CN101550482A - 一种金属工件热处理变形控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：其具体采用下述两种方法之一：第一类方法，是在工件进入冷却介质过程中，使用处于工件周围的固定工件的类球形介质阻挡冷却介质的运动对高温工件的冲击，从而减小工件因受到水的机械作用力产生的变形；第二类方法：是刚性固定工件各部分的相对位置，用机械方法限制工件产生变形。本发明所述的框架内填充有类球形物质的装置能够限制轻合金工件的变形。常规工件热处理卡具只能用于一种特定工件。本发明设计的工件热处理方法的另一个优点是可以适合各种不同形状的工件。

Description

一种金属工件热处理变形控制方法
技术领域
本发明涉及金属工件热处理技术，特别提供了一种能够减小或消除金属工件在热处理过程中产生的变形的技术方法。
背景技术
热处理变形是指零件经热处理后尺寸发生了变化，比如弯曲、翘曲、扭曲等，其变形量超过了图样公差要求必须修正，否则零件报废。零件热处理变形是比较普遍的现象。现代机器制造中零件变形成本占了整个制造成本的很大部分，热处理零件变形校直工序和特殊工装的成本往往达到热处理总成本的20％～25％。控制工件热处理变形意义重大。
最容易造成变形的是固溶处理中的淬火过程。现有的控制工件热处理变形的方法有3个途径，第一是减小工件冷却速度，从而减小变形；第二是用机械方法限制工件变形；第三是在变形后利用专用装置矫正工件的变形。
减小工件冷却速度是常用的方法，现有的方法主要是改变冷却介质类型，例如采用矿物油可以显著降低工件冷却速度，从而减小变形。对于大多数铝合金铸件来说，油的冷却速度太低，不能满足工件热处理力学性能要求，并且热处理后附着在工件表面的油膜需要用专门清理工序清除。目前比较常用的减小铝合金工件热处理变形的方法是采用聚合物淬火剂淬火(文献1：吴瑞豪、冯敏：B-757飞机铝合金零件聚合物淬火，《金属热处理》2001年第1期：48-50)。这种淬火方法可以明显减小铝合金工件变形，在铝合金变形材料热处理中广泛应用。铝合金铸造件通常结构远比铝合金变形材料制件复杂，热处理变形倾向更大。聚合物淬火剂淬火法用于铸造铝合金件，其效果因铸件结构而有所不同，对于变形倾向大的薄壁件和复杂件，最终变形量往往还超标。气体介质淬火可以显著减小金属工件的热处理变形，但通常气体介质的冷却速度低，不能满足工件的最低冷速要求，需要采取专门技术措施提高气体介质的冷却速度，例如一项中国专利(申请号：87105737)发明的在流化床中快速淬火的方法是用一定流量的高传导性气体使由具一定的颗粒类型和尺寸的颗粒组成的床流态化介质冷却工件。现有的气体介质淬火需要与流态床热处理技术结合，技术和所需设备复杂，价格昂贵，并且只适合大量流水线生产。
在工件淬火过程中采用专门设计的卡具卡紧工件，用机械方法限制工件变形是常用的方法。这种方法的每一种卡具只适合一种特定的工件，每个尺寸工件都需要专门卡具。例如中国实用新型专利ZL97207291.8只适合某种细长工件。这种方法的缺点是模具成本高。
在工件热处理变形后利用专用装置矫正工件的变形也是常用的方法。工件变形后矫形费用高，耗时多，并且有些情况下难以矫形。
人们渴望获得一种技术效果更好的金属工件热处理变形控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属工件热处理变形控制方法。
本发明提供了一种金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：其具体采用下述两种方法之一：第一类方法，是在工件进入冷却介质过程中，使用处于工件周围的固定工件的类球形介质阻挡冷却介质的运动对高温工件的冲击，从而减小工件因受到水的机械作用力产生的变形；第二类方法：是刚性固定工件各部分的相对位置，用机械方法限制工件产生变形。
所述金属工件热处理变形控制方法优选还满足下述要求：
第一类方法中，根据需要热处理工件的尺寸和结构，先使用一个可以容纳工件的带金属网的框架，把工件置入框架中部，并且工件不与框架直接接触，在工件与框架之间，以及工件内所有各个空间填充以可流动的类球形介质；所述的可流动的类球形介质为空心或实心结构；
第二类方法中，根据需要热处理工件的尺寸和结构，先使用一个可以容纳工件的带金属网的框架，把工件置入框架中部，并且工件不与框架直接接触，在工件与框架之间，以及工件内所有各个空间填充以类球形固体介质；所述类球形介质为实心固体介质或者不活发生明显变形的空心结构；所述类球形介质的尺寸大致相同，其添实框架内工件内外所有空间，机械固定了工件各部分的相对空间位置，使工件变形无法发生。
