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淬火裂纹形成的原因有哪些

关键词:淬火 发布时间:2018-03-13

淬火裂纹是钢铁件在淬火冷却时,热应力和组织应力叠加后超过零件在该温度下的抗断裂强度时产生的裂纹。淬火裂纹形成的原因如下:


1原材料存在缺陷导致淬火时形成裂纹

化学成分偏析,特别是碳元素偏析或合金元素偏析,使同一零件在不同部位含碳量不一致。淬火时低碳部位的Ms点高,会先转变成马氏体,而高碳部位的Ms点低,会后转变成马氏涔。由于马氏体转变的不同时性,会产生较大的组织应力差,又由于高碳马氏体和低碳马氏体的比体积不一致,进而增加了内应力,致使淬火开裂。高碳钢和高合金钢的含碳量偏析又多体现在碳化物偏析上。由于较多的二次碳化物和共晶碳化物偏析,使在进行压力加工时,不能彻底击碎,或呈网状分布,或呈带状分布,使钢产生很大脆性。淬火时,在零件内部引起不均匀内应力,引起淬火裂纹。这些裂纹多集中在碳化物偏析的地方。

钢中合金元素出现偏析时,元素多的部位导热性低,增大相变不同时性,使同一零件的淬透性不一致,使热处理应力大大增加,使淬火开裂的可能性增加。对于内燃机排气阀用4Cr9Si2, 4Cr14Ni14W2Mo,SCr21Mn9Ni4N高合金钢制造,在压力加工时,由于线杆向伐碟过渡区变形小,这部分的碳化物难以击碎,往往会形成碳化物偏析或网状碳化物,故该处在固溶淬火时,常常会形成淬火裂纹。

钢的纯洁度不高,非金属夹杂物多、实质上已将钢的基体割裂,已形成缺口效应,促使淬火裂纹的形成。对于大件的心部,由于原先的冶炼、锻造工艺正确,则产生白点。实质上白点就是细小裂纹,淬火时白点成了裂纹源。在大件中形成延迟开裂并发出巨响,大锻模块中也有此种现象发生。通常认为形成白点的原因是由于工件心部含氢量过高而不能及时排出所致。

如果原材料中已存在小裂纹、缩孔、气孔疏松、砂眼等缺陷,那么这些缺陷是淬火裂纹的直接根源。

2原始组织的影响

在结构钢中,铸造状态、锻造状态、焊接状态、热轧状态、冷轧状态的工件进行预备热处理或预备热处理不当时,由于存在粗大的奥氏体晶粒或严重的魏氏组织在淬火时被遗留,使得淬火马氏体针粗大,脆性增加,若粗大组织分布不均匀,使内应力增大,这些都会导致淬火裂纹的产生。

原始组织为片状珠光体与球状珠光体相比。片状珠光体在加热温度偏高时易引起奥氏体晶粒粗大、易过热,即易形成淬火裂纹。这是由于片状珠光体的相界面较大、渗碳体较薄、易于溶解,加热时奥氏体容易形成。所以在相同的加热温度和保温时间条件下,原始组织为片状珠光体的零件易过热并变形成淬火裂纹。

重复淬火时,原始组织的马氏体在重新加热淬火形成奥氏体时,存在不阻碍奥氏体晶粒最大化的碳化物,会形成粗大奥氏体,淬火时会形成裂纹。故在重复淬火时,一定要经过中间退火或正火。

3零件形状尺寸的影响

零件的尖角、棱角、孔洞、凹槽等几何形状因素使工件各处冷速不一,组织转变不同时,局部冷速急剧,增大了淬火残留应力,从而增大了开裂的可能性。零件截面尺寸不均匀性增加,淬裂倾向也大,零件较薄部位淬火时马氏体先转变。较厚部位马氏体发生转变时,体积膨胀,使较薄部位承受断裂应力,在厚薄交界处产生应力集中,常在此形成淬火裂纹。

截面尺寸很小的工件,里外同时淬硬时不易淬裂。截面尺寸特大的零件,心部淬不透,表层也得不到全部马氏体或有贝氏体或索氏体时,内应力主要是热应力而不是组织应力,一般不易出现淬火裂纹。45钢淬裂的危险直径在Φ4~Φ7mm左右。

4加热和冷却因素的影响

凡是增加淬火断裂应力的因素都会促使淬火裂纹的形成。淬火温度越高,奥氏体的晶粒越粗大,使钢的抗力降低,而冷却时产生应力就大,所以,过热必将容易引起淬火裂纹。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,但因强度较低会沿铁素体网形成脆性断裂。同样淬火后铁素体越多,不均匀组织的抗力越低,淬火软点越会形成裂纹。对一般零件,通过提高淬火加热温度来增加残留奥氏体量进而达到降低淬裂倾向的办法是不显著的。因为淬火温度高时,奥氏体过饱和度增加,淬火后马氏体含碳量增高,晶格畸变应力增大,会促使开裂。

加热速度也是一个重要因素。对于大件,导热系数小的高合金钢和铸铁,都必须预热一次或二次,也可阶梯升温到淬火温度。否则升温太快,会增大应力。保温时间不充分,未完全奥氏体化,这些都会形成淬火裂纹。

钢件冷却到Ms点以下发生相变时,若冷却速度不一致会形成热应力,相变不同时,会产生组织应力,相变结果是奥氏体转变成具有高硬度、低塑性的马氏体。在该温度区间内的冷却过程,最易引起淬火裂纹。

在马氏体转变区内缓冷,可以获得含碳浓度较低的马氏体,降低马氏体组织应力,同时还可降低钢件表面和中心的温度差,即降低钢的淬火应力。在马氏体相变区内缓冷,能够提高冷却后钢的强度和破断抗力。

5心部硬度对淬火裂纹的影响

T10钢和低合金工具钢制试样,淬火后的中心硬度在36~45HRC时,内部形成弧形裂纹。当中心硬度高于46HRC或低于35HRC时,不形成裂纹。当中心硬度和表面硬度接近时,易形成纵向裂纹。试样中心硬度高于46HRC时不开裂的原因是由于高碳钢淬火后得到马氏体和残留奥氏体,心部淬不透也会形成托氏体,尽管组织比体积不同,但组织的相对数量不等,故一般试样表面和心部断裂应力极小,所以不形成裂纹。当心部硬度低于35HRC时,组织塑性较好,淬火时试样心部产生断裂应力,由于心部较软会发生塑性变形而降低了断裂应力,故不发内部弧形裂纹。

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