工件淬火裂纹的原因分析与对策

工件淬火裂纹的原因分析与对策

赵新星 (衡阳纺织机械厂421007)

摘要通过分析工件淬火裂纹产生的原因和在具体实践生产中针对各种不同的裂纹的分析，找到了具体的预防对策。

关键词淬火裂纹应力对策

1 前言

工件在热处理过程中最让人头疼的是产生淬火裂纹。淬火裂纹是指在工件淬火过程中所产生的开裂现象。裂纹基本上分为纵向裂纹、弧型裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显微裂纹几种(如图1)。淬火裂纹的发生时间并非发生在淬入冷却剂后的那一刻，而是在冷却到200℃以下时，或在淬火完成从冷却剂中取出之后，或者是在淬火后经过几小时乃至几十小时后发生的。

图1 淬火裂纹类型及形成裂纹的内应力

2 原理分析

造成工件开裂的热处理应力主要包括“热应力”和“组织应力”。“热应力”也就是由热胀冷缩所引起的力。工件在加热和冷却过程中，工件的内外温度不同，即内冷外热或外冷内热。因为工件表面比心部总要加热和冷却得快些，随时间增长，冷却到最后，中心收缩时，又受到压应力作用。因此，热应力作用的结果是使工件表面呈压应力状态。热应力随时间的变化如图2所示。“组织应力”即由于组织转变所产生的体积变化不等时性而引起的应力。

钢中各种组织物的比容是不同的。在化学成分相同时，奥氏体的比容小于珠光体的比容，珠光体的比容小于马氏体的比容，因此，在淬火冷却时，奥氏体向马氏体转变时会引起体积膨胀，此时表面膨胀受到未转变的中心部分的限制，表面和中心均受到压应力。当继续冷却时，中心奥氏体向马氏体转变，伴随体积膨胀，使表面受到拉应力作用。因此，组织应力最后使工件表面层处于拉应力状态。组织应力随时间的变化如图3所示。

图2 热应力随时间的变化

图3 组织应力随时间的变化

热应力主要造成变形，而组织应力最容易造成开裂。当淬火形成的残余热应力大于钢的屈服极限时引起工件变形;当残余组织应力大于钢的屈服极限时会导致工件开裂。根据断裂韧性理论，脆性断裂是由微细的宏观裂纹的扩展引起的。由于材料在冶炼或者轧锻过程中往往不可避免地存在着微小的局部裂纹。只有当残余应力不超过有细微裂纹的钢的实际强度时才能保证淬火不开裂。在淬火过程中热应力和组织应力同时存在，作用相反。不容易淬透的大件，主要是热应力;容易淬透的小件，主要是组织应力。为了避免开裂，必须预防工件的拉应力。

3 实例分析

我们针对多年来的断裂锭杆和一些工夹具零件的断口从外表及金相分析，结合一些文献资料，总结了以下的结论。

3.1将零件剖开，如零件断面处有少量的红色锈迹或发现有新的裂纹，则可判断是在淬火冷却时产生的裂纹，或是由于过冷及冷却不均匀引起的裂纹。

3.2如果断面是被一层黑色氧化层所遮盖或呈粗的纤维状时，是由锻造时所产生的裂纹，或者是钢材本身缺陷所导致的。

3.3如果零件的断面晶粒很粗而且有裂纹，则是零件过热所引起的;如果断口面发白亮光，则是由于钢的加热温度过高引起的裂纹。

3.4外型复杂的零件，如凸出部分或断面较薄部分的裂纹，大多是由于加热不均匀或者是冷却不均匀所致。

3.5零件“尖角”部分或者是打过印痕处的表面发生龟裂，一般是由于刻痕的凹缝“尖角”所引起的。

3.6在加磨面上出现的龟裂，并不是在淬火时所产生的，而是在淬火之后，磨削加工不良所致。

4 造成开裂的主要因素

4.1 工件在淬火冷却过程中，钢的内部未冷透时，其内外温差还很大时就中断了冷却。

4.2工件表面有严重的缺陷，例如冷加工时留下的伤痕。

4.3淬火后，未立即回火，而长时间摆放在一边。

4.4淬火操作或淬火方法不符合工艺规范。

4.5由于第一次淬火不符合要求，重淬前，没有进行退火处理。

5 防止裂纹的措施

5.1当工件淬火冷却时，在冷透前不中断冷却，特别是在马氏体开始转变到转变终了之间，应使其慢慢冷却(图4)。在钢的转变点Ar′以上应以极快的冷却速度冷却;在转变Ar″开始，应缓慢冷却。

图4 防止淬火产生裂纹的淬火方法

5.2避免加热时过热和晶粒粗大。采用热浴淬火和等温淬火法。在Ms点以上的温度放在热浴中淬火，待零件的内外达到同一温度后空冷。

5.3把工件的“尖角”处用耐火粘土、金属丝或石棉线缠绕，零件有孔眼时，应填以耐火粘土或石棉。5.4淬火后应立即回火，去除应力。

5.5当零件需要二次以上淬火时，必须有中间的退火工序。

5.6控制原材料质量，合理选择预热改善原始组织。

5.7改变工件设计，截面过渡，圆角合理化。