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在熱處理工藝中淬火工序造成的廢品率往往較高,這主要是在淬火過(guò)程中,同時(shí)形成較大的熱應力與組織應力,此外,由于材料內在的冶金缺陷、選材不當、錯料、設計上的結構工藝性差、冷、熱加工過(guò)程中形成的缺陷等因素,均容易在淬火、回火工藝中暴露出來(lái),因此對零部件淬火、回火后的缺陷必須進(jìn)行系統的分折與調査。
淬火缺陷與預防
鋼件淬火時(shí)Z常見(jiàn)的缺陷有淬火變形、開(kāi)裂、氧化、脫碳、硬度不足或不均勻、表面腐蝕、過(guò)燒、過(guò)熱及其他按質(zhì)量檢查標準規定金相組織不合格等。
1.淬火變形與淬火裂紋
在實(shí)際生產(chǎn)中,應該根據淬火變形與淬火裂紋的形成原因采取有效的預防措施。
(1)盡量做到均勻加熱及正確加熱
工件形狀復雜或截面尺寸相差懸殊時(shí),常因加熱不均勻而變形。為此,工件在裝爐前,對不需淬硬的孔及截面突變處,應采用石棉繩堵塞或綁扎等辦法,以改善其受熱條件,對一些薄壁圓環(huán)等易變形零件,可設計特定淬火夾具。這些措施既有利于加熱均勻,又有利于冷卻均勻。
工件在爐內加熱時(shí),應均勻放置,防止單面受熱,應放平,避免工件在髙溫塑性狀態(tài)因自重而變形。對細長(cháng)零件及袖類(lèi)零件盡量采用井式爐或鹽爐垂直懸掛加熱。
限制或降低加熱速度,可減少工件截面溫差,使加熱均勻。因此對大型鍛模、髙速鋼及高合金鋼工件,以及形狀復雜、厚薄不勻、要求變形小的零件,一般都采用預熱加熱或限制 加熱速度的措施。
合理選擇淬火加熱溫度,也是減少或防止變形、開(kāi)裂的關(guān)鍵。選擇下限淬火溫度,減少工件與淬火介質(zhì)的溫差,可以降低淬火冷卻高溫階段的冷卻速度,從而可以減少淬火冷卻時(shí)的熱應力。另外,也可防止晶粒粗大。這樣可以防止變形開(kāi)裂。
有時(shí)為了調節淬火前后的體積變形量,也可適當提高淬火加熱溫度。例如CrWMn、Cr12Mo等高碳合金鋼,常利用調整加熱溫度,改變其馬氏體轉變點(diǎn)以改變殘余奧氏體含量,以調節零件的體積變形。
(2)正確選擇冷卻方法和冷卻介質(zhì)的基本原則
?盡可能采用預冷,即在工件淬入淬火介質(zhì)前,盡可能緩慢地冷卻至Ar附近,以減少工件內溫差。
?在保證滿(mǎn)足淬硬層深度及硬度要求的前提下,盡可能采用冷卻緩饅的淬火介質(zhì)。
?盡可能減慢在Ms點(diǎn)以下的冷卻速度。
合理地選擇和采用分級或等溫淬火工藝。
(3)正確選擇淬火工件浸入淬火介質(zhì)的方式和運行方向的基本原則
?淬火時(shí)應盡量保證能得到Z均勻的冷卻。以Z小阻力方向淬入。
大批量生產(chǎn)的薄畫(huà)環(huán)類(lèi)零件、薄板形零件、形狀復雜的凸輪盤(pán)和圓錐齒輪等,在自由冷卻時(shí),很難保證尺寸精度的要求。為此,可以采取壓床淬火,即將零件置于專(zhuān)用的壓床模具中,再加上一定的壓力后進(jìn)行冷卻〈噴油或噴水)由于零件的形狀和尺寸受模具的限制, 因而可能使零件的變形限制在規定的范圍之內。
進(jìn)行及時(shí)、正確的回火在生產(chǎn)中,有相當一部分工件,并非在淬火時(shí)開(kāi)裂,而是 由于淬火后未及時(shí)回火而開(kāi)裂。這是因為在淬火停留過(guò)程中,存在于工件內的微細裂縫在很大的淬火應力作用下,融合、擴展,以至其尺寸達到斷裂臨界裂縫尺寸,從而發(fā)生延時(shí)斷裂。實(shí)踐證明,淬火不冷到底并及時(shí)回火,是防止開(kāi)裂的有效措施。對于形狀復雜的高碳鋼和高碳合金鋼,淬火后及時(shí)回火尤為重要。
工件的扭曲變形可以通過(guò)矯直來(lái)校正,但必須在工件塑性允許的范圍之內。有時(shí)也可利用回火加熱時(shí)用特定的校正夾具進(jìn)行校正。對體積變形有時(shí)也可通過(guò)補充的研磨加工來(lái)修正,但這僅限于孔、槽尺寸縮小,外圃增大等情況。淬火體積變形往往是不可避免的。但只要通過(guò)實(shí)驗,掌握其變形規律,則可根據其脹縮量,在淬火前成形加工時(shí),適當加以修正,就可在淬火后得到合乎要求的幾何尺寸。工件一旦出現淬火裂紋,則報廢。
