2023年零件热处理裂纹的分析与对策.doc

零件热处理裂纹的分析与对策 零件在热处理过程中产生的裂纹是最严重的热处理缺陷之一。这种缺陷通常是无法补救的，零件只能报废，因而它引起了热处理工作者的特别重视。 1．零件热处理裂纹产生的原因     零件在热处理过程中会产生很大的内应力(组织应力和热应力)，当这些应力超过钢的屈服强度时，会引起零件的变形；当应力更大，超过钢的抗拉强度时，那么会造成零件的开裂。     作用在零件上的应力有两种：压应力和拉应力。淬火时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原因。但是当钢的塑性较高时，即使有较大的拉应力也不会引起零件的开裂，比方没有发生组织转变的去应力退火，获得较多残留奥氏体的等温淬火等。只有在应力较大，又具备了高硬度、脆性大的组织时，才容易造成零件的开裂。故淬火裂纹的形成必须同时存在两个条件：一是具有脆性组织；二是拉应力超过了此时钢的抗拉强度(当然其他情况也能促使零件裂纹发生，比方原材料缺陷、设计及机械加工不当造成的缺陷等)。 2．关于裂纹的类型     裂纹的分类方法各种各样。按裂纹的方向分，有纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹和网状裂纹(又称龟裂)等；按裂纹发生的位置分，有表层裂纹(或称外表裂纹)和内部裂纹；按裂纹发生在不同的工序分，有锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、回火裂纹、冷处理裂纹、酸洗裂纹及磨削裂纹等。零件在热处理过程中以淬火裂纹为最多。 3．裂纹的分辨方法     如何区分究竟是淬火裂纹、回火裂纹、锻造裂纹还是磨削裂纹等是很重要的，这样便于准确查找裂纹发生在哪一工序，有利于分析裂纹产生的原因。     第一，注意淬火裂纹和磨削裂纹形态的不同。对于淬火时未发现而在磨削后才发现的裂纹，要区别是淬火裂纹还是磨削裂纹。在裂纹未附着污染物时比拟容易，此时注意裂纹的形态，特别是裂纹开展的方向，磨削裂纹是垂直于磨削方向的，呈平行线形态(如图1所示)，或呈龟甲状裂纹(如图2所示)。磨削裂纹的深度根浅，而淬火裂纹一般都比拟深  比拟大，与磨削方同无关，多呈直线刀割状开裂。 [img] :// china-metallography /china-met04/02-quench/images0402/quench016-1.jpg[/img] 图l   平行线状磨削裂纹 [img] :// china-metallography /china-met04/02-quench/images0402/quench016-2.jpg[/img]    第二，注意裂纹发生的部位。锋利的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的外表缺陷等部位，在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。     第三，通过观察零件的裂断面来区分是淬火裂纹还是淬火前的锻造裂纹或其他情况造成的裂纹。假设裂纹断面呈白色或暗白色或浅红色(水淬时造成的水锈)，均可断定为淬火裂纹，假设裂纹断面呈深褐色，甚至有氧皮出现，那就不是淬火裂纹，系淬火前就存在的裂纹，是零件经过锻造或压延时形成的裂纹，这些裂纹都会因淬火而被扩大。因淬火裂纹根本上是在MS点以下时形成的，其断面是不会被氧化的。     第四，在显微组织中，淬火裂纹是沿晶界断裂，假设不是沿晶界断裂，而是沿晶内断裂，那么属于疲劳裂纹。     第五，如果裂纹周围有脱碳层存在，那就不是淬火裂纹，而是淬火前就存在的裂纹，因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的，绝不会发生脱碳现象。 4．检查裂纹的方法 检查零件有无裂纹，最简单、最常用的方法是将零件喷砂后用肉眼直接观察，或使用放大镜观察零件的外表即可。