淬火裂纹缺陷的预防

淬 火 裂 纹 缺 陷 的 预 防 【摘要】淬火裂纹是常见的淬火缺陷，产生的原因是多方面的。本文主要从产品加热介质、加热速度、加热温度、保温时间、冷却方法、冷却介质和操作方式等方面论述了淬火裂纹缺陷的预防方法。 【关键词】淬火；淬火裂纹；热处理 在热处理工序中，淬火是最常用的处理方法，淬火裂纹是淬火过程中最容易产生的缺陷。许多工件因为淬火裂纹而报废，因此，预防淬火裂纹缺陷一直是热处理生产中的关键问题。 本文试就淬火裂纹产生的原因，主要从热处理工序来探讨控制和减少淬火裂纹的措施，以进一步提高产品质量，减少经济损失。 一、淬火裂纹 淬火裂纹多数在淬火冷却后期产生的。也即在马氏体温度转变温度范围内冷却时，由淬火内应力在工件表面附近所产生的拉应力超过了该温度下钢的抗拉强度而引起的。一般说来，淬火时在Ｍｓ点以下的快冷是造成淬火裂纹的主要原因。除此之外，零件的设计不良、材料的使用不当以及原材料中既存的缺陷都有可能促使裂纹的形成。常见的裂纹有以下几种：纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、淬火过热裂纹、剥离裂纹、应力集中裂纹等。如图（1～6）所示： 图 1、40CrMnMo钢的纵向淬火裂纹              图 2、 GCr15横向裂纹的宏观断口 图 3、GCr15轴承圈淬火时的网状裂纹            图 4、 过热引起的淬火裂纹 图 5、剥离裂纹的应力状态示意图            图 6、高速钢铰刀的应力集中裂纹 二、防止淬火裂纹的措施 为了减少及防止工件淬火裂纹，一是应合理的设计零件：工件结构尽量对称，减少截面的厚薄悬殊，避免尖角和薄边及厚薄交界处应平滑过渡；二是要合理选材：对于易变形、淬裂的零件选用合金钢，对硬度要求不高的结构件，在满足硬度要求的情况下，尽可能选用碳质量分数较小的碳钢；三是制定的热处理技术要求要合理：在满足性能要求的前提下，尽量降低硬度要求，或采用局部和表面淬硬等方法；最后零件毛坯要进行正确的热加工（铸、锻、焊）和预先热处理：钢材中某些冶金缺陷，如结构钢中的带状组织、高碳合金钢中的碳化物偏析等，会加剧淬火开裂并降低钢的性能，需通过良好的锻造来改善此类冶金缺陷。锻造后的毛坯要经过适当预备热处理，如正火、退火、调质等。另外，更为重要的是在热处理生产中，对于加热介质、加热速度、保温时间、淬火方法、淬火介质等各项参数的选择和设计，是保证不引起裂纹的主要因素： 1、合理确定加热参数 1）加热介质 淬火裂纹与加热炉有很大关系。不同的加热炉在加热工件时发生淬裂倾向是不同的，因此，在条件允许的情况下，最好依次选择真空炉、保护气氛炉、电炉、盐浴炉、火焰炉。 2）加热速度 在不产生裂纹且变形程度在允许范围的前提下，尽量提高加热速度，以减少氧化脱碳，降低能耗，提高效益。碳素钢、低合金钢和中合金钢快速加热时均无产生裂纹的危险，快速加热不仅能提高生产效率，而且对防止钢件的淬火变形和裂纹起到良好的效果；对于大型锻、铸件、形状复杂的高锰钢铸件、不锈钢铸件、高速钢与高碳合金钢零件，塑性差，导热性不良，若加热速度过快，可能在钢件表面产生裂纹，这是由于加热速度过快时，钢件内层温度尚低，而表层已奥氏体化，比体积迅速变小，受拉应力，当拉应力大于材料断裂强度时，则产生裂纹。这类钢不宜采用快速加热，相反这类钢应放慢加热速度，或采用中间预热（550～650℃或800～850℃）措施，这对于复杂形状高合金钢件的热处理质量提供了良好的保证。 3）加热温度 加热温度是淬火工艺中重要的参数，对工件的性能有着决定的作用。同时，也是影响淬火裂纹的一个因素。实践证明，钢材的淬火加热温度不是一个固定不变的参数。