淬火裂紋缺陷的預(yù)防

1、【摘要】淬火裂紋是常見(jiàn)的淬火缺陷，產(chǎn)生的原因是多方面的。本文主要從產(chǎn)品加熱介質(zhì)、加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方法、冷卻介質(zhì)和操作方式等方面論述了淬火裂紋缺陷的預(yù)防方法?！娟P(guān)鍵詞】淬火；淬火裂紋；熱處理在熱處理工序中，淬火是最常用的處理方法，淬火裂紋是淬火過(guò)程中最容易產(chǎn)生的缺陷。許多工件因?yàn)榇慊鹆鸭y而報(bào)廢，因此，預(yù)防淬火裂紋缺陷一直是熱處理生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文試就淬火裂紋產(chǎn)生的原因，主要從熱處理工序來(lái)探討控制和減少淬火裂紋的措施，以進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少經(jīng)濟(jì)損失。一、淬火裂紋淬火裂紋多數(shù)在淬火冷卻后期產(chǎn)生的。也即在馬氏體溫度轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)冷卻時(shí)，由淬火內(nèi)應(yīng)力在工件表面附近所產(chǎn)生的拉應(yīng)力

2、超過(guò)了該溫度下鋼的抗拉強(qiáng)度而引起的。一般說(shuō)來(lái)，淬火時(shí)在點(diǎn)以下的快冷是造成淬火裂紋的主要原因。除此之外，零件的設(shè)計(jì)不良、材料的使用不當(dāng)以及原材料中既存的缺陷都有可能促使裂紋的形成。常見(jiàn)的裂紋有以下幾種：縱向裂紋、橫向裂紋、網(wǎng)狀裂紋、淬火過(guò)熱裂紋、剝離裂紋、應(yīng)力集中裂紋等。如圖（16）所示：圖 1、40CrMnMo鋼的縱向淬火裂紋 圖 2、 GCr15橫向裂紋的宏觀斷口圖 3、GCr15軸承圈淬火時(shí)的網(wǎng)狀裂紋 圖 4、 過(guò)熱引起的淬火裂紋圖 5、剝離裂紋的應(yīng)力狀態(tài)示意圖 圖 6、高速鋼鉸刀的應(yīng)力集中裂紋二、防止淬火裂紋的措施為了減少及防止工件淬火裂紋，一是應(yīng)合理的設(shè)計(jì)零件：工件結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱，減少截

3、面的厚薄懸殊，避免尖角和薄邊及厚薄交界處應(yīng)平滑過(guò)渡；二是要合理選材：對(duì)于易變形、淬裂的零件選用合金鋼，對(duì)硬度要求不高的結(jié)構(gòu)件，在滿足硬度要求的情況下，盡可能選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的碳鋼；三是制定的熱處理技術(shù)要求要合理：在滿足性能要求的前提下，盡量降低硬度要求，或采用局部和表面淬硬等方法；最后零件毛坯要進(jìn)行正確的熱加工（鑄、鍛、焊）和預(yù)先熱處理：鋼材中某些冶金缺陷，如結(jié)構(gòu)鋼中的帶狀組織、高碳合金鋼中的碳化物偏析等，會(huì)加劇淬火開(kāi)裂并降低鋼的性能，需通過(guò)良好的鍛造來(lái)改善此類冶金缺陷。鍛造后的毛坯要經(jīng)過(guò)適當(dāng)預(yù)備熱處理，如正火、退火、調(diào)質(zhì)等。另外，更為重要的是在熱處理生產(chǎn)中，對(duì)于加熱介質(zhì)、加熱速度、保溫時(shí)間

4、、淬火方法、淬火介質(zhì)等各項(xiàng)參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)，是保證不引起裂紋的主要因素：1、合理確定加熱參數(shù)1）加熱介質(zhì)淬火裂紋與加熱爐有很大關(guān)系。不同的加熱爐在加熱工件時(shí)發(fā)生淬裂傾向是不同的，因此，在條件允許的情況下，最好依次選擇真空爐、保護(hù)氣氛爐、電爐、鹽浴爐、火焰爐。2）加熱速度在不產(chǎn)生裂紋且變形程度在允許范圍的前提下，盡量提高加熱速度，以減少氧化脫碳，降低能耗，提高效益。碳素鋼、低合金鋼和中合金鋼快速加熱時(shí)均無(wú)產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)，快速加熱不僅能提高生產(chǎn)效率，而且對(duì)防止鋼件的淬火變形和裂紋起到良好的效果；對(duì)于大型鍛、鑄件、形狀復(fù)雜的高錳鋼鑄件、不銹鋼鑄件、高速鋼與高碳合金鋼零件，塑性差，導(dǎo)熱性不良，若加熱速

