控制热处理变形最简洁的方法
摘 要：本文简要介绍了通过降低渗碳温度和其它相关工艺措施，控制热处理变形的方法。
关键词：快速渗碳；中温渗碳；热处理畸变；催渗剂
1 前 言
热处理变形会使工件前期加工获得的精度受到严重损失，这些损失有时甚至通过复杂、先进的修形技术（磨齿、校直等）也难以恢复。这将直接影响工件的精度、强度、运转时的噪音、振动、传输功率损失、和使用寿命等。这样即使我们拥有世界上最先进的机床、磨床，也很难加工出高精度、高附加值的产品来。
为了帮助本国企业减少和控制热处理变形提高市场竞争力，美国联邦政府甚至为此专门设立了100亿美金的专题科研支持基金[1]。减少和控制热处理变形的意义由此可见一斑。
2 热处理变形产生的原因
减少和控制工件的热处理变形是材料和热处理工作者最为关注的难题，迄今为止人们还难于提出一个定量化、完整的可以预示工件热处理畸变的数学模型[2]。
学者们普遍认为，工件热处理变形的影响因素涉及到工件的设计、原材料以及加工整个过程中的诸多环节。文献[2]列出五个方面下属26种因素和77个子因素影响畸变；文献[3]认为七个方面和38个子因素，决定了工件渗碳淬火后变形状况。
笔者在多年的热处理生产和科研中，先后参与了多次国内外学术交流，实际接触了很多国内外最新资料和技术，并先后在热处理变形控制方面进行了诸多实践。笔者认为从其它方面综合考虑固然重要，但影响热处理变形最主要的矛盾还是热处理工艺温度的合理控制。
表1列举了3种不同温度典型热处理工艺对 表1
渗碳 碳氮共渗 氮化
温度℃ 920±10 870±10 570±10 应用领域 通用零件 机床等 航天、航空 精度损失 2 ～ 3 级 1 ～ 2 级 ≤ 1 级 适用渗层 ≥ 0.2mm ≤ 0.80mm ≤ 0.30mm 生产成本 低 中 高 环境污染 低 高 高 渗速 0.25mm/H 0.18mm/H 0.01mm/H 变形的影响。从中可看出，随着热处理工艺温度的降低，工件热处理后由变形引起的精度损失由2～ 3 级降低到了1级以下，其意义远远超过后期的磨齿、校直等修形技术。
为什么三种不同温度热处理工艺对变形的影响会有如此之大呢？
工件在900℃下的强度很低，与铅的室温强度相当[1]；虽然热处理设备愈来愈先进，但工件在加热、冷却时各部位的温度变化也很难完全一致；工件在加热、冷却时各部位温度变化的不同时性，会引起工件热（膨胀）应力和组织（转变时体积产生变化）应力的变化。当热应力、组织应力或两者之合，大于该瞬间温度下工件某部位的塑性抗力时，就会在这一部位发生不可逆的变形——热处理变形。
a) 如果工艺温度降低，工件的高温强度损失减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗高温蠕变（工件因自重或受压而产生变形，大件、薄壁件更显著）的综合能力就会增强，变形就会减少。
b) 如果工艺温度降低，工件加热、冷却的温度时间减少，各部位温度不一致性也会减少，导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少。
c) 热处理工艺时间缩短，工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。
3 降低热处理温度的方法
降低工艺温度、提高渗碳或碳氮共渗速度，几十年来一直是国内外热处理界人士孜孜以求的理想目标，但由于基础技术条件的限制和传统热处理理论的束缚，多年来大家一直很难突破。
目前一种新的渗碳技术已经被法士特齿轮、株洲齿轮、洛轴、瓦轴、一汽等国内多家大型龙头企业采用。这种技术可以在工艺温度降低40℃以上条件下实现快速渗碳或碳氮共渗，并最低可以使渗碳温度降低到830℃左右，它同时还有节能、环保，高效率、高效益等优点。这是一种在传统热处理理论基础上，引入了最新现代化工控制原理的热处理新技术——“BH系列催渗技术”。
国际热处理联合会主席Totten博士称：“BH技术是热处理技术发展史上的一次重大突破”。
由于看到了这种技术的巨大潜力，2005年好富顿国际公司争取到BH技术的海外代理权，并且当年就使这一技术获得了美国车桥和德纳车桥等国际著名企业的认可。
4 应用BH技术减少变形的实例
4.1 在中间轴常啮合齿轮上的使用效果[4]
某厂在中间轴常啮合齿轮生产上采用推杆式连续炉，应用BH 技术工艺温度由920℃降低到880℃后，对前后3个月产品的变形情况进行了严格的统计，统计结果见图：
(a)应用BH前后齿轮内孔变形比较 （b）应用BH前、后齿轮齿形变形比较
(C)应用BH前、后齿轮齿向变形比较 （d）应用BH前、后齿轮中心距变形比较
由结果统计图可以看出
