(jìn)行急速冷卻，冷卻至一定溫度；
[0014]步驟三、相變塑性下的矯形工序:對工件進(jìn)行壓力矯形，被矯形工件此時正發(fā)生相變，由于相變塑性和部分未轉(zhuǎn)變奧氏體的存在，施加載荷遠(yuǎn)低于該溫度下材料的屈服強(qiáng)度，工件發(fā)生矯形所需的塑性變形；
[0015]步驟四、回火工序:將工件置于回火爐中，控制溫度為300_650°C，一般是中溫或高溫回火熱處理，回火結(jié)束后即可得到尺寸公差合格的工件。
[0016]步驟二處理工具鋼、彈簧鋼或高強(qiáng)度合金鋼時，將工件淬冷至Ms點(diǎn)以下50-80°C時將工件取出，淬火液的選取根據(jù)不同零部件而不同，在冷速較大的前提下保證淬火過程中零部件不會變形開裂。
[0017]步驟二處理貝氏體鋼時，需要進(jìn)行下貝氏體等溫淬火，淬冷至貝氏體等溫溫度等溫，等溫時間為原等溫時間的20-40%，隨后將工件取出，淬火液的選取根據(jù)不同零部件而不同，在冷速較大的前提下保證淬火過程中零部件不會變形開裂。
[0018]步驟二處理普通碳素鋼、結(jié)構(gòu)鋼等低合金鋼，淬冷至室溫后，迅速將工件轉(zhuǎn)移至矯形設(shè)備處，利用馬氏體自回火相變塑性進(jìn)行矯形，淬火結(jié)束到矯形開始之間的停留時間不超過10-15分鐘，，淬火液的選取根據(jù)不同零部件而不同，在冷速較大的前提下保證淬火過程中零部件不會變形開裂。
[0019]在步驟三與步驟四之間，還可加入繼續(xù)淬火工序，在完成步驟三后，工件若溫度尚未達(dá)到淬火終了溫度，對其進(jìn)一步進(jìn)行冷卻處理。其中，在處理貝氏體鋼時，在完成步驟三后，將工件返回爐內(nèi)，在貝氏體等溫溫度下繼續(xù)等溫，直至相變結(jié)束。
[0020]步驟三施加的載荷一般為材料屈服強(qiáng)度的20% -50%。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、相變塑性是一種不可逆的塑性變形，伴隨相變過程而產(chǎn)生，此時的塑性變形應(yīng)力并不要求達(dá)到屈服極限，本發(fā)明利用該原理，有效解決了熱處理后的工件矯形中出現(xiàn)的矯形力大、時間長等問題，降低了熱處理后變形控制成本。經(jīng)該方法矯形的工件，內(nèi)應(yīng)力低，組織硬度合格且能夠達(dá)到所需的尺寸要求。
[0023]2、由于相變塑性普遍存在于各類材料的相變過程中，因此本發(fā)明可應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼、復(fù)雜形狀零部件和大型薄壁結(jié)構(gòu)件等熱處理變形難以控制的材料，針對不同材料可應(yīng)用不同的相變塑性矯形工藝。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]一種基于相變塑性的熱處理變形的控制方法，其工藝如圖1所示，采用以下步驟:
[0027]步驟一、奧氏體化工序:將工件均勻加熱至奧氏體化溫度，根據(jù)材料成分保溫一定時間，低合金鋼保溫時間為10-60min，高合金鋼為30_120min，使其充分奧氏體化；
[0028]步驟二、淬火工序:將工件置于淬火液中，或進(jìn)行噴霧進(jìn)行急速冷卻，冷卻至一定溫度，具體來說:
[0029]處理工具鋼、彈簧鋼或高強(qiáng)度合金鋼時，將工件淬冷至Ms點(diǎn)以下50-80°C時將工件取出，淬火液的選取根據(jù)不同零部件而不同，在冷速較大的前提下保證淬火過程中零部件不會變形開裂。
[0030]處理貝氏體鋼時，需要進(jìn)行下貝氏體等溫淬火，淬冷至貝氏體等溫溫度等溫，等溫時間為原等溫時間的20-40%，隨后將工件取出，淬火液的選取根據(jù)不同零部件而不同，在冷速較大的前提下保證淬火過程中零部件不會變形