不锈钢零件真空淬火会变形吗_套类零件淬火变形的成因

　　 [摘要] 当零件进行淬火后所有工件或多或少都会发生变形,淬火变形包括尺寸变化和形状变化两种。文章着重分析了套类零件在淬火变形时尺寸的变化特点和组织变化过程;形状变形是导致其力学性能的不一致性的原因。
　　[关键词] 套类零件 淬火 变形
　　
　　当零件进行淬火后所有工件或多或少都会发生变形,这是不可避免的。淬火变形对确定后继的磨削加工的磨削留量将起着很大的影响,有的甚至使工件无法再进行磨削而报废。所以生产中的淬火变形一直给工厂带来大量的麻烦和巨大的损失。尤其是套类零件由于它壁薄,内、外径都产生变形,这样套类零件的淬火变形更大些,更容易产生零件报废现象。因此,淬火时要有一定的措施以使变形限制在一定的范围内,要限制工件的淬火变形就应先了解淬火变形产生的根源及淬火工件变形的趋势,才能有针对性地采用措施防止和减少变形。
　　淬火变形包括尺寸变化和形状变化两种,尺寸变化是指工件淬火后伸长、缩短、变粗或变细等与原来零件相似形的变化。形状变化是指工件淬火后翘曲、弯曲、扭曲等与原来零件呈非相似形的变化。
　　一、尺寸变化
　　试验套圈:中负荷轴承(6200)
　　淬火引起组织变化,从而也发生比容变化。在钢的各种组织中马氏体的比容最大,奥氏体的比容最小。淬火时,随着过冷奥氏体转变成马氏体,钢的体积发生膨胀而引起工件尺寸胀大,例如含碳1.0%的奥氏体转变为马氏体时,体积膨胀率可达到�4.63%。而且奥氏体中的含碳量愈高,马氏体的膨胀量愈大。
　　套类工件,仅内孔部分淬火时,内孔收缩;整体淬火时,其外径总是增大而内孔有时胀大,有时缩小。一般情况是:外径大而内孔小时(即壁厚大时),内孔缩;外径小而内孔大时(即壁薄时),内孔胀大。因此,套类工件淬火时外径增大是各种套类零件的共同特点。
　　例如,图(1)是GCr15轴承套圈在连续淬火炉中油淬后外径膨胀规律。轴套圈外径尺寸越大,膨胀量越大,其值可用经验公式求出:
　　△d =kD-m
　　式中:△d:外径尺寸变化量(毫米)或膨胀
　　k:比例常数
　　D:外径尺寸(毫米)
　　m:修正值
　　一般情况下,比例常数k随着淬火的各种条件反映不同的值。例如:淬火时,在Ms点以下冷却速度快时的k值比冷却速度慢时要大。另外,由于油温、奥氏体化温度、冷却介质种类、冷却介质有无搅拌、试样形状等不同,k值也不同。
　　为了得到硬度,零件从奥氏体化区域淬入水中或油中,使其转变为晶格严重畸变的体心正方晶格马氏体。这时在高温溶入的碳就固溶残留于这种状态的马氏体中。但在室温下这种过饱和固溶体处于不稳定状态。固溶的碳会借于温度和时间而析出。首先形成ε碳化物和晶格畸变较小的体心立方晶格马氏体,这时马氏体的比容减小而收缩,称为马氏体的分解。在立方晶格马氏体中,1%正方晶格马氏体的分解产生约1.5×10��-5的相对收缩。
　　由于钢种和淬火条件不同,从奥氏体向马氏体的转变是不完全的。如轴承钢一般有5%～20%的奥氏体残留到室温,这样的未转变的奥氏体就是残留奥氏体。在室温下同样为不稳定相,也会借助于温度和时间而转变为稳定的体心立方晶格的马氏体。在这个过程中,比容反倒增加而膨胀,这时残留奥氏体数量随着时间而减少。
　　以上二种组织变化而引起的尺寸变化就产生所谓“时效变形”现象,图2为淬火时在各种温度保温30分钟后冷至室温所测得的膨胀量。此外,回火时,尺寸变化量还要改变,如图2所示。例如,20℃时,稳定后进行回火会引起收缩,而在80℃稳定后,回火会引起膨胀。我们可以用图3所示的轴承钢在843℃奥氏体化,淬火时,以各种温度进行稳定化处理(在该温度保温30分钟)后的残留奥氏体量变化中60℃稳定化处理时残留量奥氏体量最多。用这个事实来解释这个问题。
