熱處理淬火工藝過程中產(chǎn)生的缺陷

熱處理淬火工藝過程中產(chǎn)生的缺陷

1:淬火畸變與淬火裂紋:

熱處理過程中淬火畸變是不可避免的現(xiàn)象,只有超過規(guī)定公差或產(chǎn)生無法矯正時才構(gòu)成廢品,通過適當選擇材料,改進結(jié)夠設計,合理選擇淬火,回火方法及規(guī)范等可有效的減小與控制淬火畸變,可采用冷熱效直,熱點校直和加熱回火等加以休正。

裂紋是不可補救的淬火缺陷,只有采取積極的預防措施,如減小和控制淬火應力方向分布,同時控制原材料質(zhì)量和正確的結(jié)構(gòu)設計等。2:氧化-脫碳-過熱-過燒

零件加熱過程中,若不進行表面防護,將發(fā)生氧化脫碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,達不到技術(shù)要求,或在零件表面形成網(wǎng)狀裂紋,并嚴重降低零件外觀質(zhì)量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加熱需要在保護氣氛下或鹽浴爐內(nèi)進行,小批量可采用防氧化表面涂層加以防護。

過熱導致淬火后形成粗大的馬氏體組織將導致淬火裂紋形成或嚴重降低淬火件的沖擊韌度,極易發(fā)生沿晶短裂,應當正確選擇淬火加熱溫度,適當縮短保溫時間,并嚴格控制爐溫加以防止,出現(xiàn)的過熱組織如有足夠的加工余地余量可以重新退火,細化晶粒再次淬火返修。

過燒常發(fā)生在淬火高速鋼中,其特點是產(chǎn)生了魚骨狀共晶萊氏體,過燒后使淬火鋼嚴重脆性形成廢品。3:硬度不足

淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加熱不足,表面脫碳,在高碳合金鋼中淬火殘余奧氏體過多,或回火不足造成的,在含CR軸承鋼油淬時還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)表面淬火后硬度低于內(nèi)層現(xiàn)象,這是逆淬現(xiàn)象,主要由于零件在淬火冷卻時如果淬入了蒸汽膜期較長,特征溫度低的油中,由于表面受蒸氣膜的保護,孕化期比中心長,從而比心部更容易出現(xiàn)逆淬現(xiàn)象。4:軟點

淬火零件出現(xiàn)的硬度不均勻叫軟點,與硬度不足的主要區(qū)別是在零件表面上硬度有明顯的忽高忽低現(xiàn)象,這種缺陷是由于原始組織過于粗大不均勻,(如有嚴重的組織偏析,存在大塊狀碳化物或大塊自由鐵素體)淬火介質(zhì)被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能適當?shù)倪\動,致使局部地區(qū)形成蒸氣膜阻礙了冷卻等因素,通過晶相分析并研解工藝執(zhí)行情況,可以進一步判明究竟是什么原因造成廢品。5:其他組織缺陷

對淬火工藝要求嚴格的零件,恒遠機電有限公司的工作人員不僅要求淬火后滿足硬度要求,還往往要求淬火組織符合規(guī)定等級,如淬火馬氏體組織,.殘余奧氏體數(shù)量,未溶鐵素數(shù)量,碳化物的分布及形態(tài),等所作的規(guī)定,當超過了這些規(guī)定時,盡管硬度檢查通過,組織檢查仍步合格,常見的組織缺陷如粗大淬火馬氏體(過熱)滲碳鋼及工具鋼淬火后的網(wǎng)狀碳化物,及大塊碳化物,調(diào)質(zhì)鋼中的大塊自由鐵素體,(有組織遺傳性的粗大馬氏體)及工具鋼淬火后殘余奧氏體過多等。

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淺析熱處理缺陷裂紋產(chǎn)生原因

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摘要：主要分析各種熱處理方法及其他因素使金屬零件產(chǎn)生裂紋的原因關(guān)鍵詞：熱處理缺陷裂紋因素

Abstract:Mainlyanalyzeseachheattreatmentmethodandotherfactorscausesthemetalpartstoproducecrackreasonthekeyword:Heattreatmentflawcrackfactor前言