2、過(guò)熱與過(guò)燒,氧化脫碳等
過(guò)熱:熱處理過(guò)程中加熱過(guò)熱Z易導致奧氏體晶粒的粗大,使零件的機械性能下降。
1.一般過(guò)熱:加熱溫度過(guò)高或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(cháng),引起奧氏體晶粒粗化稱(chēng)為過(guò)熱。粗大的奧氏體晶粒會(huì )導致鋼的強韌性降低,脆性轉變溫度升高,增加淬火時(shí)的變形開(kāi)裂傾向。而導致過(guò)熱的原因是爐溫儀表失控或混料(常為不懂工藝發(fā)生的)。過(guò)熱組織可經(jīng)退火、正火或多次高溫回火后,在正常情況下重新奧氏化使晶粒細化。
2.斷口遺傳:有過(guò)熱組織的鋼材,重新加熱淬火后,雖能使奧氏體晶粒細化,但有時(shí)仍出現粗大顆粒狀斷口。產(chǎn)生斷口遺傳的理論爭議較多,一般認為曾因加熱溫度過(guò)高而使MnS之類(lèi)的雜物溶入奧氏體并富集于晶接口,而冷卻時(shí)這些夾雜物又會(huì )沿晶接口析出,受沖擊時(shí)易沿粗大奧氏體晶界斷裂。
3.粗大組織的遺傳:有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織的鋼件重新奧氏化時(shí),以慢速加熱到常規的淬火溫度,甚至再低一些,其奧氏體晶粒仍然是粗大的,這種現象稱(chēng)為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性,可采用中間退火或多次高溫回火處理。
過(guò)燒現象:加熱溫度過(guò)高,不僅引起奧氏體晶粒粗大,而且晶界局部出現氧化或熔化,導致晶界弱化,稱(chēng)為過(guò)燒。鋼過(guò)燒后性能?chē)乐貝夯?,淬火時(shí)形成龜裂。過(guò)燒組織無(wú)法恢復,只能報廢。因此在工作中要避免過(guò)燒的發(fā)生。
脫碳和氧化:鋼在加熱時(shí),表層的碳與介質(zhì)(或氣氛)中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應,降低了表層碳濃度稱(chēng)為脫碳,脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強度及耐磨性降低,而且表面形成殘余拉應力易形成表面網(wǎng)狀裂紋。
加熱時(shí),鋼表層的鐵及合金與元素與介質(zhì)(或氣氛)中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應生成氧化物膜的現象稱(chēng)為氧化。高溫(一般570度以上)工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化,具有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現淬火軟點(diǎn)。
為了防止氧化和減少脫碳的措施有:工件表面涂料,用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護氣氛加熱(如凈化后的惰性氣體、控制爐內碳勢)、火焰燃燒爐(使爐氣呈還原性)
3、硬度不足
造成淬火工件硬度不足的原因如下。
?(1)加熱溫度過(guò)低,保溫時(shí)間不足。檢查金相組織時(shí),在亞共析鋼中可以看到未溶鐵素體,在工具鋼中可以看到較多未溶碳化物。
(2)?表面脫碳引起表面硬度不足。磨去表層后所測得的硬度比表面高。
(3)?冷卻速度不夠,在金相組織上可以看到黑色屈氏體沿晶界分布。
(4)鋼材淬透性不夠,截面大處淬不硬。
(5)采用中斷淬火時(shí),在水中停留時(shí)間過(guò)短,或自水中取出后,在空氣中停留時(shí)間過(guò)長(cháng)再轉人油中,因冷卻不足或自回火而導致硬度降低。