在所述金属工件热处理变形控制方法的第二类方法中，还满足下述优选要求：
所述类球形介质具体为类球形刚性实体，其与工件表面以及相互接触的类球形刚性实体之间的空隙在淬火过程中被淬火冷却介质充填。
所述类球形刚性实体可以是铸铁球或钢球，类球形刚性实体的直径为1mm～30mm。
在使用类球形刚性实体初步固定工件之后，把盛装好工件并紧固好的框架放入热处理炉进行固溶处理；在固溶处理完成后把盛装好工件的框架整体投入淬火冷却剂中。
所述用于容纳工件框架具体为带金属网的框架；所述框架和类球形刚性实体都是由轻合金固溶处理温度范围内线膨胀系数很小，屈服强度高，淬火变形可以忽略不计的高熔点材料制成。高熔点材料可以是钢或铸铁。
本发明所述的框架内填充有类球形物质的装置能够限制轻合金工件的变形。
常规工件热处理卡具只能用于一种特定工件。本发明设计的工件热处理装置的另一个优点是可以适合各种不同形状的工件。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1条形铸造板试验件；
图2条形铸造板试样装入容器的示意图；
图3条形铸造板试验件热处理后变形示意图(图中试样4顶点坐标值为测量基准面坐标值)；
图4薄壁槽形铸造试验件；
图5薄壁槽形铸造试验件装入容器的示意图；
图6薄壁槽形铸造试验件热处理后变形示意图(图中试样4顶点坐标值为测量基准面坐标值)；
图7舱门铸件。
具体实施方式
实施例1
热处理试样为400×40×3mm铸板(见图1)，材料为铝铜合金ZL205，把试样装入框架式容器中，每个容器每次装3个试板，充入球状固体介质，板间距大于10个球直径。球状固体介质为直径1mm的钢球。
锁紧容器，使试样位置固定；试样装入容器的示意图见图2。把盛装好工件并紧固好的框架放入热处理炉进行固溶处理；固溶处理温度538℃，保温时间18h。固溶处理完成后把盛装好工件的框架整体投入70℃的水中。当试样冷却到与水温相同时，从水中取出框架式容器，打开容器，取出试样。固溶处理后试样放置12h后测量试样的变形，然后再装入时效处理炉进行170℃，4h的时效处理。时效热处理后测量试样本体的力学性能。
为了对比，不使用本发明固定装置，对同样3个试板进行同样固溶和时效处理。试样产生的变形为扭曲和弯曲，见示意图图3。
两组试样固溶处理后对比测量变形量。测量方法是以试样变形后的凸面为底面，以变形前的平直底面为测量基准面，设基准面几何中心为坐标原点，垂直于基准面方向为Z轴方向，测量试样变形后底面周边主要点沿Z轴方向的位移量，测量结果见表1。不使用本发明固定装置时，3个试样的四个角在Z轴方向的位移量平均值为4.75mm；使用本发明固定装置后，3个试样的四个角在Z轴方向的位移量平均值为0.15mm。
表1实施例1试样的变形测量值
Figure A20091001151900091
经过538℃，18h固溶处理加170℃，4h的时效处理后的两组ZL205试样力学性能测量结果见表2。可见使用本发明固定装置的试样的力学性能没有比不使用本发明固定装置的一组试样降低。
表2实施例1试样的力学性能
Figure A20091001151900101
实施例2
热处理试样为薄壁槽形试样，外形尺寸400×100×40mm，壁厚3mm(见图4)，材料为Al7Si4Cu合金ZL107，把试样装入框架式容器中，每个容器每次装3个试样，充入球状固体介质，试样间距大于2个球直径。球状固体介质为直径30mm的铸铁球。
锁紧容器，使试样位置固定；试样装入容器的示意图见图5。把盛装好工件并紧固好的框架放入热处理炉进行固溶处理；固溶处理温度515℃，保温时间9h。固溶处理完成后把盛装好工件的框架整体投入70℃的水中。当试样冷却到与水温相同时，从水中取出框架式容器，打开容器，取出试样。固溶处理后试样放置12h后测量试样的变形，然后再装入时效处理炉进行165℃，8h的时效处理。时效热处理后测量试样本体的力学性能。
为了对比，不使用本发明固定装置，对同样3个试样进行同样固溶和时效处理。
热处理后试样产生的变形为扭曲，最大变形位置产生于槽形试样上口顶角处，见示意图图6。
两组槽形试样固溶处理后对比测量变形量。测量方法是以变形前的槽形试样槽底外底面为测量基准面，设基准面几何中心为坐标原点，垂直于基准面方向为Z轴方向，测量试样变形后外底面周边主要点沿Z轴方向的位移量，测量结果见表1。不使用本发明固定装置时，3个试样外底面的四个角在Z轴方向的位移量平均值为2.62mm；使用本发明固定装置后，3个试样外底面的四个角在Z轴方向的位移量平均值为0.06mm。
表3实施例2试样的变形测量值