熱處理是通過加熱和冷卻，使零件獲得適應工作條件需要的使用性能，達到充分發(fā)揮材料潛力，提高產(chǎn)品使用壽命和提高效能的重要的工藝方法。如果出現(xiàn)熱處理缺陷，熱處理就無法達到預期的目的，零件將成為不合格品或廢品，從而造成經(jīng)濟損失。熱處理缺陷一般按缺陷性質(zhì)分類，主要包括裂紋、變形、殘余應力、組織不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷等七類。其中最危險的熱處理缺陷是裂紋，一般將之稱為第一類熱處理缺陷，它屬于不可挽救的缺陷；最常見的熱處理缺陷是變形，一般稱之為第二類熱處理缺陷；其余缺陷如殘余應力，組織不合格等屬于第三類，一般統(tǒng)稱為第三類熱處理缺陷。下面著重討論有關(guān)熱處理第一類熱處理缺陷——裂紋。一、金屬零件的淬火裂紋

影響鋼件淬火裂紋形成的因素眾多，主要包括冶金因素、結(jié)構(gòu)因素、工藝因素等。掌握各種因素作用，各因素對淬火裂紋影響的規(guī)律，對防止淬火裂紋的發(fā)生，提高成品率有重要的意義。（1）鋼件的冶金質(zhì)量與化學成分的影響

鋼件可用鍛件、鑄件、冷拉鋼材、熱軋鋼材等加工而成，各種毛坯或材料生產(chǎn)過程中均可能產(chǎn)生冶金缺陷，或者將原料的冶金缺陷遺留給下道工序，最后這些缺陷在淬火時可擴展成淬火裂紋，或?qū)е铝鸭y的發(fā)生。如鑄鋼件在熱加工工藝過程中因加工工藝不當，在內(nèi)部或表面可能形成氣孔、疏松、砂眼、偏析、裂痕等缺陷；在鍛件毛坯中，有可能形成縮孔、偏析、白點、夾雜物、裂紋等。這些缺陷對鋼的淬火裂紋有很大的影響。一般說來，原始缺陷越嚴重，其淬火裂紋的傾向性越大。

鋼的含碳量和合金元素對鋼的淬裂傾向有重要影響。一般說來，隨著馬氏體中含碳量的增加，增大了馬氏體的脆性，降低了鋼的脆斷強度，增大了淬火裂紋傾向。在含碳量增加時，熱應力影響減弱，組織應力影響增強。水中淬火時，工件的表面壓應力變小，而中間的拉應力極大值向表面靠近。油中淬火時，表面拉應力變大。所有這些都增加了淬火開裂傾向。而合金元素對淬裂的影響是復雜的，合金元素增多時，鋼的導熱性降低，增大了相變的不同時性；同時合金含量增大，又強化了奧氏體，難以通過塑性變形來松弛應力，因而增大熱處理內(nèi)應力，有增加淬裂的傾向。然而合金元素含量增加，提高了鋼的淬透性，可用較緩和的淬火介質(zhì)淬火，可以減少淬裂傾向。此外有些合金元素如釩、鈮、鈦等有細化奧氏體晶粒的作用，減少鋼的過熱傾向，因而減少了淬裂傾向。（2）原始組織的影響

淬火前鋼件的原始組織狀態(tài)和原始組織對淬裂的影響很大。片狀珠光體，在加熱溫度偏高時易引起奧氏體晶粒長大，容易過熱，所以對原始組織為片狀珠光體的鋼件，必須嚴格控制淬火加熱溫度和保溫時間。否則，將因鋼件過熱導致淬火開裂。具有球狀珠光體原始組織的鋼件，在淬火加熱時，因為球狀碳化物比較穩(wěn)定，在向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程中，碳化物的溶解，往往殘留少量的碳化物，這些殘留碳化物阻礙了奧氏體晶粒長大，與片狀珠光體相比，淬火可以獲得較細的馬氏體，因此原始組織為均勻球狀珠光體的鋼對減少裂紋來說，是淬火前較理想的組織狀態(tài)。

在生產(chǎn)中，常常產(chǎn)生重復淬火開裂現(xiàn)象，這是由于二次淬火前未進行中間正火或中間退火所致，未經(jīng)退火而直接二次淬火，組織中沒有阻礙奧氏體晶粒長大的碳化物存在，奧氏體晶粒極易顯著長大，引起過熱。因此在二次淬火中進行一次中間退火，同時也可通過退火來達到完全消除內(nèi)應力的目的。（3）零件尺寸和結(jié)構(gòu)的影響