当用眼睛或放大镜看不到裂纹时，还可用浸油探伤法检查。即将零件浸入到煤油、汽油等油中，稍后取出零件用棉纱擦拭干净，再涂以石灰粉或其他白粉，如有裂纹，那么在白色局部有油渗出。有经验的检查人员还可以用敲击的方法检查出是否有裂纹，即用小锤等轻轻敲击零件，如果发出清晰的金属声音，尾音比拟长，即可掣。为没有裂纹；反之，假设发出重浊的声名，就出现了裂纹。还可以采用磁力探伤法及荧光探伤法检查零件是否有裂纹。 5．淬火过热与淬火裂纹     零件被加热到高出工艺规定的某一淬火加热温度并在一定的加热时间里，便会造成工件的淬火过热。过热温度会因钢种的不同而不同。工件一旦过热，那么奥氏体晶粒粗化，生成的马氏体针也粗大。容易产生马氏体微裂纹。这种马氏体的微裂纹是淬火裂纹的激发源，并开展成为淬火裂纹。过热使钢的性能变坏，强度与塑性大大降低。     生产现场中淬火过热引起的淬火裂纹在工具钢中最为常见，特别是高速工具钢因淬火过热造成工件裂纹的事例最多，这是由于高速钢的淬火加热温度接近其熔点，因此稍有不慎即可引起过热，甚至过烧。某厂在热处理一批W18Cr4V钢制模数为m=12、外径为Φ170mm的盘形齿轮铣刀时，工艺规定的淬火加热温度为1270℃，但由于控温仪表失灵，表指温度比实际炉温低35℃，幸亏操作者发现炉温的变化，立即采取终止生产进行重新测温的措施，防止了大批过热产品的发生，但仍有少量齿轮铣刀出现了过热引起的裂纹，如图3所示。金相检查发现淬火晶粒粗大，裂纹均发生于网状碳化物处，由此可见裂纹系加热温度过高所致。因过热形成的共晶碳化物沿晶界呈网状分布，在晶界上形成一层硬壳使钢产生了很大的脆性，阻碍了钢的塑性变形，在淬火冷却时产生的极大应力作用下引起淬火裂纹。 [img] :// china-metallography /china-met04/02-quench/images0402/quench016-3.jpg[/img] 图3  m=12、外径为Φ170mm的W18Cr4V钢盘形齿轮铣刀上的裂纹     防止零件因淬火过热而产生裂纹的主要措施是：①工艺员要制定正确合理的加热温度和加热方法。如对一些大规格碳化物偏析较严重的高速钢刀具，应采取高速钢下限的淬火加热温度，为保证加热充分，可适当延长加热时间，对一些带尖角的零件应离炉内加热体远一些，在盐浴炉中工件距电极盼距离不得小于50mm，以免引起尖角过热。②对测温仪表和控温仪表要定期检查校对和维修，保证仪表始终在运转正常的条件下使用。仪表员要保证测温、定温、调温时准确无误。③淬火工要随时观察炉温的情况，发现炉温有异常变化时，及时找工艺员或仪表员等有关人员解决，必要时立即停产，重新测温，待炉温恢复正常后再进行生产。④设备要保证工艺要求。 6. 加热速度过快、加热不均匀与淬火裂纹 零件加热速度过快和加热不均匀会使应力增加，尤其是合金元素较多、导热性较差和尺寸较大的高合金钢工件，在淬火加热前假设不进行充分的预热，那么在淬火时会因加热速度过快和加热不均而很可能导致产生裂纹。生产中高速钢工件多采用550～600℃和850～900℃ 的两段预热，以减缓高速钢工件的加热速度，并使其得到充分均匀地加热，从而减少加热时的应力，同时也可缩短高速钢工件的高温加热时间。因炉渣的温度一般都比拟高，工件一旦接触到炉渣使工件局部温度升高，淬火工在工作前要对盐浴炉进行认真清氧捞渣，将炉底的残渣必须捞净。电阻炉的电阻丝布置要均匀合理，以保证炉内温度均匀一致，防止引起工件加热不均匀。 7. 淬火冷却速度与淬火裂纹 零件产生淬火裂纹的原因是多方面的，但就发生的时间来说，多是在淬火冷却过程中发生的。更具体的讲，裂纹是发生在零件冷至钢的马氏体转变点Ms至Mf点之间的冷速过大，此期间热应力与组织应力会到达最大值，很容易造成零件淬火裂纹发生。 裂纹能否产生取决于淬火时热应力与组织应力的和是正〔拉应力〕还是负〔组织应力〕。假设两者之和为正那么可能发生裂纹，假设为负那么不会发生裂纹。