经过515℃，9h固溶处理加165℃，8h的时效处理后的两组ZL107试样力学性能测量结果见表4。可见使用本发明固定装置的试样的力学性能没有比不使用本发明固定装置的一组试样降低。
表4实施例2试样的力学性能测量值
Figure A20091001151900122
Figure A20091001151900131
实施例3
热处理铸件为飞机舱门，外形尺寸长700、宽400、高250mm，基本壁厚2mm，铸件底面为平面，带有2个舱门安装耳，上面为弧形面(见图7)。舱门铸件材料为Al-Si-Mg型合金ZL114A。把铸件装入框架式容器中，每个容器每次装2个铸件，充入球状固体介质，件间距大于6个球直径。球状固体介质为直径12mm的铸铁球。
锁紧容器，使试样位置固定；把盛装好工件并紧固好的框架放入热处理炉进行固溶处理；固溶处理温度535℃，保温时间14h。固溶处理完成后把盛装好工件的框架整体投入70℃的水中。当试样冷却到与水温相同时，从水中取出框架式容器，打开容器，取出试样。固溶处理后试样放置12h后测量铸件的变形，然后再装入时效处理炉进行165℃，8h的时效处理。时效热处理后按铸件的验收技术条件，在铸件指定部位切取试样，测量铸件本体的力学性能。
本实验做2次，每次2个铸件，共试验了4个铸件。
为了对比，不使用本发明固定装置，对同样4个铸件进行同样固溶和时效处理。
试验使用的8个铸件都是经过铸态检验，材料成分、铸件尺寸精度和内在质量全部合格。试验结果表明，不使用本发明固定装置，4个铸件本体的力学性能符合铸件验收技术条件，但铸件的尺寸精度不符合图纸要求，并且难以修复。使用本发明固定装置后，4个铸件本体的力学性能同样符合铸件验收技术条件，并且铸件的尺寸精度符合图纸要求。

Claims (6)

1、一种金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：其具体采用下述两种方法之一：第一类方法，是在工件进入冷却介质过程中，使用处于工件周围的固定工件的类球形介质阻挡冷却介质的运动对高温工件的冲击，从而减小工件因受到水的机械作用力产生的变形；第二类方法：是刚性固定工件各部分的相对位置，用机械方法限制工件产生变形。
2、按照权利要求1所述金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：所述金属工件热处理变形控制方法还满足下述要求：
第一类方法中，根据需要热处理工件的尺寸和结构，先使用一个可以容纳工件的带金属网的框架，把工件置入框架中部，并且工件不与框架直接接触，在工件与框架之间，以及工件内所有各个空间填充以可流动的类球形介质；所述的可流动的类球形介质为空心或实心结构；
第二类方法中，根据需要热处理工件的尺寸和结构，先使用一个可以容纳工件的带金属网的框架，把工件置入框架中部，并且工件不与框架直接接触，在工件与框架之间，以及工件内所有各个空间填充以类球形固体介质；所述类球形介质为实心固体介质或者不活发生明显变形的空心结构；所述类球形介质的尺寸大致相同，其添实内工件内外所有空间，机械固定了工件各部分的相对空间位置，使工件变形无法发生。
3、按照权利要求2所述金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：在所述金属工件热处理变形控制方法的第二类方法中，还满足下述要求：所述类球形介质具体为类球形刚性实体，其与工件表面以及相互接触的类球形刚性实体之间的空隙在淬火过程中被淬火冷却介质充填。
4、按照权利要求3所述金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：在所述金属工件热处理变形控制方法的第二类方法中，还满足下述要求：所述类球形刚性实体可以是铸铁球或钢球，类球形刚性实体的直径为1mm～30mm。
5、按照权利要求1～4其中之一所述金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：在所述金属工件热处理变形控制方法的第二类方法中，还满足下述要求：在使用类球形刚性实体初步固定工件之后，把盛装好工件并紧固好的框架放入热处理炉进行固溶处理；在固溶处理完成后把盛装好工件的框架整体投入淬火冷却剂中。
6、按照权利要求5其中之一所述金属工件热处理变形控制方法，其特征在于：在所述金属工件热处理变形控制方法的第二类方法中，还满足下述要求：所述用于容纳工件框架具体为带金属网的框架；所述框架和类球形刚性实体都是由轻合金固溶处理温度范围内线膨胀系数很小，屈服强度高，淬火变形可以忽略不计的高熔点材料制成。高熔点材料可以是钢或铸铁。
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