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为什么工件会有淬火裂纹?

曾经刘宗昌教授在他的一本《《钢件的淬火开裂及防止方法》》书中专门探讨了淬火裂纹,十分有价值,分享给大家。


1 淬火裂纹


淬火工艺主要用于钢件,是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms(马氏体转变起始温度)以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。


淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹,后者又叫时效裂纹。裂纹的分布没有一定的规律,但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。造成淬火开裂的根本原因是拉应力超过材料的断裂强度,或者虽未超过材料的断裂强度,但材料由于存在内部缺陷也会发生开裂。造成淬火开裂的具体原因很多,分析时应根据裂纹特征加以区分。


2 淬火裂纹的成因


马氏体的本质脆性是淬火裂纹的内因,而马氏体的晶体结构化学成分、冶金缺陷等是马氏体本质脆性的影响因素;各种工艺条件、零件尺寸形状等引起的宏观内应力的大小、方向、分布状态等是淬火裂纹的外因。下面将从微观到宏观,从内部到外部对钢件的淬火裂纹进行分析。


2.1 马氏体本质脆性—钢件淬火裂纹的内因


众所周知,中高碳钢淬火后,其韧性低,脆性大,易产生显微裂纹和宏观开裂。这主要是由马氏体的本质脆性决定的。而马氏体的本质脆性又决定于材料的冶金质量、含碳量和合金元素、原始组织状态、马氏体的组织结构、显微应力及显微裂纹等。



图1 淬火裂纹的宏观形态图


2.1.1 材料冶金质量


缩孔和严重的轧制缺陷造成材料明显的不均匀性,这时材料是不宜进行热处理的。而不少材料的冶金缺陷均可能单独与宏观或微观的内应力发生作用,促发淬火裂纹。这些冶金质量问题包括:宏观偏析、固溶体偏析、固溶氢、锻轧缺陷、夹渣、铁素体珠光体带状组织及碳化物带状组织等。



图2 沿夹杂物扩展的淬火裂纹


2.1.2 材料含碳量和合金元素


含碳量增加将降低马氏体的断裂强度。根据脆性固体理论断裂强度:



,其中E、d值与含碳量相关,含碳量提高,马氏体中铁原子间结合力降低,弹形模量也降低,钢的断裂强度也随之降低。碳量增加,d值增加,使断裂强度降低。


而合金元素对淬火裂纹的影响不一,例如Mn、Cr、V、Mo等元素与C一样,随其含量的增加而淬裂倾向变大。然而,B元素较为特殊,B能有效地提高淬透性。稀土元素对淬裂的影响研究甚少,说法不一。适量的稀土元素可减少位错移动所需要的摩擦力,因而有降低脆性破断倾向的作用。稀土元素富集于晶界,可净化和强化晶界,使P等杂质难以再偏集于晶界,可能起到减轻沿晶断裂的作用。


2.1.3 原始组织状态


除了钢中的化学成分以外,淬火前的原始组织结构对洋裂的影响也很大。例如,片状珠光体;马氏体和贝氏体等非平衡组织;不均匀、网状碳化物;非金属夹杂物;锻造过热组织及流线等均可能导致或促发淬火开裂。



图3 不同形态珠光体组织对淬裂的影响


1-细片状珠光体;2-点状珠光体;3-细粒状珠光休;4-粗粒状珠光体


2.1.4 马氏体中的显微裂纹


马氏体形成时容易产生显微裂纹,这是指在中高碳钢中,而低碳钢的马氏体组织中难以形成显微裂纹。这是因为低碳马氏体为平行的板条,相互碰撞的机会少,且本身的塑性高,可以通过变形而使应力松弛,不易产生显微裂纹。而高碳马氏体内由于马氏体片相互碰撞,片状马氏体又不能作相应的形变来消除应力,造成碰遇处得应力场,当应力足够大时就形成显微裂纹。这种先天的缺陷使高碳马氏体进一步增加了脆性,在其它应力的作用下,显微裂纹可能发展为宏观开裂。


2.2 淬火宏观内应力—钢件淬火裂纹的外因


2.2.1 零件尺寸和形状


若材料的化学成分、冶金质量和原始组织都相同,但零件的尺寸、形状不同,那么在相同的热处理条件下,仍表现出不同的淬裂倾向。对普通钢而言,过细或过粗的工件一般不会淬裂,大和久重雄认为,水中淬火时,临界直径正是淬裂的危险尺寸。临界直径是工件在一定的淬火介质中冷却时,心部恰好能够得到50%马氏体那样大小的直径。



图4 临界直径DⅠ、含碳量与淬裂的关系


淬火开裂与工件的形状有密切的关系,钢件形状影响淬火应力的大小和分布。工件上的缺口、尖角、沟槽、孔穴及断面急剧变化的部位都是淬火内应力集中处,是断裂的危险部位。


2.2.2 加热不当


工件在热处理时的加热温度、保温时间和加热设备(炉内气氛)等均能成为淬火裂纹的诱因。


淬火加热温度愈高,淬裂倾向愈大。淬火温度升高,加热保温时间延长,使奥氏体晶粒长大,则淬火马氏体粗化、脆化,断裂强度降低,这是淬裂倾向增大的根本原因。不容易发生淬裂的加热炉是真空炉,其次按电炉、盐浴炉、火焰炉的顺序排列易于产生淬火裂纹。重油炉、燃煤炉等火焰炉是最容易发生淬裂的炉型。



图5 产生淬火裂纹试样数目与淬火温度间的关系


(a)T10钢水淬;

