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为什么看《热处理手册》后选用油淬火42CrMo轴淬火后还断裂?

42CrMo钢是目前国内普遍使用的中碳合金调质钢,其淬透性较高,调质处理后综合力学性能优良,是各类传动轴的首选材料之一。在包括《热处理手册》在内的权威资料给出的调质热处理工艺都采用油作为淬火介质,然而一些尺寸较大的轴采用油淬火后有时会出现断裂成数段的现象,其产生原因又莫衷一是,无法做出准确判断并采取有效措施,给企业造成很大的经济损失。本文从工艺、材料、冷却过程等方面分析了42CrMo轴淬火断裂的原因,并提出改进措施。


1.基本情况

某破碎机传动轴,材质为42CrMo,经下料→锻造→正火→粗车后进行调质,技术要求260~300HBW。使用φ1000×3500井式电阻炉加热,每次悬挂吊装1件,随炉升温。使用20号机械油淬火,淬火时竖直入油,冷却至室温后出油,然后在同一设备及时回火,出炉后空冷,工艺曲线如图1所示。在常规淬火出油后,有时会出现淬火断裂的情况,其断口形貌、尺寸和断裂部位分别如图2和图3所示。



图1 断轴调质工艺曲线图


图2 轴的断口形貌



图3 断轴的尺寸及断裂部位示意图

2.检测和分析

对断轴的硬度、成分和低倍组织进行了检测。轴的不同部位的硬度略有差别,结果显示轴部硬度为325~356HBW。轴退火处理后去除表面脱碳层取样,其化学成分见表1,符合标准要求。退火后横截轴检查轴的低倍组织,酸浸检验结果显示,断轴的一般疏松、中心疏松均≤级,合格;没有发现缩孔、裂纹和白点等缺陷。又在断轴上取样,使用医用白凡士林加热后将试样放入,没有气泡逸出,说明原材料经退火后,氢含量极少。


表1 42CrMo钢断轴的化学成分(质量分数)(%)


从硬度检查结果看,淬火后轴的表面硬度并不高,显微组织应为淬火索氏体组织,经560℃回火后,硬度也能达到技术要求260~300HBW;低倍组织检查合格,42CrMo是一种白点较敏感的钢种,检查中没有发现白点,残余氢含量基本没有;仔细看材料的化学成分发现,碳、锰和钼的含量偏上限,但符合标准要求。从开裂断口可以发现,裂纹由内向外呈放射状扩展裂开,断口平齐,见图2,位于轴向的中部,如图3所示。


根据以上的检测结果,特别是轴的断口形貌推断:开裂可能主要是冷却过程造成的,而与其他因素关系不大。裂纹源于轴的径向心部、轴向中部,在冷却过程中或结束后,轴的心部残留了巨大的拉应力,当超过材料心部的强度形成裂纹并迅速扩张,造成开裂。


图1所示的轴的调质工艺是经过数十年生产实践的,生产中偶尔有轴淬火断裂情况,但工艺也从未受到质疑,以前把此类情况的原因归结于原材料问题,我们认为也是有失公允的。为了验证以上推论,我们从工艺上,特别是淬火冷却过程入手,以减小淬火残留应力为目的试验验证新的工艺。新工艺使用台车式电阻炉加热,每炉平装2件,到温后装炉;淬火时,轴水平入水,水-空交替控时淬火,轴表面的温度在200℃左右停止水冷,其调质工艺如图4所示。



图4 42CrMo轴的新调质工艺曲线图

新工艺的淬火温度降低为820℃,无需预冷即可进行水-空交替控时淬火,这样可大大减小淬火应力。采用新工艺淬火后,轴的表面硬度能达到423HBW,因此,回火温度比传统工艺更高,轴的应力也会更小。而且,采用新工艺淬火,变形小、无污染,也便于操作。采用新工艺两年多来生产的各类42CrMo轴从未出现淬火横向断裂的情况。


3.分析与讨论

热处理过程是加热、保温和冷却过程的有机结合,对于加热和保温阶段,现有的控制手段和精度都是易于控制和观测的,而对于冷却过程,则一直是热处理界研究和实践所欠缺的,冷却过程不受重视或缺乏手段是客观存在的。


本文开裂的42CrMo轴是在冷却过程中或冷却结束时开裂的,对于淬火件来说,只有在最大拉应力存在和作用的部位,才有致裂的可能性和危险性。从裂纹的部位看,裂纹正好位于轴向中部和径向心部,是轴向和径向拉应力最大的部位。轴出炉入油淬火后,一直在油中冷却2h左右,这个冷却过程大体可分为三个阶段:


第一阶段表面与淬火油的温差很大,温度很快降低,而心部则靠热传导传热,温度降低得慢,因此表面收缩得快、收缩量大,心部收缩得慢收缩量小,因收缩量不同内外相互产生作用力,表面因受心部抵制而胀大,产生拉应力,而心部相反,产生压应力;


第二阶段继续冷却时,应力增大到一定值时,因轴温度比较高,材料的屈服强度比较低,会产生塑性变形,松弛一部分弹性应力,而且表面温度下降得已经较低,收缩量减小,而心部温度还高收缩量大,这样内外相互胀缩的牵制作用减少,应力减小至零。


继续冷却时进入第三个阶段,表面的温度已接近淬火油的温度,强度很高,基本上不会收缩,而心部温度还较高,会继续收缩,心部的收缩会受到表面持续的抑制,心部产生拉应力的持续作用,而表面是压应力。当拉应力超过材料断裂强度时,心部产生裂纹并迅速扩展。这样就最终导致轴的断开。


冷却介质本身的冷却特性对淬火断裂的影响也很大。20号机械油的特性温度较低,只有470℃左右,油的最大冷却速度也远低于水,其冷却速度过慢,无法绕开珠光体转变区,有效截面较大的42CrMo轴,表面没有淬火成马氏体组织;而且其闪点仅150℃左右,易于燃烧,在冷却过程中也不可能出油停止冷却,整个冷却时间又过长,表面已冷至室温还继续冷却,这样形成的残留应力就很大。最终用20号机械油冷却结束后轴的残留应力状态表现为热应力型的特点。


另外,淬火断裂的轴的碳及合金含量较高,会使导热性降低,如果存在一定程度的偏析则会在局部加剧这种情况,使内应力加大。这也是导致轴开裂的因素之一。


采用新工艺后,一方面是淬火加热温度降低后,减小了轴表面和心部的温差,减少了热应力的作用;另一方面通过水-空交替控时淬火即能使冷去曲线绕过珠光体转变区,达到淬硬的目的,本例尺寸的轴淬火硬度可达423HBW,又能快慢速冷却的结合减小内应力,特别是轴表面在200℃左右停止水冷,消除了前述第三阶段造成残留应力的情况,这对消除淬火开裂起到了很好的抑制作用。


4.结语

经历两年多来生产证实,直径在80~400mm的42CrMo轴采用新工艺淬火,硬度都在400HBW以上,整个淬火过程持续在5min左右,没有产生过淬火断裂的现象。这说明,淬火开裂的主要原因不在于是否采用较低淬火烈度的介质,而在于冷却过程是否能把残留应力降低到材料的断裂强度以下;能否淬硬不在于延长冷却时间和提高淬火温度,而在于能否使过冷奥氏体避开珠光体转变区域而在马氏体转变区适当冷却。


今后应把热处理工程方面应在冷却过程控制、冷却设备和冷却过程仿真模拟等方面加大研究投入力度,这样才能真正有效地控制变形、消除开裂,从而提高热处理行业整体水平。



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