热处理淬火裂纹产生的原因及防止措施分析

热处理淬火裂纹产生的原因
及防止措施分析
摘要：在热处理生产实践时，常常会遇到一些零件和工具，特别是形状复杂时，淬火过程因处理不当以及一些其他因素，造成工件内部存在有强大的淬火应力，以致引起淬火裂纹。

淬火裂纹直接导致零件的报废，产生的原因和条件及防止方法具有很摘要的现实意义。

关键词：淬火裂纹的实质产生原因和条件防止方法
一、淬火裂纹的实质
钢件在进行淬火是，在冷却的过程中同时产生了热应力和组织应力。

由于温度的降低使零件内部产生了热应力，由于奥氏体向马氏体的转变使内部产生了组织应力，组织应力是钢件表面淬火时拉应力，钢件表面在拉应力的作用下，有开裂的危险。

根据淬火裂纹断口形式和外观状态分析，淬火裂纹是在内应力作用下的脆性断裂。

二、淬火裂纹产生的原因和条件
1、钢的化学成分对淬火裂纹敏感性的影响
在一定的淬火介质中冷却时，钢的化学成分对热处理裂纹形成的影响，是由于它使钢件的内应力分布于应力集中的敏感性和钢的机械性能发生了改变的缘故。

合金元素对内应力的影响，则主要是由于合金元素对钢的组织结构影响的结果。

在钢中含有的所有元素中，碳对钢机械性能的影响最大，随着含碳量的增加，钢件淬火后组织应力也有所增大，由于组织应力作
用的结果，使钢的表面具有危险的拉应力。

因此，淬裂倾向将随着含碳量的增多而增大。

钢中其他常存因素，如硫、磷等夹杂物较多，呈条状、网状分布时，往往在正常淬火条件下形成裂纹。

合金元素能够在不同程度上使奥氏体的等温曲线的位置右移，即增大其淬透性，这样可以用缓慢的冷却介质进行淬火。

从而残余应力较小，是钢的马氏体转变温度降低，则残余奥氏体数量增多，组织应力减小，有利于降低钢件的淬裂倾向。

2、原材料缺陷对淬火时形成裂纹的影响
钢件内部的发纹、皮下气泡、较严重的碳化物偏析以及非金属夹杂等在淬火过程中，有可能在这些缺陷处产生裂纹。

各种锻件加工时，不论是温度过高或过低都容易在锻轧过程出现细小裂纹。

由于毛坯在锻轧后，表面上存在一些氧化皮，因此这些细小裂纹便不容易被发现。

但钢件机械加工后一些淬火处理，将会使原来存留的的裂纹扩展开来，从而使其暴露于钢件的表面。

3、钢件的结构特点对形成裂纹的影响
钢件的淬火裂纹的形成倾向与钢件的尺寸和形状等设计结构特点有关。

生产实践表明，具有截面急剧变化的工件或者有尖锐槽口的工件，在淬火冷却时这些部位会淬火时大的应力集中，都易于产生淬火裂纹。

4、淬火前的原始组织和应力状态对形成裂纹的影响
根据加热时的相变理论可以知道，钢的原始组织对加热时奥氏
体晶粒度及其长大有影响。

将钢加热到Ac1温度以上时，钢中的珠光体组织将转变为奥氏体。

高温奥氏体的晶粒大小及其长大倾向与及其长大倾向与钢的原始组织-----珠光体的形状和粗细有关。

淬火加热时，细片状珠光体的允许淬火温度范围较宽，并且淬火后可以获得较细的马氏体。

但是，与球状珠光体相比，片状珠光体却易于在加热温度偏高时引起奥氏体晶粒粗化，亦即倾向于过热。

所以对片状珠光体而言必须严格控制淬火加热温度和保温时间。

否则将因钢件过热导致淬火开裂。

球状珠光体相比在正常的淬火温度下可以保持较细小的奥氏体晶粒。

淬火后保障获得细密的马氏体组织，减小其内应力。

因此，原始组织为均匀的球状珠光体的钢对减少裂纹来说，是淬火前较理想的组织状态。

淬火前的原始组织与淬火裂纹密切相关的另一个问题，是钢件重复淬火时要充分的退火处理，即必须避免把淬火状态的组织直接再进行第二次处理，不经退火而重复淬火时，易形成裂纹。

钢件在切削加工过程时，也会产生很大的内应力，切削加工时选用的切削用量越大，产生的内应力也愈大。

这种机械加工造成的残余内应力，如果不经过去除，在淬火加热过程中，特别是高合金钢的复杂制件，有可能与由于加热速度过快产生的内应力发生叠加而导致开裂。

欲消除这种应力状态，则需要进行高温（450℃以上）的回火或去除应力的退火处理，才有利于减少钢件淬火时的变形或开裂。

5、加热因素对形成裂纹的影响
淬火加热温度越高，钢的晶粒越趋长大。

对同一牌号的钢，淬火加热温度越高，由于较大的奥氏体晶粒能使其淬透性增加，则淬火冷却时产生的应力亦越大。

另外，钢晶粒的大小，对钢破断抗力的大小的影响也很显著，随着晶粒尺寸的增大，破断抗力值则下降。

正因为淬火温度越高，奥氏体晶粒越粗大，破断抗力值越低，而且冷却时淬火时的应力越大。

所以，过热必将易于引起淬火裂纹。

若淬火温度过低，淬火后组织中有薄的网状铁素体时，尽管铁素体组织有较高的塑性，但因强度较低往往沿着铁素体网形成脆性断裂。

6、冷却因素对形成裂纹的影响
在由加热温度冷却到开始相变温度的过程中，钢的组织仍保持奥氏体状态（即过冷奥氏体），具有较低的屈服极限和很高的塑性，在应力状态上，由于没有发生相的转变，只产生热应力，所以在该冷却阶段钢件不会产生裂纹。