零件的截面尺寸過小和過大都不易淬裂。截面尺寸小的工件淬火時，心部很易淬硬，而且心部和表面的馬氏體形成在時間上幾乎是同時進行的,組織應力小，不容易淬裂。截面尺寸過大的零件，特別是用淬透性較低的鋼制造時，淬火時不僅心部不能硬化，甚至連表層也得不到馬氏體，其內(nèi)應力主要是熱應力，不易出現(xiàn)淬火裂紋。因此，對于每一種鋼制的零件，在一定的淬火介質(zhì)下，存在著一個臨界淬裂直徑，也就是說在臨界直徑的零件具有較大的淬裂傾向性。出現(xiàn)淬裂的危險尺寸可能因鋼的化學成分而波動、加熱溫度和方法不同而發(fā)生變化，不可千篇一律。零件的尖角、棱角、等幾何形狀因素，使工件局部冷卻速度的急劇變化，增大了淬火的殘余應力，從而增大了淬火的開裂傾向。零件截面不均勻性的增加，淬裂傾向也加大，零件薄的部位在淬火時先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后，當厚的部位發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，體積膨脹，使薄的部位承受拉應力，同時在薄厚交界處產(chǎn)生應力集中，因而常出現(xiàn)淬火裂紋。（4）工藝因素的影響

工藝因素（主要是淬火加熱溫度，保溫時間，冷卻方式等因素

）對淬火裂紋傾向影響較大。熱處理包括加熱、保溫、冷卻等過程。熱處理不僅在冷卻（淬火）時可以產(chǎn)生裂紋，加熱時如果加熱不當也可能形成裂紋。1）加熱不當引起的裂紋A、升溫速度過快引起的裂紋

一些材料在鑄造時由于結(jié)晶過程的不同時性必然形成成分不均勻，組織不均勻，鑄態(tài)材料的非金屬夾雜物。如鑄態(tài)高錳鋼中硬而脆的碳化物相、高合金鑄鋼中成分偏析和疏松等缺陷的存在等因素，在大型工件快速加熱時，可能形成較大的應力，從而出現(xiàn)開裂。B、表面增碳或脫碳引起的裂紋

合金鋼零件在以碳氫化合物為氣源的保護氣氛爐（或可控氣氛爐）中進行加熱時，由于操作不當或失控，爐內(nèi)碳勢增高，可使得加熱的工件表面碳含量超過工件的原始碳含量。在隨后的熱處理時，操作者仍按原鋼件的工藝規(guī)程進行淬火，從而產(chǎn)生淬火裂紋。

在對高錳鋼的鑄件進行熱處理時，表層如發(fā)生脫碳、脫錳，工件表面將出現(xiàn)裂紋；低合金工具鋼、高速鋼在熱處理加熱時，如表面產(chǎn)生脫碳，也有可能產(chǎn)生裂紋。C、過熱或過燒引起的裂紋

高速鋼、不銹鋼工件，因淬火加熱溫度較高，一旦加熱溫度失控，很容易造成過熱或過燒，從而引起熱處理裂紋。

D、在含氫氣氛中加熱引起的氫致裂紋

氫有很大的易動性，易被鋼中的所謂“陷阱”捕捉。鋼中夾雜物、疏松等內(nèi)部缺陷可能成為“陷阱”。夾雜物等缺陷受載時的應力集中與氫含量高這兩個條件的疊加易使氫致裂紋優(yōu)先產(chǎn)生。產(chǎn)生氫脆一般必須具有三個基本條件：1）有足夠的氫。2）有對氫

敏感的金相組織。3）有足夠的三向應力存在。如氣體滲碳，碳氮共滲的工件產(chǎn)生裝配斷裂、放置開裂和使用過程斷裂等現(xiàn)象。

總之，淬火加熱溫度升高，熱處理應力增大，淬火馬氏體組織粗化、脆化，斷裂強度降低，淬裂傾向增大。一般而言，晶粒越細小，斷裂抗力越高，淬裂傾向越小，相反晶粒粗化，斷裂抗力下降，斷裂傾向增大。晶粒大小同淬火加熱溫度和淬火保溫時間有直接關(guān)系。加熱溫度升高或保溫時間增長，均能使晶粒粗化，因而增加淬裂傾向。從防止淬裂的觀點看，應盡量選用較低的淬火加熱溫度。2）冷卻引起的裂紋