1. 采用BH技术后齿轮的内孔、齿形、齿向、中心距变形量都显著得到减少。
2. 采用BH技术后各变形统计曲线出现一个较长的水平线，说明变形的一致性、规律性增强；这样可以通过在加工前期预留的变形量的方法,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内，从而更好的控制工件的最终变形。
内 孔 内端面 外端面
原 BH 原 BH 原 BH 1. 0.06 0.06 0.12 0.10 0.09 0.08
2. 0.07 0.04 0.15 0.11 0.10 0.07
3. 0.08 0.06 0.13 0.09 0.10 0.07
4. 0.08 0.05 0.14 0.08 0.12 0.09
5. 0.10 0.05 0.15 0.10 0.12 0.08
6. 0.09 0.06 0.12 0.09 0.11 0.08
7. 0.10 0.06 0.16 0.09 0.09 0.06
8. 0.09 0.07 0.13 0.09 0.11 0.07
最大值 0.10 0.07 0.16 0.11 0.12 0.09
最小值 0.06 0.04 0.12 0.08 0.09 0.06
平均值 0.071 0.057 0.145 0.093 0.105 0.075 3. 将各个数值统计如图所示：
4.2 在从动螺旋锥齿轮上的应用效果[5] [6]
某厂在从动螺旋锥齿轮上应用BH 技术后的变形情况统计见表（单位：mm）
由结果表统计可以看出：
a) 采用BH技术后齿轮的内孔、内外端面变形都得到减少。
b) 采用BH技术后各变形点与平均变形量的偏差值相对减少，变形的一致性、规律性增强。
4.3 某厂在TS半轴齿轮上应用后的效果评价[7]
1. 采用BH渗碳降温后花键孔变形量平均减少了0.02mm，变形范围由原来的0.03-0.12mm，缩小到了0.05-0.10mm。变形的一致性、规律性增强。通过热前预留0.05mm的预留量后，产品的变形控制到了显著改善。
2. 采用BH渗碳后碳浓度分布平缓，表面至距表面0.35mm部分为0.80%碳含量的水平线，从而增加了高硬度区的比例，有利于提高齿轮的承载能力和使用寿命。
3. 采用BH后生产成本明显降低，投入产出比大于1：3以上。
4.4 在纺织机械用钢领上的应用效果
某厂年生产纺织机械用钢领（薄壁圆环）300万只，采用传统920℃热处理工艺渗碳后椭圆度变化很大，合格率不足70%，通过后期的校直处理后仍然有10%左右的产品由于变形不合格被迫保费。
1. 采用BH技术870℃渗碳后合格率达到85%左右。
2. 采用BH 830℃渗碳后合格率达到100%，从而显著的提高了厂家的生产效益。
4.5 小 结
a) 采用BH催渗技术降低渗碳温度后，产品变形普遍减少，产品最终精度提高0.5 — 1级。
b) 采用BH技术后各变形点与平均变形量的偏差值相对减少，变形的一致性、规律性增强，这为通过在加工时预留出一定的变形量,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内，从而控制工件的最终变形提供了更好的基础。
c) 采用BH后碳浓度梯度分布平缓，渗层波动范围减小，金相级别碳化物、马氏体、残余奥氏体普遍比原生产降低一级。
d) 采用BH后生产成本明显降低，投入产出比大于1：3以上。
5．减少变形的其它辅助措施
工件几何结构、钢材淬透性、工件的前期热处理状态、淬火条件（油品质量、油循环速度、油温）等都对工件的最终热处理变形有关，此处不再详述。
6. 结 论
影响热处理变形最大的因素是热处理工艺温度：
1） 工艺温降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少。
2） 工艺温降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少。
3） 如果工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。
4） 为了保证工件的最终精度，一种较为理想的方法是找到工件的热处理变形规律，在加工时预留出一定的变形量,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内。这就要求工件变形具有良好的一致性，即同炉次工件之间、不同炉次的工件之间的变形规律和变形范围接近一致。
5） 虽然热处理变形很难控制，但通过降低工艺温度、控制钢材淬透性、控制工件的前期热处理条件和对工件的淬火条件进行严格控制后。
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