5、度過(guò)快，可能在鋼件表面產(chǎn)生裂紋，這是由于加熱速度過(guò)快時(shí)，鋼件內(nèi)層溫度尚低，而表層已奧氏體化，比體積迅速變小，受拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，則產(chǎn)生裂紋。這類鋼不宜采用快速加熱，相反這類鋼應(yīng)放慢加熱速度，或采用中間預(yù)熱（550650或800850）措施，這對(duì)于復(fù)雜形狀高合金鋼件的熱處理質(zhì)量提供了良好的保證。3）加熱溫度加熱溫度是淬火工藝中重要的參數(shù)，對(duì)工件的性能有著決定的作用。同時(shí)，也是影響淬火裂紋的一個(gè)因素。實(shí)踐證明，鋼材的淬火加熱溫度不是一個(gè)固定不變的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，淬火加熱溫度通常需根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)來(lái)確定，對(duì)于亞共析鋼采用Ac3 +(3050)，對(duì)于過(guò)共析鋼采用Ac1 +(3050)。

6、亞溫淬火是亞共析鋼在略低于Ac3(510)的溫度下奧氏體化后淬火，它可提高鋼的韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，并可消除回火脆性。其淬火加熱溫度應(yīng)接近Ac3，以免出現(xiàn)過(guò)多鐵素體而影響鋼的強(qiáng)度。45鋼、40Cr、30CrMo等在Ac3以下（510）加熱后，可獲得令人滿意的效果。同時(shí)，由于淬火溫度的降低，鋼的淬裂傾向大大減小。需要指出的是，選擇淬火加熱溫度時(shí)，還應(yīng)考慮到工件的形狀，所選用的淬火介質(zhì)等因素，一般而言，形狀簡(jiǎn)單的工件，可采用上限加熱溫度；形狀復(fù)雜、易淬裂的工件則應(yīng)采用下限的加熱溫度。當(dāng)選用冷速緩慢的介質(zhì)，特別是選用熱介質(zhì)淬火時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高淬火加熱溫度。4）保溫時(shí)間保溫時(shí)間是指在熱處理時(shí)，工件熱透

7、或保證組織轉(zhuǎn)變基本完成所需的時(shí)間,確定淬火溫度下的保溫時(shí)間是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)可靠的計(jì)算方法，一般由試驗(yàn)確定；或根據(jù)有效厚度來(lái)求出，其經(jīng)驗(yàn)公式為：=* K * D。式中: -保溫時(shí)間（min）；-加熱系數(shù)（min/mm）；K-工件加熱時(shí)的修正系數(shù)； D-工件的有效厚度（mm）。 圖 7 工件裝爐修正系數(shù)K的數(shù)值工件有效厚度的計(jì)算原則是：薄板工件的厚度即為其有效厚度；長(zhǎng)的圓棒料直徑為其有效厚度；正方形工件的邊長(zhǎng)為其有效厚度；矩形工件的高為其有效厚度，帶錐度的圓柱形工件有效厚度是距小端2L/3（L為工件的長(zhǎng)度）處的直徑，帶有通孔的工件，其壁厚為有效厚度。加熱時(shí)間還與工件在爐內(nèi)的排

8、布方式有關(guān)。圖 7 給出了工件在爐內(nèi)的排布方式與加熱修正系數(shù)之間的關(guān)系。加熱系數(shù)與鋼材的化學(xué)成分，爐子溫度爐內(nèi)所用的介質(zhì)，有無(wú)預(yù)熱等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，高合金鋼、高速鋼、高合金模具鋼的淬火加熱保溫時(shí)間要適當(dāng)延長(zhǎng)，以保證碳化物的溶解和奧氏體化。其中高合金鉻鋼需要保溫的時(shí)間最長(zhǎng)。 2、選定合適的淬火方法由圖 8 淬火的理想冷卻C曲線的形狀可知，工件淬火時(shí)為獲得預(yù)期的馬氏體組織，并不需要在其整個(gè)冷卻過(guò)程中都快速冷卻。而只是在C曲線 的“鼻尖”附近(一般650400)需要快速冷卻。在其他區(qū)間尤其在點(diǎn)以下的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間應(yīng)盡可能地緩 圖 8 淬火的理想冷卻曲線慢冷卻。為了淬硬而又不淬裂，在“鼻尖”處應(yīng)快

9、冷，在馬氏體區(qū)應(yīng)慢冷?？傊?，要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求，結(jié)合設(shè)備狀況等多方面因素正確地選擇淬火方法，以減少或者不發(fā)生淬裂事故。主要淬火方法有： 1）預(yù)冷淬火預(yù)冷淬火是淬火時(shí)零件先在空氣、油、熱浴(或滲碳?xì)夥?中，預(yù)冷到略高于Ar3的溫度后，再迅速置于淬火介質(zhì)中淬火，又叫降溫淬火或延遲淬火。淬火前的預(yù)冷，可以減少熱應(yīng)力，使工件變形和裂紋傾向減小。預(yù)冷淬火的預(yù)冷時(shí)間（從奧氏體化溫度冷到危險(xiǎn)截面處溫度650）對(duì)于一般碳鋼及低合金鋼可按下式估計(jì)：= 12 + R*S式中：-工件預(yù)冷時(shí)間（s）；S-危險(xiǎn)截面處的厚度（mm），一般指工件最薄的地方；R-與工件尺寸有關(guān)的系數(shù)，一般為34s/mm。2）多介