(b)9CrSi钢水淬和油淬


2.2.3 淬火冷却的影响


在淬火冷却时,在两个温度范围内必须注意控制冷却速度。其中一个区域是为了完全淬火硬化而需要快冷的临界区域,为了使零件淬硬,在临界区应当急冷。另一个区域是容易产生淬火裂纹的低温区,在MS点温度以下,在这个温度区间发生奥氏体向马氏体的转变,体积膨胀,产生第二类畸变、第二类应力及宏观热处理应力,可能导致淬火裂纹,因此称危险区。在危险区应当尽量慢冷,以缓和淬火内应力。



图6 淬火临界区和危险区示意图


2.2.4 淬火后加工处理


零部件淬火后多进行加工处理。按加工处理的性质可分为热加工、机械加工和化学加工三类,以及它们的综合应用。淬后加工处理导致形成裂纹的过程是一个淬火宏观、微观内应力和显微裂纹与淬后加工过程中出现的负荷应力或内应力之间发生相互作用的过程。



图7 零件淬火后的加工处理图解


3 防止淬火开裂的措施


钢件淬火开裂与马氏体的组织结构、淬火内应力、工件的尺寸形状及生产条件等因素有关,明确了这些影响因素为防止淬火开裂采取相应的措施提供了可能。本节主要从钢材的选择、淬火零部件的设计,合理制定热处理技术条件、选择淬火介质、选定淬火冷却方法等方面论述在生产实践中具有一定效果的防止钢件淬火开裂的方法。


3.1 钢材的选择


钢材不同,淬火裂纹发生的几率也不同。一般说,钢材含碳量越高或Cr、Mo含量越高,越容易发生淬裂。下图表示水淬时淬裂倾向与钢的化学成分的关系。图中所示指数的负值越高,即为淬裂倾向越大。由于各种钢材的淬裂倾向不同,在设计零件时应根据性能要求,根据淬透性和脆硬性,从工艺和经济等角度综合分析和选择钢材。



图8 化学成分与淬裂的关系(水淬)


3.2 淬火零部件的设计


机械零件的设计往往主要考虑材料的力学性能而忽略热处理工艺性能。有些零件从材料强度上看可能很合理,但从热处理工艺角度分析,其形状尺寸可能是不适当的。为了防止零件在淬火急冷中开裂,应设法使其均热均冷,均缩均胀。为此,在零件设计中要注意两点:(1)断面要均匀;(2)没有缺口效应。良好的设计要求截面厚度均匀、形状对称、平滑过渡和加开工艺孔。对于形状复杂、尺寸较大(大于400 mm)的大型凹模及薄而长的凸模,应采用分离镶拼结构,变繁为简,化大为小,变模具内表面为外表面,既便于冷热加工,又可以有效降低淬裂倾向,提高产品合格率。



图9 不均匀截面工件设计的改进


(a)组合设计和加工艺孔;

(b)设计通孔;

(c)设计均匀截面


3.3 合理制定热处理技术条件


设计者应根据零部件的工作条件和性能要求,合理地制定热处理技术条件。只要能满足工作要求,应尽量减少淬火硬化的程度和部位,不必盲目追求高硬度和整体淬火,而以局部硬化、表面硬化代替整体硬化,从而减少淬火裂纹。


3.4 选择淬火介质


淬火介质有固体、液体和气体3种状态的多种物质。选择淬火介质要考虑如下因素:(1)淬火介质的冷却能力;(2)对畸变开裂的影响;(3)经济性、耐久性;(4)安全可靠性等。


理想淬火介质的冷却曲线下图所示。该介质在过冷奥氏体分解最快的温度下,具有最强的冷却能力,而在接近马氏体点(MS)时冷却能力又变得较为缓和,这样就保证了硬化要求,并减小了淬火应力,防止淬火畸变开裂。各种钢材的过冷奥氏体的稳定性不同,实际工件的尺寸不同,应选择不同的淬火介质。尽管目前的淬火介质种类繁多,然而能同时适应各种钢材和不同尺寸工件的淬火剂是不存在的,只能根据具体情况尽量合理地选用,并与各种淬火冷却方式相配合。



图10 C-曲线和理想冷却强度


3.5 选择合适的淬火冷却方法


一般说,淬火裂纹产生在淬火硬化部分。为了实现淬火硬化,必须从奥氏体化温度以大于临界冷却速度进行急冷。热应力和相变应力之和是正值(拉应力)还是负值(压应力),决定了淬火裂纹是否发生。为正值易裂,为负值则不易裂。为了防止淬裂,应充分有效地利用热应力,减少相变应力。


 


图11 冷却速度与淬裂的关系


(1)预冷淬火:把工件自奥氏体化温度取出,先行在空气中预冷一段时间,使各部分温差减小,或在技术条件允许的情况下,令其最薄的截面处或棱角处产生部分非马氏体组织,然后再进行全部淬火。

(2)双液淬火:双液淬火从单纯防止淬火裂纹的观点出发,关键是第二级淬火介质的缓冷作用。先强冷后弱冷,如水-油、水-空、油-空气等。

(3)分级淬火:分级淬火是将工件从淬火温度直接快速冷却到MS点以上某一温度,经适当时间保温后空冷。如截面大、易变形开裂的高碳钢,应采用两到三次的分级淬火。

(4)等温淬火:将工件由淬火温度以大于临界淬火速度的冷速冷到MS点稍上某一温度,保温较长时间,使过冷奥氏体发生贝氏体转变。一般用油淬。


除此之外,还有薄壳淬火、间隙淬火、局部淬火、调节水温等方法。


另外在淬火前各工序的合理性、加热参数的确定、正确搬运和回火等方面也具有一定效果的防止钢件淬火开裂的方法。


4 小结


引起零件淬火开裂与畸变的原因很多,一旦产生上述缺陷,应当从以下几个方面进行分析。


(1)零件的选材及结构设计是否合理。

(2)有无原材料或毛坯缺陷。

(3)检验其热处理工艺过程。


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