热处理论文 6、钢结构用高强度垫圈(GB1230)淬火裂纹的处理

钢结构用高强度垫圈（GB1230）淬火裂纹的处理
摘要钢结构用高强度垫圈（GB1230）为GB1231钢结构摩擦型高强度螺栓连接副的重要部件之一，其由板材冲制后经热处理及表面处理后加工而成。

本文根据钢结构用高强度垫圈（GB1230）制造用原材料45钢淬火过程中的一些特点，选择正确的淬火冷却介质，解决淬火过程中的开裂问题。

关键词垫圈；淬火；冷却介质
1 前言
度螺栓连接副（GB1231）综合机械性能检查，也达到了GB1231标准要求。

但在对成品进行外观检查时发现部分产品表面出现裂纹，经过统计，约占产品总数的10%，其表面裂纹形状见图2。

钢结构用高强度垫圈（GB1230）表面裂纹的出现不仅使得产品废品率上升，生产成本增加，而且也存在较大的事故隐患，因此，引起我们高度重视。

通过对产品生产各工序进行跟踪，发现表面裂纹是在淬火后出现的，同时对裂纹进行金相分析，断定该裂纹为淬火裂纹。

图2
3 裂纹产生的原因分析
淬火就是把钢加热到临界温度（A C3或A C1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，在以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。

马氏体转变具有：
转变仅为晶格的重新改建，转变前后不发生化学成分的变化，属于无扩散型转变；转变需要很的的过冷度，奥氏体必须被迅速过冷却到M S点以下才开始转变为马氏体和转变速度极大等特点。

因此，在马氏体转变过程中将会产生较大的热应力和组织应力，统称为内应力，当内应力超过加工工件材料的屈服极限时就会发生永久变形，如果超过强度极限，加工工件就会开裂。

对于钢结构用高强度垫圈（GB1230）制造用材料45钢，由于其马氏体的比容较低碳钢大，M S点也较高（＞300℃），同时该产品形状也较为简单，体积较小，淬火冷却过程中产生热应力较小，内应力主要表现为组织应力，所以，钢结构用高强度垫圈（GB1230）裂纹的生产主要原因为；在M S点以下冷却过快，形成较大的组织应力，部分钢结构用高强度垫圈（GB1230）的组织应力超过了其材料强度极限，造成开裂。

因此，为了解决钢结构用高强度垫圈（GB1230）淬火裂纹问题，必须降低在M S点以下工件的冷却速度。

4 解决办法
加热至奥氏体的状态的工件必须在冷速大于临界淬火速度的情况下，才能得到马氏体组织，即希望在C曲线鼻子附近冷速越大越好，但在M S点以下，为了减少因马氏体形成而造成的组织应力，又希望冷速尽量小一些，因此理想淬火冷却介质的选用是减少组织应力的关键。

（理想淬火冷却介质淬火冷却曲线见图3。

）
图3
A-理想淬火冷却介质淬火冷却曲线 B-水的淬火冷却曲线 C-机械油的淬火冷却曲线
淬火时，赤热工件进入淬火冷却介质后，其冷却过程可分为三个阶段：
1.第一阶段：蒸汽膜冷却阶段
工件刚进入介质的瞬间，周围的介质立即被加热而汽化，在工件表面形成一层蒸气模，导致工件冷速缓慢。

2.第二阶段：沸腾冷却阶段
随着冷却时间的延长，蒸汽模破裂，工件与介质直接接触，介质在工件表面激烈沸腾，导致工件冷速很大。

3.第三阶段：对流冷却阶段
当工件冷却至低于介质沸点时，主要靠对流传热方式进行冷却，工件的冷速减慢。

我公司在钢结构用高强度垫圈（GB1230）产品试制时，根据有关资料的推荐，采用了成本低廉、使用方便的自来水作为淬火冷却介质，但水在400℃以下进入沸腾冷却阶段，而钢结构用高强度垫圈（GB1230）制造用材料45钢的马氏体转变温度区正好在此附近（见图三），此时的冷速加大使工件内部产生较大的组织应力，造成了钢结构用高强度垫圈（GB1230）淬火时部分产品的开裂。

为了解决时部分产品的开裂问题，我们进行了采用了多种淬火冷却介质进行淬火试验。

1.采用机械油作为淬火冷却介质：
虽然机械油沸点高，在45钢的马氏体转变温度区进入对流阶段，冷却速度小，淬火产生的组织应力小，产品淬火后表面未出现裂纹，但淬火后硬度低，导致热处理硬度不合格。

从图三中可以看出，在冷却过程中，机械油冷却曲线已经碰到了产品C曲线的鼻子，产生了马氏体以外的转变，导致马氏体转变不完全，其热处理硬度下降。

2.采用特种淬火剂作为淬火冷却介质：
采用特种淬火剂如好富顿等作为淬火冷却介质取得了良好的效果，但特种淬火剂价格昂贵，同时对介质浓度控制较严，不仅操作复杂，而且产品生产成本增加。

3.采用盐水作为淬火冷却介质：
采用食盐水溶液做为淬火冷却介质，由于产品蒸汽膜因食盐的加入提早破裂，因此在工件处于较高温度时，冷速提高较大，而在马氏体转变区，其冷速较小，比较符合图三中的理想淬火冷却介质淬火冷却曲线，使得组织应力减小，其热处理后产品硬度均符合标准要求，产品表面也未出现裂纹。

采用食盐水做为淬火冷却介质，虽然产品生产成本增加不大，操作使用简便，热处理产品也满足标准要求，但其腐蚀性较大，不仅对设备而且对产品也造成较大产生腐蚀，使得产品后续表面处理困难。

为此我们又采用了冷却性能与食盐水溶液相近、但对金属腐蚀性相对较小亚硝酸钠水溶液，解决了金属腐蚀问题。

5 结束语
通过上述多次淬火试验分析，我们最终采用了亚硝酸钠水溶液作为钢结构用高强度垫圈（GB1230）的淬火冷却介质。

该淬火冷却介质使用，产品热处理质量完全满足相关标准要求，同时生产成本较低，对设备及产品的腐蚀性也较小，尤其是解决了自来水作为淬火冷却介质而产生的工件表面裂纹问题，提高了产品合格品率，避免了事故隐患，取得了良好的效果。

几年来，我公司在钢结构用高强度垫圈（GB1230）的生产过程中，产品质量稳定，完全达到相关国家标准的要求，表面裂纹现象再未出现过。