[科普中国]-高温形变热处理

形变热处理

形变热处理是在金属材料上有效地综合利用形变强化(加工硬化)及相变强化,将压力加工与热处理操作相结合,使成形工艺与获得最终性能统一起来的一种工艺方法.它不但能够获得一般加工处理达不到的高强度与高塑性(韧性)的良好配合,而且可以大大减化零件或钢材的生产流程,降低成本,带来相当的经济效益,因而在各国受到普遍重视,得到较快的发展.其中的高温形变热处理更为人们关注,发展更为迅速.目前,钢的高温形变热处理已发展成理论研究和实际应用都相当成熟的工艺,在钢材或零件的生产中得到广泛的应用。

简介高温形变热处理将钢加热到稳定的奥氏体构内，在此状态下进行塑性变形，随即进行淬火，回火的综合热处理工艺，叫高温形变热处理，或叫高温形变热淬火。

与普通热处理比较，某些钢材经高温形变淬火，能提高抗强度10%-30%，提高塑性40%-50%。一般非合金钢、低合金钢均可采用这种热处理。1

钢的高温形变热处理及其主要特点处理步骤如图1所示,钢的高温形变热处理首先将钢材或零件加热至稳定的奥氏体区保温获得均匀的奥氏体组织.然后在该温度下进行高温塑性形变,改变零件或钢材的形状尺寸;同时通过控制高温形变的方法和形变参数以获得所需的形变后相变前的奥氏体组织.最后通过控制形变奥氏体的冷却过程(冷却方式、速度)等得到最终所需的组织和性能。

主要特点(1)有效地改善钢材或零件的性能组合,即在提高钢材强度的同时大大改善其塑性、韧性,减少脆性.

(2)显著改善钢材的抗冲击、耐疲劳能力;提高其在高接触应力下局部表面的抗力;降低脆性折转温度和缺口敏感性.

(3)对材料无特殊要求,低碳钢、低合金钢甚至中、高合金钢均可应用.

(4)在高温下进行塑性形变,形变抗力小,一般压力加工(如轧制、压缩)下即可采用,并且极易安插在轧制或锻造生产流程中.

(5)大大减化钢材或零件的生产流程,缩短生产周期,减少能耗,降低成本.

(6)高温形变热处理的强化程度不如低温形变热处理,而且较易在截面较小的工件上进行.

(7)高温形变热处理要求比普通热处理更加严格的过程控制,尤其是高温形变参数(决定形变后奥氏体状态)和冷却过程(最终决定材料的组织和性能)的控制.同时由于引入高温形变过程,工艺的复杂性大大增加.1

钢的高温形变再结晶规律钢的高温形变再结晶规律是研究钢高温形变热处理的重要基础.高温形变热处理在奥氏体再结晶温度以上进行,形变同时奥氏体发生再结晶及其后的晶粒长大过程、动态析出过程,使形变后奥氏体处于不同状态.高温形变参数在此起到重要作用.钢的高温形变再结晶规律研究正是研究不同钢种高温形变和形变奥氏体再结晶行为及规律、奥氏体晶粒长大规律、形变过程中动态析出规律以及形变参数的影响等,最终通过合理选择和控制高温形变参数以获得所需的形变奥氏体组织。

应用钢材生产方面相对而言,钢材的形状较为简单,批量生产,需求量大.在钢材生产过程中涉及大量的高温塑性形变,因而很容易对其实现加压加工与形变强化相结合的高温形变热处理工艺.在绝大数情况下,只需对其轧制生产过程进行控制,即通过合理制订和控制轧制时特别是最后几道次的工艺参数(如轧制道次,每道次的压下量,形变速率,始、终轧温度,轧后停留时间等)和轧后冷却方式及过程,就可实现.目前,这种控轧工艺已成功地应用于各种型材包括板材、带材、棒材以及管材等的生产中,不仅大大简化了钢材的生产流程,降低成本,而且显著改善和提高钢材的力学性能,取得了良好的经济效益.一般的,对于低碳合金钢,控制轧制可以获得10%～20%的额外强化,同时大大改善钢材的可焊性.即使是一些合金元素含量较高的机械零件用钢甚至合金工具钢,其控制轧制后的强韧化效果亦可通过“遗传性”表现出来.将25mm厚锰硅钢板在轧后直接淬火和重新加热淬火的强度比较,可以清楚地看出,高温形变强化对强度的贡献.同样,采用高温形变轧后直接淬火(水冷)的方法生产出的盘条,其强度提高了20%～30%以上.高锰钢铁路岔道,采用高温形变热处理(淬火)和低温形变淬火的复合处理后,抗拉强度提高了25%,屈服强度则提高了65%。

机械零件生产与钢材相比,机械零件的形状尺寸千差万别,使用场合及要求也各不相同,因而对其进行高温形变热处理要复杂得多.在实际实施过程中,往往遇到形变的选择、特殊装量的设计、工艺路线的改变、形变及热处理设备的重新布置以及若干新的附加工序的安排等一系列问题.需要根据不同零件的特点、尺寸、形状及批量等确定工艺及组织生产.尽管如此,经过广大科技工作者的不懈努力,到目前为止,形变热处理在机械零件的生产中仍获得了较大成功。

晶粒超细化晶粒超细化是提高金属材料强韧性的重要方法.多年来,如何细化钢其强韧性一直是人们普遍关注的问题.而高温形变热处理,通过控制高变过程中发生的动态再结晶,可使钢铁材料获得明显的细化.目前,人们中获得了超细化的P+F组织,而且在高合金钢中亦获得了超细的晶粒。2

未来发展趋势(1)继续进行高温形变动态再结晶研究、形变时动态析出研究.特别是对于含碳和合金元素较高的中、高合金钢中的形变再结晶规律研究,弄清其形变再结晶规律,从而为这类钢的形变热处理打下理论基础.

(2)复合形变工艺的采用.单一的高温形变热处理已很难满足零件的要求,必须考虑将各种形变热处理的方法如高、中、低温形变热处理及其它形变热处理结合使用甚至形变热处理与化学热处理综合使用,进一步提高零件的性能.

(3)加强形变热处理的应用研究.虽然形变热处理目前在实际生产中已获广泛应用,随着科学技术的进一步发展,特别是新工艺方法、控制技术的不断出现,对形变参数的控制精度将进一步提高,以前看来很难实现形变热处理的零件都有采用形变热处理的可能.

(4)加强形变组织及性能的研究.不断探索新的形变热处理工艺方法.继续进行复杂钢种如工模具钢的形变热处理应用研究。1