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(dāng)選擇材料,改進結(jié)夠設(shè)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(yù)防措施,如減小和控制淬火應(yīng)力方向分布,同時控制原材料質(zhì)量和正確的結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)致淬火后形成粗大的馬氏體組織將導(dǎo)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(yīng)當(dāng)正確選擇淬火加熱溫度,適當(dāng)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(dāng)?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(dāng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(dāng)，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(yīng)力影響減弱，組織應(yīng)力影響增強。水中淬火時，工件的表面壓應(yīng)力變小，而中間的拉應(yīng)力極大值向表面靠近。油中淬火時，表面拉應(yīng)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(fù)雜的，合金元素增多時，鋼的導(dǎo)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(yīng)力，因而增大熱處理內(nèi)應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力主要是熱應(yīng)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(xué)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(yīng)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(dāng)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(yīng)力，同時在薄厚交界處產(chǎn)生應(yīng)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(dāng)也可能形成裂紋。1）加熱不當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，所以鋼件一般不會產(chǎn)生裂紋。當(dāng)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(yīng)力及宏觀的組織應(yīng)力和熱應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)力增大，在低溫下材料的脆斷抗力降低，當(dāng)應(yīng)力超過材料脆斷抗力，則導(dǎo)致裂紋。2）由于工件尺寸過大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)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(biāo)準熱處理時會產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)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(xué)活性介質(zhì)中停留時間較長，零件中的內(nèi)應(yīng)力則可引起應(yīng)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(shè)計不良、原材料或毛坯缺陷等原因，如選材不當(dāng)、熱處理技術(shù)要求不當(dāng)，斷面急劇變化、銳角過渡、打標(biāo)記處應(yīng)力集中等不合理設(shè)計，熱處理時產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)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(dǎo)致熱處理缺陷。熱處理后，因后續(xù)加工工序不當(dāng)或使用不當(dāng)，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(dāng)、操作不當(dāng)、設(shè)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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