但钢件冷却到Ms点以下的温度，即钢发生相变时，除因冷却不一致所形成的热应力外，还有因相变进行的不等时性而产生的组织应力。

相变的结果，奥氏体转变成具有高硬度和低塑性的马氏体。

因此，在该温度区间的冷过程，最易于引起淬火裂纹。

因此，淬火时使钢在马氏体转变区间内缓慢冷却，成为防止形成裂纹的重要措施。

三、防止淬火裂纹的措施
1、改善钢件结构，合理选择钢材和确定技术条件
（1）工件各部分的截面要均匀，减少截面尺寸的急剧变化。

（2）热处理钢件在形状设计上要避免有尖锐的棱角。

（3）设计者在选择钢件所用材料时，除了应当无条件的满足钢件承载运转时所必须的强度、硬度、韧性等机械性能外，还应当严格顾及到材料在制造中的工艺性，特别是热处理的工艺问题。

（4）合理确定技术条件是减轻淬火裂纹的另一个重要途径。

a、局部硬化或表面硬化时即可满足使用性能要求者，尽量不要求整体淬火。

b、对于整体淬火钢件，局部可以放宽要求者，尽量不强求硬度一致。

c、对于贵重制件或结构及复杂的制件，当热处理难于达到技术要求时，应临时更改技术文件，适当放宽对使用寿命影响不大的要求，以免多次返修造成废品。

d、对于工作时受力复杂、承载较重的零件或工具，应当根据具体要求提出明确的技术条件。

2、妥善安排冷热加工工序和正确应用预先热处理
冷加工工序安排的合理，可以简化热处理工艺过程的复杂程度，从而降低而处理废品和提高生产率。

3、正确选择加热介质、加热温度和保温时间
（1）加热介质，淬火加热过程中应当既保证获得均匀的和晶粒度大小的奥氏体，同时其中的碳又不被烧损。

这是加热时的主要问题。

如碳量被烧损，不仅影响硬度而且易于形成淬火裂纹。

为了使钢件加热时不脱碳，可综合考虑其他因素，合理选择保护气氛、盐浴、真空加热等介质。

（2）加热温度，实际加热温度要根据加热时间和实践来确定，淬火温度过高，由于过热，淬火后亦形成裂纹；当加热不足和保温
时间不够时，钢件内部未能得到均匀的奥氏体，而有一部分铁素体存在，从而淬火后得到的组织是马氏体和少量的铁素体。

经低温回火后在使用过程中易于早期形成裂纹。

（3）保温时间，在允许的加热温度范围内，稍长的保温时间，可能对一般钢材不至于过热，但是对于锰钢，稍许延长保温时间也会产生过热，特别是在允许的加热温度的上限时，趋向更大。

因此严格控制保温时间对防止钢件过热，与严格的对待淬火温度没有同等重要意义。

4、合理选用冷却介质和冷却方法
钢件淬火冷却必须大于它的临街冷却速度才能获得完全硬化。

然而，快速冷却有事导致强大的内应力，以致形成淬火裂纹的主要因素之一。

因此，必须从既能达到硬化目的，又能免除淬火缺陷，两方面进行考虑，来正确选择冷却介质和冷却方法。

实践证明Ms 点以上的快速冷却，Ms点以下的缓冷，不仅能够使钢件硬化，并能增加热应力和减小组织应力，使形成裂纹的可能性减小。

（1）采用单液淬火时，应当在满足硬化条件下尽量采用冷却较缓慢的介质。

（2）采用双液淬火（常用水—油双液淬火），通过准确控制在水中的停留时间，达到硬化和防止裂纹产生的目的。

（3）对于截面尺寸较小的零件，采用分级淬火法是防止裂纹的行之有效的重要方法。

（4）采用等温淬火法，可使钢件强度、塑性、韧性得到合理的
配合，减少变形和裂纹的产生。

5、防止淬火裂纹的其他方法
众所周知，有许多工件的开裂不是在淬火冷却之后立即出现的，而是当工件从淬火介质中取出经过一定时间以后显现出来的，这就是所谓的时效裂纹。

毫无例外，这种时效裂纹也是由于较大的淬火应力所引起的。

若工件淬火后能够立即回火降低淬火应力，便可以有效地防止裂纹。

因此，缩短淬火与回火制件的时间间隔，已成为防止裂纹所应遵循的重要措施。

综上所述，影响淬火裂纹的因素很多。

即从结构设计到工艺分析；从备料到加工；从预先热处理到最后热处理均有导致钢件形成淬火裂纹的潜在因素。

在防止淬火裂纹方面有多种多样的方法，但值得说明的是，在生产上只求某一种措施可以万能解决开裂问题往往难于办到。

因此，为消除淬火裂纹，需要从各方面着手去解决。

那海娟。