一般来说，淬火加热温度通常需根据钢的临界点来确定，对于亚共析钢采用Ac3 +(30～50℃)，对于过共析钢采用Ac1 +(30～50℃)。亚温淬火是亚共析钢在略低于Ac3(5～10℃)的温度下奥氏体化后淬火，它可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。其淬火加热温度应接近Ac3，以免出现过多铁素体而影响钢的强度。45钢、40Cr、30CrMo 等在Ac3以下（5～10℃）加热后，可获得令人满意的效果。同时，由于淬火温度的降低，钢的淬裂倾向大大减小。需要指出的是，选择淬火加热温度时，还应考虑到工件的形状，所选用的淬火介质等因素，一般而言，形状简单的工件，可采用上限加热温度；形状复杂、易淬裂的工件则应采用下限的加热温度。当选用冷速缓慢的介质，特别是选用热介质淬火时，应适当提高淬火加热温度。 4）保温时间 保温时间是指在热处理时，工件热透或保证组织转变基本完成所需的时间,确定淬火温度下的保温时间是个复杂的问题。到目前为止，还没有一个可靠的计算方法，一般由试验确定；或根据有效厚度来求出，其经验公式为：τ=α* K * D。 式中: τ--保温时间（min）； α--加热系数（min/mm）； K--工件加热时的修正系数；      D--工件的有效厚度（mm）。    图 7  工件装炉修正系数K 的数值 工件有效厚度的计算原则是：薄板工件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方形工件的边长为其有效厚度；矩形工件的高为其有效厚度，带锥度的圆柱形工件有效厚度是距小端2L/3（ L 为工件的长度）处的直径，带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。加热时间还与工件在炉内的排布方式有关。图 7 给出了工件在炉内的排布方式与加热修正系数之间的关系。加热系数α与钢材的化学成分，炉子温度炉内所用的介质，有无预热等因素有关。一般来说，高合金钢、高速钢、高合金模具钢的淬火加热保温时间要适当延长，以保证碳化物的溶解和奥氏体化。其中高合金铬钢需要保温的时间最长。 2、选定合适的淬火方法 由图 8 淬火的理想冷却C曲线的形状可知，工件淬火时为获得预期的马氏体组织，并不需要在其整个冷却过程中都快速冷却。而只是在C曲线        的“鼻尖”附近(一般650～400℃)需要快速冷却。在其他区间尤其在Ｍｓ点以下的马氏体转变区间应尽可能地缓      图 8 淬火的理想冷却曲线 慢冷却。为了淬硬而又不淬裂，在“鼻尖”处应快冷，在马氏体区应慢冷。总之，要根据零件的结构特点、技术要求，结合设备状况等多方面因素正确地选择淬火方法，以减少或者不发生淬裂事故。主要淬火方法有：                                                                          1）预冷淬火 预冷淬火是淬火时零件先在空气、油、热浴(或渗碳气氛)中，预冷到略高于Ar3的温度后，再迅速置于淬火介质中淬火，又叫降温淬火或延迟淬火。淬火前的预冷，可以减少热应力，使工件变形和裂纹倾向减小。预冷淬火的预冷时间（从奥氏体化温度冷到危险截面处温度650℃）对于一般碳钢及低合金钢可按下式估计： τ= 12 + R*S          式中：τ--工件预冷时间（s）； S--危险截面处的厚度（mm），一般指工件最薄的地方； R--与工件尺寸有关的系数，一般为3～4s/mm。 2）多介质淬火法 多介质淬火法，根据选用的淬火介质的不同，以及操作方法的特点可分为双介质淬火、三介质淬火等。