10、質(zhì)淬火法多介質(zhì)淬火法，根據(jù)選用的淬火介質(zhì)的不同，以及操作方法的特點(diǎn)可分為雙介質(zhì)淬火、三介質(zhì)淬火等。雙介質(zhì)淬火是將加熱好的工件先淬入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)，待工件溫度降至C曲線“鼻尖”以下溫度時(shí)，再淬入冷卻能力較弱的介質(zhì)中繼續(xù)冷卻，以獲得馬氏體組織。生產(chǎn)中大量采用的水一油淬火，多用于碳素工具鋼及大截面的低合金工具鋼的工件，即在高溫區(qū)用鹽水快速冷卻抑制過(guò)冷奧氏體的分解，在低于400溫度時(shí)，立即轉(zhuǎn)入油中緩慢冷卻，以減小淬火內(nèi)應(yīng)力，防止淬火裂紋。注意工件在第一種介質(zhì)中的停留時(shí)間，是雙介質(zhì)淬火時(shí)至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，在第一種介質(zhì)中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就變成單液淬火法，起不到減小變形，防止裂紋的作用。對(duì)于形狀復(fù)雜而變

11、形要求又較嚴(yán)格的工件，有時(shí)雙液淬火仍不能控制變形和裂紋，而需要采用冷卻能力依次減少的三種淬火介質(zhì)，稱為三液淬火。3）分級(jí)淬火分級(jí)淬火是將工件從淬火溫度，直接快速冷卻到點(diǎn)以上某一溫度，經(jīng)適當(dāng)時(shí)間保溫，使工件表面與心部的溫度均勻后取出空冷，使工件在緩慢冷速下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法。這一方法可以有效地防止淬火裂紋。高碳高合金鋼，一般淬火加熱溫度較高，而點(diǎn)又較低，用普通淬火方法可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的變形和裂紋，如只用一次分級(jí)淬火難以避免較大的相變應(yīng)力及熱應(yīng)力。因此，對(duì)于截面尺寸較大，形狀復(fù)雜，易于變形和開(kāi)裂的高速鋼刀具要采用逐次降溫的二次或三次分級(jí)的分級(jí)淬火方法。其溫度選擇一般:600650，450550

12、和300350等。圖9為W18Cr4V高速鋼鋸片銑刀的多次分級(jí)淬火工藝曲線。多次分級(jí)淬火時(shí)，在各個(gè)溫度區(qū)的停留時(shí)間，應(yīng)以能保證在該溫度下工件沿截面的溫度均勻，而又不產(chǎn)生非馬氏體組織。具體數(shù)據(jù)可由試驗(yàn)確定。4）馬氏體等溫淬火零件奧氏體化后淬入低于點(diǎn)以下50100的熱浴中等溫保持， 圖 9 鋸片銑刀多次分級(jí)淬火工藝曲線以獲得馬氏體的淬火方法稱為馬氏體等溫淬火。這種淬火方法的冷卻速度較分級(jí)淬火時(shí)快，故適用淬透性略低的鋼種制造的零件，同時(shí)也可起到減少變形和防止裂紋的作用。其中以熱油作為馬氏體等溫淬火的介質(zhì)最方便，簡(jiǎn)單易行。在130160的熱油中淬火，能夠在較緩慢的冷卻速度中使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，因而產(chǎn)

13、生較小的內(nèi)應(yīng)力，變形裂紋傾向也較小。3、淬火介質(zhì)的選擇可供應(yīng)用的淬火介質(zhì)種類很多。如水、鹽水、油、聚合物溶液、熔鹽、氣體（包括靜止或攪動(dòng)）、噴霧等。淬火介質(zhì)的選擇與淬火方法密切相關(guān)。一般選擇淬火介質(zhì)時(shí)：一要考慮零件特性，即鋼的化學(xué)成分（相變特征）、工件截面尺寸、幾何形狀、表面粗糙度和表面狀態(tài)、零件淬火時(shí)排列狀況和密集程度；二要清楚淬火介質(zhì)的溫度、攪拌速率、流向、溶液的濃度等；三要注意淬火介質(zhì)的冷卻能力，不同的淬火介質(zhì)其冷卻能力是不同的，對(duì)零件產(chǎn)生淬火裂紋的影響也有所不同。4、防止淬火裂紋的其他措施1）及時(shí)回火有許多淬火工件裂紋，不是在淬火冷卻過(guò)程中或冷卻之后立即發(fā)生的，而是當(dāng)工件從淬火介質(zhì)中取出后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后出現(xiàn)，短則幾分鐘，長(zhǎng)則幾小時(shí)。一方面是在室溫放置過(guò)程中繼續(xù)發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，實(shí)際上是淬火過(guò)程的繼續(xù)。另一方面，工件中的淬火內(nèi)應(yīng)力，在室溫放置過(guò)程中會(huì)重新分布，在應(yīng)力集中處也可能引起裂紋。將淬火工件及時(shí)回火，不僅可降低淬火內(nèi)應(yīng)力，而且可以提高鋼的破斷抗力。因此及時(shí)回火，已成為防止裂紋的有效措