　　因为20℃稳定处理时所残余奥氏体量少,在回火时主要是以碳化物析出,即正方晶格马氏体分解为主。因此回火后尺寸收缩,而在80℃稳定处理时由于残留奥氏体量较高,这样当碳化物析出的体积收缩和奥氏体向马氏体转变体积膨胀综合影响,由于这时残留奥氏体量大而且相同比例的奥氏体转变为马氏体的体积膨胀量要比碳化物析出时的体积收缩量要大,而引起体积膨胀。如表1所示。
　　二、形状变形
　　随着套件零件的尺寸变形,必将或多或少产生椭圆变形,这是因为工件内部的材料组织不均匀性,导致其力学性能的不一致性的原因。当工件受到应力作用时,总是在力学性能较差的部位先发生变形而产生不均匀的变形造成的。就象我们吹气球时,气球胀大后总是显椭圆形一样。而且与冷却速度和淬火油度有关,一般是冷却速度越快变形越大,油温越低变形也越大。
　　此外,一般套件零件淬火时,会发生锥度变形。其产生的主要原因是因为套类零件在淬火时两端冷却速度不一致。马氏体转变开始时间有先有后造成的。下面我就结合工件如图4所示方式进入淬火介质时产生锥度变形的原因进行分析。
　　由于工件在油槽中下沉及热油上浮使上端要比下端冷却速度慢,造成到达Ms点较迟,而形成圆锥变形。这个现象用图5说明以淬火加热前的S点开始,由于热加奥氏体化到O是膨胀的。淬火时冷却时下端L处达到了Ms点时用L1表示,上端T正处于比Ms点要高的温度用T1表示。如继续冷却的话,下端产生了马氏体转变,开始膨胀;原本上端在达到Ms点之前产生收缩也应该一直到L1为止,可是受到下端膨胀应力的影响,收缩停止,从T1变为T2,而且当T2到Ms后,就开始马氏体转变而膨胀,后果下端形成了S―O―L1―L2―L3的变形;而上端为S―O―T1―T2―T3的变形,这样由于淬火上端尺寸S变成T3,下端尺寸由S变成L3,自然上端外径比下端外径要大,这就是锥度变形产生的原因。如果在冷却时,使上端和下端的冷却速度一样,并同时达到Ms点的时候,上下端尺寸就同时按S―O―L1―E变化,因此就不会引起锥度的变形。
　　主要由热应力引起:由于薄壁端处于下端且油温较低,因此冷却时下端(即薄壁端)的冷却速度要比上端T(厚壁端)的冷却速度快得多造成上、下端存在着很大的温度差。由于温度差的存在工件首先在温度低的部分发生缩收而产生热应力,这个应力使工件高温部分受压应力(如图6.a用“-”表示工件受压,“+”表示工件受拉)影响而被动收缩。由于淬火时工件都已奥氏体化,且工件还处于高温下,而高温奥氏体的塑性变形抗力很小,所以此时工件高温部分的上端被动收缩为塑性变形收缩。当下端冷却到Ms点时体积要膨胀,而上端还没有到Ms点仍然要冷却收缩,这样使冷却速度慢的上端的体积收缩量要比冷却速度快的下端收缩量大而造成尺寸减速小,这时工件温度都较低,工件各自变形后产生很大的内压力,使工件上端受拉应力,而下端受压,如图6.b所示。
　　图c:①当a、b相差较小时,下端比上端小。这种状况变形的原因和a情况相同。②当a、b相差较大时,下端比上端大。虽然下端的油温比上端的低,但由于下端的壁厚比上端的厚得多,所以冷却速度比上端的稍慢些,这样可用相似图5的图7来解释,变形原因也和图4a相同。③中间状态时,上下两端直径有时一样大。
　　这种状况变形的原因和图a原因相同,将形成上大下小的椭圆变形。
　　上述是简单套类零件的基本锥度变形状况,而其它更为复杂的套类零件可以认为和基本的锥度变形发生情况是一样的。
　　三、结束语
　　淬火引起的变形是由热应力和相变应力复合产生。一般认为当热应力比相变应力小得多时,可着重于研究相变应力,特别是高碳钢。也就是说膨胀受残留奥氏体影响;当热应力比相变力大得多时变形主要受热应力的影响。不过变形都与到达Ms点的时间差的大小有很大的关系。所以在淬火时一般可采用搅拌油液的方法来控制淬火变形。
　　参考文献:
　　[1]王纪安.工程材料与材料成形工艺(第二版).高等教育出版社,2004,12.
　　[2]宋杰,李蕾.工程材料与成形工艺.大连理工大学出版社,2000-08-01.
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