钢铁热处理缺陷的分析

钢铁热处理缺陷的分析

摘要:本文对钢铁进行热处理时常见缺陷进行了分析,也列举了若干个实例,以及避免缺陷出现的措施.

关键词:过热淬火开裂

热处理是很多机械零件在加工过程中要经历的一道工序.热处理一般分为三个阶段,即加热保温,冷却.在为了进行热处理而进行加热的初期,一般会出现如下一些问题:

1.当零件加热过快时,尤其是大型零件,其表面温度快速升高,发生热膨胀,而内层温度升高缓慢,热膨胀与表层不同步,产生热应力;

2.零件加热温度过高或者保温时间过长时,零件会发生显著的氧化,脱碳,甚至过烧

3.用导热性差的纲制造的零件,当没有加热透就进行塑性加工,则零件的中心部位会产生裂纹;

4.如果零件仅从一边或局部强烈地加热,会出现加热不均匀的现象;

下面逐一进行分析:

一.加热初期产生缺陷

如果开始加热时,加热速度过快或者非整体加热,产生的缺陷会导致零件的损坏.例如,某传动装置中的小齿轮轴,材料是铬钼纲50crmo,在不大的弯曲应力作用下,仅仅使用了三个月,就破坏了.为了修理,在轴的中心加工了一个孔,发现在该轴内部还有第二个裂纹.破坏是从这第二个内部裂纹扩展到大部分断面的.以这个内部裂纹为起源.在使用载荷作用下,产生了两个疲劳裂纹.对该轴作纵断面的抛光检查,发现破坏的起始点是具有带状偏析的地方.这种带状偏析在大型

锻件中经常出现,原因就是加热速度过快,原子没有来得及扩散均匀.在超载的情

况下,偏析组织强度低,承受不住载荷的作用,产生了裂纹而使得齿轮轴破坏.

某钢制厚壁容器,调质后在u型内侧的圆角处作为起点,产生了纵向

裂纹.在容器的横断面的抛光面上进行鲍曼试验,证实容器的纯度很高.在裂纹及

其附近可以明显地看到氧化皮,以及脱碳的现象.根据这个现象倒推,氧化皮和脱

碳是在热处理(调质)时出现的.容器是在冷的状态下装进淬火炉的.加热过快,膨

胀不一致导致产生了裂纹.对容器打孔是为了阻止薄弱区域的延伸,但是反而加剧了应力的集中.应该在热处理以后再打孔才是适宜的.

用31CrMoV钢制的渗氮活塞杆,热处理后矫直时产生了破裂.根据裂

纹的颜色,剖开后观察,活塞杆先是产生了纵向的弯曲裂纹,矫直时该弯曲裂纹进

一步扩展,才最终造成了活塞杆的破坏.通过表面腐蚀可以看到,活塞杆的破坏处,有加热留下的小点状,这些小点状是调质组织发生了变化,析出了铁素体.由此可知,活塞杆矫直时的加热,温度超过了750度,氮化物聚集成球状,导致表面硬度有比较大的降低.总之,为了矫直活塞杆而对活塞杆进行快速加热的方法是不合适的.渗氮层回火到500度以下是稳定的.所以,矫直时,在低温下进行均匀的加热,是允许的.另外,一般对渗氮的零件,不需要矫正.原因是渗蛋温度比较低,渗氮后冷却

也慢,所以残余应力小,能够防止零件产生变形.当然,在实际操作中,有些细节要

加以注意,就是当零件装入渗氮炉时,要注意别使应力增加,要防止零件因自重而

造成弯曲,最好在炉中吊装零件.

尤其是高速钢,因为其导热型差,传热慢,在锻造和淬火时,必须进行整体缓慢而充分地加热.

二.加热后出现氧化皮

加热时零件表面通常都会产生氧化皮,如果只是在一定范围内,而且

只是在加热时产生,一般不认为是损害事故,虽然零件表层因为氧化而失去了大量的金属.氧化皮的厚度随着时间以抛物线的规律增加.炉中的多种气体,不论是过

剩的氧,还是二氧化碳,还是水蒸气,都可以发生氧化反应形成氧化皮,尤其是硫化氢会促进氧化皮的产生.

氧化皮出现以后,可以通过酸洗去掉,也可以通过机械加工去除.但是也有特殊情况.就是,含铜的钢,用酸洗的方法很难除去氧化皮,而且还会使零件表面产生缺陷.

城市煤气不含水蒸汽,氧很少,如果燃烧时温度高,工件表层容易形成鳞片层.原因是氧侵入奥氏体晶界,并与金属原子结合所致.宏观上,鳞片层呈桔皮状或者鳄鱼皮状,工件进行热锻或者冷塑性加工,表明附近很容易形成初期裂纹.如果钢中成分含有铜,会更严重.解决办法是,避免长时间加热及过热,把气体中氧的浓度控制在百分之一到百分之二,以及钢中含铜尽量低.

如果加热温度过高或者时间过长,则会形成粗大的晶粒,并在晶界上析出微小氧化物,锻造时会造成开裂.这种现象称为过烧.过烧与过热不同,过烧不能通过热处理进行改善,只有通过热锻才可以消除.

某钢丝直径5.8毫米,铅浴淬火后的组织发生了晶界氧化,拉拔时开裂.此钢含有0.16%的铜.最外面包围着条状奥氏体晶界,显微镜下呈褐色,是非金属夹杂物.开裂的原因正如上面的分析.

某耐热钢15Mo3制成壁厚9毫米的无缝热拉锅炉水管,管子内填充沙子,进行热弯曲变形,拉拔生成的纤维组织处,产生了很多裂纹.分析其化学成分,碳0.13%,硅0.17%,锰0.53%,磷0.032%,硫0.022%,钼0.26%,以及无意添加的铜0.26%.管子的弯曲部分是含微量铁素体的粗大晶粒组织,管子的直线部分是铁素体加细晶粒的朱光体,所以导致弯曲时强烈过热了,并在表明附着了较多的鳞片组织,鳞片层下的铁中,有金属铜的析出,在母相附近的亚表面,有氧化物析出,也有细小的铜的析出,析出的氧化物沿着奥氏体晶界,深度达到3毫米.这种表层深处发生过烧并伴随铜的析出的缺陷被称为红热脆.

三.加热后开裂

某沸腾钢抗拉强度大于370兆帕,其使用无温控的锻造设备,钢棒发生过烧,把钢棒锻出刀刃时产生开裂.沿刀刃垂直剖开,晶粒很粗大,开裂发生在夹杂物覆盖的奥氏体晶界处.由此可以看出,刀刃在锻后淬火了,由于钢棒晶粒较粗,尽管含碳量不高,只有0.17%,锻后冷却时组织还是全部变成了马氏体.

小结:钢铁产品进行热处理是非常普遍的,也非常重要,所以,在操作过程中,要特别注意预防各种缺陷,以免出现不必要的损失和浪费.