零件从奥氏体化温度以大于临界冷却速度的急冷，导致产生热应力，使外层受压，内层受拉，这对防止淬火裂纹将起着有效的作用。从这个意义上讲，在奥氏体区域快速冷却对防止淬火裂纹发生是有利的。与此相反，在马氏体区域内的冷却与相变应力有关，在此区域内冷却速度越大，那么相变应力越大，外表层的拉应力越大，因而容易导致淬火裂纹的发生。 在实际生产中，对不同的钢材和具体的零件采用双液淬火、分级淬火和等温淬火等，其目的就是为了在马氏体转变区域内缓冷，尽量使零件内外层同时发生组织转变，力求使组织应力到达最小值，以防止裂纹的发生。表1是某工具厂生产的高速钢制弧形键槽铣刀〔钢的化学成分相同〕，由于采用的冷却方式不同那么产生裂纹的数量和百分率也不同。 [img] :// china-metallography /china-met04/02-quench/images0402/quench017-b1.jpg[/img]    8.   清洗过早引起的淬火裂纹 尺寸较大的工件，淬火冷却后外表看上去冷的差不多了，但其心部温度仍比拟高，仍在进行着马氏体的转变。此时假设将工件放入冷水中〔特别在冬季的冷水中〕清洗，等于在马氏体转变区域内加速冷却，产生的内应力将会增加，使工件发生开裂，这种裂纹仍为淬火裂纹。因此，工件必须完全冷透后再清洗。 9. 萘状断口与淬火裂纹 萘状断口是高速钢的一种常见缺陷。正常的高速钢断口是细陶瓷状，淬火过热的断口较粗糙，萘状断口那么是一种具有特殊闪光、与萘的闪光相似的粗糙断口。产生萘状断口的钢，其显微组织的特点是奥氏体晶粒很大且不均匀，个别粗大晶粒尺寸可达0.1～1mm。 产生萘状断口的钢，其淬火、回火后的硬度和红硬性与正常断口的钢根本上是相当的，但机械强度明显降低，特别是韧性更低。有关资料介绍，通过试验说明：W9Cr4V2在1220℃三次淬火、560℃三次回火〔产生严重的萘状断口〕同1220℃一次淬火、560℃三次回火〔正常断口〕相比拟，前者较后者弯曲强度降低25%，拉伸强度降低30%～35%，扭转强度降低40%，冲击韧度降低65%。 用高速钢制造的刀具一旦产生萘状断口，在淬火冷却时容易形成淬火裂纹，校直时易压断，使用中易崩刃和折断。 关于萘状断口的形成，通常发生在下面两种情况：一是钢在锻、轧等热塑性变形加工时的终了温度过高〔1050～1000℃〕时；二是重复淬火时没有经过中间退火或退火不充分造成。 防止萘状断口产生的措施应注意以下几点：①严格控制终锻温度，使其不高于1000℃。②锻件毛坯必须经充分退火。③返修的高速钢工件在重新淬火前必须进行充分退火， 退火后的硬度≤HRC28。 10. 脱碳与淬火裂纹 脱碳分完全脱碳〔铁素体脱碳〕和不完全脱碳，即保存一局部剩余碳量的脱碳。生产现场中遇到的多是不完全脱碳。零件不管是在热处理前或淬火加热过程中，如果产生脱碳，那么由于脱碳的表层与未脱碳的内部化学成分不同，因而在淬火时发生相变的时间就不相同，马氏体的膨胀量也不相同，这样就使零件内应力增大而容易产生裂纹。例如，当高速钢的含碳量为0.8%时，其Ms点为150℃；如果因外表脱碳使脱碳层的含碳降低为0.4%时，其Ms点为330℃。 在淬火冷却时，由于相变首先从脱碳层开始，当脱碳层的马氏体转变已经完成或正在大量转变时，其心部还没有开始转变，这时表层处于压应力状态。当工件温度降至150℃以下时，非脱碳的内部开始马氏体的转变，但此时脱碳的表层已经完成了马氏体的转变，表层比拟硬，故难以产生塑性变形，此时表层处于强大的拉应力状态，很容易使零件发生开裂。某厂生产的W9Mo3Cr4V钢制内孔车刀热处理后产生了裂纹，将车刀横断面进行宏观腐蚀后检查，发现车刀四周均有严重脱碳层，其深度约为1.5mm左右。造成脱碳的原因是车刀在锻造后退火时产生的脱碳层未加工掉而在淬火时发生了裂纹。之所以断定系锻造退火时发生的脱碳，是因为在同一盐炉中淬火加热的其他高速钢工件未发现脱碳现象。再说在盐浴炉中淬火加热中很少发现如此严重的脱碳事故。 另一工厂生产的柴油机气门弹簧在使用中发生疲劳裂纹，弹簧材料为50CrVAl钢丝，860℃淬火油冷，460℃回火