双介质淬火是将加热好的工件先淬入冷却能力较强的介质，待工件温度降至C曲线“鼻尖”以下温度时，再淬入冷却能力较弱的介质中继续冷却，以获得马氏体组织。生产中大量采用的水一油淬火，多用于碳素工具钢及大截面的低合金工具钢的工件，即在高温区用盐水快速冷却抑制过冷奥氏体的分解，在低于400℃温度时，立即转入油中缓慢冷却，以减小淬火内应力，防止淬火裂纹。注意工件在第一种介质中的停留时间，是双介质淬火时至关重要的一个参数，在第一种介质中停留时间过长，就变成单液淬火法，起不到减小变形，防止裂纹的作用。对于形状复杂而变形要求又较严格的工件，有时双液淬火仍不能控制变形和裂纹，而需要采用冷却能力依次减少的三种淬火介质，称为三液淬火。 3）分级淬火 分级淬火是将工件从淬火温度，直接快速冷却到Ｍｓ点以上某一温度，经适当时间保温，使工件表面与心部的温度均匀后取出空冷，使工件在缓慢冷速下进行马氏体转变的淬火方法。这一方法可以有效地防止淬火裂纹。高碳高合金钢，一般淬火加热温度较高，而Ｍｓ点又较低，用普通淬火方法可能产生较严重的变形和裂纹，如只用一次分级淬火难以避免较大的相变应力及热应力。因此，对于截面尺寸较大，形状复杂，易于变形和开裂的高速钢刀具要采用逐次降温的二次或三次分级的分级淬火方法。其温度选择一般:600～650℃，450～550℃和300～350℃等。图9为W18Cr4V高速钢锯片铣刀的多次分级淬火工艺曲线。多次分级淬火时，在各个温度区的停留时间，应以能保证在该温度下工件沿截面的温度均匀，而又不产生非马氏体组织。具体数据可由试验确定。 4）马氏体等温淬火 零件奥氏体化后淬入低于Ｍｓ点以下50～100℃的热浴中等温保持，            图 9 锯片铣刀多次分级淬火工艺曲线 以获得马氏体的淬火方法称为马氏体等温淬火。这种淬火方法的冷却速度较分级淬火时快，故适用淬透性略低的钢种制造的零件，同时也可起到减少变形和防止裂纹的作用。其中以热油作为马氏体等温淬火的介质最方便，简单易行。在130～160℃的热油中淬火，能够在较缓慢的冷却速度中使奥氏体向马氏体转变，因而产生较小的内应力，变形裂纹倾向也较小。 3、淬火介质的选择 可供应用的淬火介质种类很多。如水、盐水、油、聚合物溶液、熔盐、气体（包括静止或搅动）、喷雾等。淬火介质的选择与淬火方法密切相关。一般选择淬火介质时：一要考虑零件特性，即钢的化学成分（相变特征）、工件截面尺寸、几何形状、表面粗糙度和表面状态、零件淬火时排列状况和密集程度；二要清楚淬火介质的温度、搅拌速率、流向、溶液的浓度等；三要注意淬火介质的冷却能力，不同的淬火介质其冷却能力是不同的，对零件产生淬火裂纹的影响也有所不同。 4、防止淬火裂纹的其他措施 1）及时回火 有许多淬火工件裂纹，不是在淬火冷却过程中或冷却之后立即发生的，而是当工件从淬火介质中取出后经过一定时间后出现，短则几分钟，长则几小时。一方面是在室温放置过程中继续发生奥氏体向马氏体转变，实际上是淬火过程的继续。另一方面，工件中的淬火内应力，在室温放置过程中会重新分布，在应力集中处也可能引起裂纹。将淬火工件及时回火，不仅可降低淬火内应力，而且可以提高钢的破断抗力。因此及时回火，已成为防止裂纹的有效措施。 2）局部保护 为了减小形状复杂工件薄壁处加热时过热，或在冷却时过冷，工业生产中常用耐火土或石棉绳等物包扎的办法来减缓薄壁处的加热和冷却速度，这也有利于防止淬火裂纹。 三、结语 按照上述理论和工艺方法，我们应该在生产实践中灵活运用，使淬火裂纹得到最有效的预防和控制。但是，随着科学的发展，许多新材料、新的热处理工艺、新的淬火方法和介质会得到不断的推广应用，因此，需要我们热处理工作者继续努力学习，进一步探讨淬火裂纹更好的预防方法。