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工件淬火裂紋的原因分析與對策
2019-03-08 00:00:00 來源：中頻感應(yīng)加熱設(shè)備 點(diǎn)擊：2047 喜歡：0
1 前言
工件在熱處理過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程中所產(chǎn)生的開裂現(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
造成工件開裂的熱處理應(yīng)力主要包括“熱應(yīng)力”和“組織應(yīng)力”。“熱應(yīng)力”也就是由熱脹冷縮所引起的力。工件在加熱和冷卻過程中，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，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)才能保證淬火不開裂。在淬火過程中熱應(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。為了避免開裂，必須預(yù)防工件的拉應(yīng)力。
3 實(shí)例分析
我們針對多年來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，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 造成開裂的主要因素
4.1 工件在淬火冷卻過程中，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)，截面過渡，圓角合理化。
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