冷卻方式不同，內(nèi)應力的大小、類型和分布就不同，淬火鋼的組織形態(tài)也不同，斷裂抗力也不同，因此淬裂傾向不同。鋼件加熱至奧氏體狀態(tài)，在淬火冷卻過程中，一方面希望快速冷卻，使奧氏體不會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變或貝氏體轉(zhuǎn)變，也就是快速冷卻，以躲過“C”曲線上的“鼻子”；另一方面希望奧氏體進入馬氏體區(qū)后慢速冷卻，產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)淬火。

鋼件在冷卻到馬氏體開始相變溫度的過程中，由于組織未變，僅僅產(chǎn)生熱應力，所以鋼件一般不會產(chǎn)生裂紋。當鋼件冷卻到MS點以下，鋼發(fā)生馬氏體相變時，體積膨脹，產(chǎn)生第二類畸變、第二類應力及宏觀的組織應力和熱應力，因而易于產(chǎn)生淬火裂紋。因此，在MS

點以下緩冷可以獲得碳濃度較低的馬氏體，從而減少馬氏體的正方度和組織應力，提高斷裂抗力。另一方面，在馬氏體區(qū)間內(nèi)緩慢冷卻，還能提高冷卻后的鋼的破斷抗力，從而降低鋼件的淬裂。二、其它熱處理裂紋（1）回火裂紋

回火裂紋是在回火過程中工藝控制不當而產(chǎn)生的裂紋。在用淬透性好的鋼，制造較大的工模具時，可能產(chǎn)生回火裂紋。（2）冷處理裂紋

有些量具、精密機械零件，為了保證高的尺寸穩(wěn)定性，需盡量減少殘余奧氏體，通常采用零下800C的冷處理。工模具經(jīng)過超低溫處理可顯著提高壽命。但是，如果冷處理不當將引起工件開裂。其主要原因是：1）工件淬火后，本身溫度較高，這時如冷卻速度加快，部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體進一步轉(zhuǎn)變成馬氏體，拉應力增大，在低溫下材料的脆斷抗力降低，當應力超過材料脆斷抗力，則導致裂紋。2）由于工件尺寸過大，結(jié)構(gòu)復雜，冷處理溫度過低，冷處理所用介質(zhì)冷卻較快等，或增大原來的內(nèi)應力，這些都可能形成冷處理裂紋。（3）時效裂紋

有些合金在固溶處理時，碳化物全部溶入基體中，從而使合金脆化，這種材料的焊接件，在標準熱處理時會產(chǎn)生應變時效裂紋。（4）磨削裂紋

淬硬的工具鋼零件，或經(jīng)滲碳、滲氮共滲并進行淬火的零件，在隨后的磨削加工時有時會出現(xiàn)大量的磨削裂紋。

（5）電鍍裂紋

淬火零件在電鍍時，或在電鍍前的酸洗時，會產(chǎn)生具有內(nèi)應力的表面層。同時由于工件和溶液作用產(chǎn)生的氫會滲入鋼中，溫度越高，吸附的氫量也越大。溶液的離解度越強烈，則工件吸附和滲入的氫含量也越多。如果淬火零件在酸、堿等化學活性介質(zhì)中停留時間較長，零件中的內(nèi)應力則可引起應力腐蝕。總之，熱處理缺陷裂紋產(chǎn)生的原因是多方面的，概述起來可分為熱處理前、熱處理中、熱處理后三方面的原因。熱處理前可能因設計不良、原材料或毛坯缺陷等原因，如選材不當、熱處理技術(shù)要求不當，斷面急劇變化、銳角過渡、打標記處應力集中等不合理設計，熱處理時產(chǎn)生裂紋，導致熱處理缺陷。原材料的各種缺陷及熱處理前各種加工工序缺陷，在熱處理時也可導致熱處理缺陷。熱處理后，因后續(xù)加工工序不當或使用不當，還可能產(chǎn)生與熱處理有聯(lián)系的缺陷。

熱處理缺陷種類較多，產(chǎn)生的原因多種多樣，熱處理中產(chǎn)生的缺陷的原因可能有工藝不當、操作不當、設備和環(huán)境條件不合適等。因此，為防止熱處理缺陷發(fā)生，要從與熱處理有關(guān)的多方面著手解決，對熱處理前、熱處理中、熱處理后各個相關(guān)環(huán)節(jié)進行控制，這就是要對熱處理全過程進行全面質(zhì)量控制。此外，還要加強對熱處理缺陷研究，深入研究各種熱處理缺陷產(chǎn)生的機理、新型熱處理工藝缺陷，探討減少和避免熱處理缺陷新措施及補救方法。

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