解決熱處理後的變形量測問題

“熱處理”一般是指對材料或產品施加熱量的處理。包括金屬熱處理的材料加工和食品的熱殺菌等，這裡，我們將考慮金屬熱處理引起的變形。熱處理引起的變形在方材和棒材中是收縮和翹曲等簡單的變形，但在形狀複雜的產品中，則變成三維變形，需要先進的技術來量測。
在這裡，我們將講解熱處理變形的基本知識，該熱處理主要用於控製鋼鐵材料的組織和提高其性能，同時講解變形的量測問題及其解決方法。

什麼是金屬熱處理？
熱處理變形例（相變引起的體積變化）
熱處理變形問題的對策
以往熱處理後變形量測的問題
- 使用輪廓形狀量測儀進行變形量測的問題
- 使用三維量測儀進行變形量測的問題
熱處理後變形量測中的問題解決方法
總結：顯著改進難以量測的熱處理後的變形，提高量測效率

什麼是金屬熱處理？

金屬熱處理是對金屬材料進行加熱和冷卻以改變其性能而不改變其形狀的加工技術。改變的特性包括強度、硬度、韌性、耐衝擊性、耐磨性、耐腐蝕性、耐蝕性、切削性、冷加工性，分類為諸如切割和塑性加工那樣的金屬加工的一種。

熱處理變形例（相變引起的體積變化）

熱處理有“淬火”、“回火”、“退火”、“正火”等加工方法，在這些加工過程中，會發生稱為“相變”的現象。
相變是金屬因熱處理從固態變為液態，反之亦然，由於溫度的變化而引起的晶格和存在形態（組織）的變化。當組織因相變而變化時，體積也發生變化，從而導致變形。
例如，共析鋼（含碳量約0.8%的鋼）從室溫加熱到奧氏體組織狀態，再冷卻時，因組織發生變化而發生變形。由於變化後的組織因冷卻方法而異，因此變形程度也因冷卻方法而異。

該圖顯示了不同冷卻方法的變形差異。
例如，在A（爐冷）的情況下，加熱時會發生熱膨脹（a→b），加熱時在750℃左右（b→c），冷卻時在730℃左右（e→f）會出現相變引起的尺寸變化。
此外，C（油冷）和 D（水冷）在冷卻後出現明顯的長度變化。

A：爐冷（徐冷）: 這是一種即使在加熱後也不從爐中取出而在爐中冷卻的方法。以每小時約 30°C 的速度冷卻。相變後成為珍珠岩組織。
B：風冷: 加熱後，將其從爐中取出並在室溫下冷卻。相變後變成索氏體組織。
C：油冷: 這是一種加熱後用油冷卻的方法。通常用約 60°C 至 80°C 的油冷卻。相變後，部分奧氏體變成屈氏體組織。
D：水冷: 用約 40°C的水冷卻。相變後變成馬氏體組織。

熱處理變形問題的對策

除了上述的相變問題外，熱處理引起的相變問題的原因還包括表面形狀、加熱和冷卻等方面的缺陷和不均勻性等。本節描述這些現象、的原因和對策。

淬火裂紋

這是材料開裂的一種現象。淬火後，冷卻至約200℃以下時，或淬火後次日等時候也可能發生。

原因：

可能是因加熱和冷卻不均勻引起的體積膨脹造成的形狀不良，淬火後立即回火不充分，以及淬火溫度過高等原因所致。

對策：

重新考慮產品的形狀和表面狀態。
淬火後不要冷卻到約200°C 以下。
淬火後立即回火。
降低淬火溫度。

磨削裂紋

這是鋼材在熱處理後進行磨削加工時材料開裂的現象。又稱“研磨裂紋”。磨削裂紋有兩種類型：“第1種磨削裂紋”是在切削、研磨等加工過程中表面溫度上升到100℃左右時發生的，而表面溫度上升到300℃左右時發生的稱為“第2種磨削裂紋”。

第1種磨削裂紋
第2種磨削裂紋

原因：

當殘留奧氏體相變為馬氏體時，會膨脹。這種膨脹引起的應力會導致開裂。在切割和研磨等加工過程中，當表面溫度被加熱到約 650°C 至 850°C 時，也會發生這種情況。

對策：

進行適當的回火。
抑制因磨損摩擦而產生的熱量。

淬火變形

熱處理引起的鋼材變形，有因淬火、回火時熱脹冷縮引起的“熱變形”和因組織變化引起的“相變體積變化”。

原因：

這是由於加熱/冷卻不均勻，快速加熱，快速冷卻和局部厚度不均勻引起的。在形狀複雜的情況下，是零件內部溫度不均勻等原因造成的。

對策：

檢查形狀，以便可以進行均勻的加熱和冷卻處理。
降低加熱/冷卻速率。

以往熱處理後變形量測的問題

檢查熱處理後的尺寸和形狀是否在公差範圍內是非常重要的。特別是對於形狀複雜的產品，需要高精度和定量的3D形狀量測。
迄今為止，熱處理後變形的量測都是用輪廓形狀量測儀或三維量測儀進行的。然而，在以往的三維量測儀和輪廓形狀量測儀的情況下，難以進行準確的量測，存在著偏差等各種問題

使用輪廓形狀量測儀進行變形量測的問題

輪廓形狀量測儀是用稱為測針的觸針在對象物表面進行描摹，量測並記錄輪廓形狀的設備。近年來，也有機型使用雷射代替觸針，通過非接觸式描摹輪廓來應對複雜形狀的量測。一些機型能夠量測頂面和底面。
輪廓形狀量測儀需要為量測點取一條準確的量測線。

因此，存在以下問題。

將樣品固定於治具並調平等作業需要時間。此外，準確找平需要與輪廓形狀量測儀相關的知識和技能。
輪廓形狀量測儀的觸針繞觸針臂上的支點做圓弧上下運動，觸針尖端位置也沿X方向移動，造成X軸數據誤差。
準確地按預期通過針的作業非常困難，即使是最輕微的針錯位也會導致量測值發生偏差。
很難增加 N，因為需要針對特定點進行量測。
由於只能獲取部分量測值，因此無法進行表面評估。

使用三維量測儀進行變形量測的問題

通常，三維量測儀使用一種稱為“掃描（仿形）”的方法進行量測，其中將探針應用於量測部位並進行跟踪（運行）。掃描量測以恆定間距量測多個點。

該量測方法存在以下問題。

將針如期穿過圓柱的中心、垂直於彎曲的線或穿過圓心的線是非常困難的。另外，在圓心角較淺的圓角R的情況下，整個圓周是由短圓弧計算的，因此微小的量測誤差會被大大放大。量測點的這種錯位也可能會導致值的細微偏差。
量測細小部分的三維形狀時，可能無法使測頭接觸量測位置。此外，由於量測精度與要量測的點數和線數成正比，因此需要量測很多點。

這樣一來，在現場並不是每個人都能準確量測，還有不能量測的部位，量測儀的安裝位置還受到限制，這些就成了一個大問題。

熱處理後變形量測中的問題解決方法

以往使用的一般量測儀存在固定對象物需要時間，立體對象物和量測點是在點和線接觸時量測的問題。為了解決這些量測問題，KEYENCE 開發了表面 3D輪廓量測儀“VR 系列”。
可以以非接觸方式準確捕捉對象物的 3D 形狀。此外，可以在最快 1 秒內對量測台上的對象物進行 3D 掃描，以高精度量測三維形狀。因此，可以在量測結果沒有偏差的情況下瞬時進行定量量測。這裡就其具體的優點進行介紹。