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工件淬火裂紋的原因分析與對(duì)策
2019-03-08 00:00:00 來(lái)源：中頻感應(yīng)加熱設(shè)備 點(diǎn)擊：1888 喜歡：0
1 前言
工件在熱處理過(guò)程中最讓人頭疼的是產(chǎn)生淬火裂紋。淬火裂紋是指在工件淬火過(guò)程中所產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象。裂紋基本上分為縱向裂紋、弧型裂紋、網(wǎng)狀裂紋、剝離裂紋和顯微裂紋幾種(如圖1)。淬火裂紋的發(fā)生時(shí)間并非發(fā)生在淬入冷卻劑后的那一刻，而是在冷卻到200℃以下時(shí)，或在淬火完成從冷卻劑中取出之后，或者是在淬火后經(jīng)過(guò)幾小時(shí)乃至幾十小時(shí)后發(fā)生的。
圖1 淬火裂紋類型及形成裂紋的內(nèi)應(yīng)力
2 原理分析
造成工件開(kāi)裂的熱處理應(yīng)力主要包括“熱應(yīng)力”和“組織應(yīng)力”?！盁釕?yīng)力”也就是由熱脹冷縮所引起的力。工件在加熱和冷卻過(guò)程中，工件的內(nèi)外溫度不同，即內(nèi)冷外熱或外冷內(nèi)熱。因?yàn)楣ぜ砻姹刃牟靠傄訜岷屠鋮s得快些，隨時(shí)間增長(zhǎng)，冷卻到最后，中心收縮時(shí)，又受到壓應(yīng)力作用。因此，熱應(yīng)力作用的結(jié)果是使工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)。熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖2所示。“組織應(yīng)力”即由于組織轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的體積變化不等時(shí)性而引起的應(yīng)力。
鋼中各種組織物的比容是不同的。在化學(xué)成分相同時(shí)，奧氏體的比容小于珠光體的比容，珠光體的比容小于馬氏體的比容，因此，在淬火冷卻時(shí)，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)引起體積膨脹，此時(shí)表面膨脹受到未轉(zhuǎn)變的中心部分的限制，表面和中心均受到壓應(yīng)力。當(dāng)繼續(xù)冷卻時(shí)，中心奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，伴隨體積膨脹，使表面受到拉應(yīng)力作用。因此，組織應(yīng)力最后使工件表面層處于拉應(yīng)力狀態(tài)。組織應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖3所示。
熱應(yīng)力主要造成變形，而組織應(yīng)力最容易造成開(kāi)裂。當(dāng)淬火形成的殘余熱應(yīng)力大于鋼的屈服極限時(shí)引起工件變形;當(dāng)殘余組織應(yīng)力大于鋼的屈服極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件開(kāi)裂。根據(jù)斷裂韌性理論，脆性斷裂是由微細(xì)的宏觀裂紋的擴(kuò)展引起的。由于材料在冶煉或者軋鍛過(guò)程中往往不可避免地存在著微小的局部裂紋。只有當(dāng)殘余應(yīng)力不超過(guò)有細(xì)微裂紋的鋼的實(shí)際強(qiáng)度時(shí)才能保證淬火不開(kāi)裂。在淬火過(guò)程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力同時(shí)存在，作用相反。不容易淬透的大件，主要是熱應(yīng)力;容易淬透的小件，主要是組織應(yīng)力。為了避免開(kāi)裂，必須預(yù)防工件的拉應(yīng)力。
3 實(shí)例分析
我們針對(duì)多年來(lái)的斷裂錠桿和一些工夾具零件的斷口從外表及金相分析，結(jié)合一些文獻(xiàn)資料，總結(jié)了以下的結(jié)論。
3.1 將零件剖開(kāi)，如零件斷面處有少量的紅色銹跡或發(fā)現(xiàn)有新的裂紋，則可判斷是在淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的裂紋，或是由于過(guò)冷及冷卻不均勻引起的裂紋。
3.2 如果斷面是被一層黑色氧化層所遮蓋或呈粗的纖維狀時(shí)，是由鍛造時(shí)所產(chǎn)生的裂紋，或者是鋼材本身缺陷所導(dǎo)致的。
3.3 如果零件的斷面晶粒很粗而且有裂紋，則是零件過(guò)熱所引起的;如果斷口面發(fā)白亮光，則是由于鋼的加熱溫度過(guò)高引起的裂紋。
3.4 外型復(fù)雜的零件，如凸出部分或斷面較薄部分的裂紋，大多是由于加熱不均勻或者是冷卻不均勻所致。
3.5 零件“尖角”部分或者是打過(guò)印痕處的表面發(fā)生龜裂，一般是由于刻痕的凹縫“尖角”所引起的。
3.6 在加磨面上出現(xiàn)的龜裂，并不是在淬火時(shí)所產(chǎn)生的，而是在淬火之后，磨削加工不良所致。
4 造成開(kāi)裂的主要因素
4.1 工件在淬火冷卻過(guò)程中，鋼的內(nèi)部未冷透時(shí)，其內(nèi)外溫差還很大時(shí)就中斷了冷卻。
4.2 工件表面有嚴(yán)重的缺陷，例如冷加工時(shí)留下的傷痕。
4.3 淬火后，未立即回火，而長(zhǎng)時(shí)間擺放在一邊。
4.4 淬火操作或淬火方法不符合工藝規(guī)范。
4.5 由于第一次淬火不符合要求，重淬前，沒(méi)有進(jìn)行退火處理。
5 防止裂紋的措施
5.1 當(dāng)工件淬火冷卻時(shí)，在冷透前不中斷冷卻，特別是在馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變到轉(zhuǎn)變終了之間，應(yīng)使其慢慢冷卻(圖4)。在鋼的轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ar′以上應(yīng)以極快的冷卻速度冷卻;在轉(zhuǎn)變Ar″開(kāi)始，應(yīng)緩慢冷卻。
圖4 防止淬火產(chǎn)生裂紋的淬火方法
5.2 避免加熱時(shí)過(guò)熱和晶粒粗大。采用熱浴淬火和等溫淬火法。在Ms點(diǎn)以上的溫度放在熱浴中淬火，待零件的內(nèi)外達(dá)到同一溫度后空冷。
5.3 把工件的“尖角”處用耐火粘土、金屬絲或石棉線纏繞，零件有孔眼時(shí)，應(yīng)填以耐火粘土或石棉。
5.4 淬火后應(yīng)立即回火，去除應(yīng)力。
5.5 當(dāng)零件需要二次以上淬火時(shí)，必須有中間的退火工序。
5.6 控制原材料質(zhì)量，合理選擇預(yù)熱改善原始組織。
5.7 改變工件設(shè)計(jì)，截面過(guò)渡，圓角合理化。
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