(6)工具鋼淬火溫度過(guò)高,殘余奧氏體量過(guò)多,影響硬度。
當出現硬度不足時(shí),應分析其原因,采取相應的措施。其中由于加熱溫度過(guò)高或過(guò)低引起的硬度不足,除對已出現缺陷進(jìn)行回火,再重新加熱淬火補救外,應嚴格管理爐溫測控儀表,定期按計量傳遞系統進(jìn)行校正及檢修。
4、硬度不均勻
硬度不均勻就是工件淬火后有軟點(diǎn),產(chǎn)生淬火軟點(diǎn)的原因如下:
(1)?工件表面有氧化皮及污垢等;
?(2)淬火介質(zhì)中有雜質(zhì),如水中有油,使淬火后產(chǎn)生軟點(diǎn);
?(3)工件在淬火介質(zhì)中冷卻時(shí),冷卻介質(zhì)的攪動(dòng)不夠,沒(méi)有及時(shí)趕走工件的凹槽及大截面處形成的氣泡而產(chǎn)生軟點(diǎn);
(4)滲碳件表面碳濃度不均勻,淬火后硬度不均勻;
(5)淬火前原始組織不均勻,例如有嚴重的碳化物偏析,或原始組織粗大,鐵素體呈大塊狀分布。
對前三種情況,可以進(jìn)行一次回火、再次加熱,在恰當的冷卻介質(zhì)及冷卻方法的條件下淬火補救。對后兩種情況,如淬火后不再加工,則一旦出現玦陷,很難補救。對尚未成形加工的工件,為了消除碳化物偏析或粗大,可用不同方向的鍛打來(lái)改變其分布及形態(tài)。對粗大組織可再進(jìn)行一次退火或正火,使組織細化及均勻化。
5、組織缺陷
有些零件,根據服役條件,除要求一定的硬度外,還對金相組織有一定的要求,例如對中碳或中碳合金鋼淬火后馬氏體尺寸大小的規定,可按標準圖譜進(jìn)行評級。馬氏體尺寸過(guò)大,表明淬火溫度過(guò)髙,稱(chēng)為過(guò)熱組織。對游離鐵索體數量也有規定,過(guò)多表明加熱不足,或淬火冷卻速度不夠。其他如工具鋼、髙速鋼,也相應地對奧氏體晶粒度、殘余奧氏體量、碳化物數量及分布等有所規定。對這些組織缺陷也均應根據淬火具體條件分析其產(chǎn)生原因,采取相應措施預防及補救。但應注意,有些組織缺陷還與淬火前的原始組織有關(guān)。例如粗大馬氏體,不僅淬火加熱溫度過(guò)髙可以產(chǎn)生,還可能由于淬火前的熱加工所殘留的過(guò)熱組織遺傳所致,因此,在淬火前應采用退火等辦法消除過(guò)熱組織。
回火缺陷與預防
生產(chǎn)中常見(jiàn)的回火缺陷有:硬度過(guò)高或過(guò)低,硬度不均勻,以及回火產(chǎn)生變形及脆性等。
回火硬度過(guò)高、過(guò)低或不均勻,主要是由于回火溫度過(guò)低,過(guò)髙或爐溫不均勻所造成的?;鼗鸷笥捕冗^(guò)高還可能是由于回火時(shí)間過(guò)短。這類(lèi)問(wèn)題可以通過(guò)調整回火溫度等來(lái)控制。硬度不均勻的原因,可能是由于一次裝爐量過(guò)多,或選用加熱爐不當所致。如果回火在氣體介質(zhì)爐中進(jìn)行,爐內應有氣流循環(huán)風(fēng)扇,否則爐內溫度不可能均勻。
回火后工件發(fā)生變形,常由于回火前工件內應力不平衡,回火時(shí)應力松弛或產(chǎn)生應力重新分布所致。要避免回火后變形,或采用多次校直多次加熱,或采用壓具回火等措施。
髙速鋼表面脫碳后,在回火過(guò)程中可能形成網(wǎng)狀裂紋。因為表面脫碳后,馬氏體的比體積減少,以致產(chǎn)生多向拉應力而形成網(wǎng)狀裂紋,此外,高碳鋼件在回火時(shí),如果加熱過(guò)快,表面先回火,比體積減少,產(chǎn)生多向拉應力,從而產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋?;鼗鸷蟠嘈缘某霈F,主要由于所選回火溫度不當,或回火后冷卻速度不夠(第二類(lèi)回火脆性)所致。因此,防止脆性的出現,應正確選擇回火溫度和冷卻方式。一旦出現回火脆性,對D一類(lèi)回火脆性,只有通過(guò)重新加熱淬火,另選溫度回火;對第二類(lèi)回火脆性,可以采取重新加熱回火,然后加速回火后冷卻速度的方法消除。
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