零件的淬火、调质处理开裂原因分析及防止方法-调质钢 高碳钢 中碳钢 淬火 热处理 裂纹
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零件的淬火、调质处理开裂原因分析及防止方法
南京长江机器集团有限公司
文章摘要: 分析了中、高碳结构钢、调质钢零件在淬火、调质热处理过程中经常会产生各种各样裂纹的原因，提出了几种防止产生淬火、调质热处理裂纹的解决方法。 (共4页)
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等温淬火处理中碳钢的组织及力学性能（一）
09:36:00&&&&
　　1 前言
　　为提高燃料利用率，汽车阀簧和悬簧趋于小型和轻量化，弹簧用钢的强度进一步增加。但是，高强度化的钢材对于腐蚀凹痕和缺陷等的缺口敏感性高，所以要求改善延韧性。目前，对JIS标准弹簧钢（例如，Si-Cr系、Si-Mn系和Si-Cr-Mn系）的化学成分，提出了添加改善韧性和抗腐蚀性的元素Ni以及细化晶粒和提高抗延迟断裂性的元素（V、Ti）。但是，这些钢材大多含有稀土金属，所以易受资源枯竭和需求波动的影响，高成本成为问题。因此，要求使用货源充足、价格便宜的普通弹簧钢实现高强度和高延韧性兼顾的组织控制技术。
　　普通弹簧钢水平的含C、Si钢进行等温淬火处理，如果贝氏体组织转化，就会含有大量的残余奥氏体。残余奥氏体如果负荷应力，就会转变为马氏体，引起伸长率变大和韧性提高的相变诱导塑性现象的产生，因而认为添加Si钢可获得高延韧性。
　　将厚度1mm的普通弹簧钢SUP6（Si-Mn系）板材等温转变，获得贝氏体和残余奥氏体双相混合组织，残余奥氏体量越多，其延性越大，发现由于塑性形变，残余奥氏体一部分诱发转变为马氏体。虽然有关于等温淬火处理的中碳钢，Si、Mn等合金元素对组织及力学性能影响的研究，但对组织和力学性能相关性的研究报告较少，没有关于普通弹簧钢方面的报告。
　　为此研究了等温淬火处理的普通弹簧钢SUP12（Si-Mn-Cr系）的组织和力学性能，介绍了含有残余奥氏体和马氏体的下贝氏体组织显示出的良好强度-延展性平衡。以S55C材为基准，对增加Cr及Si含量的普通弹簧钢，观察了等温淬火处理后的显微组织。由于增加了Cr、Si含量，抑制了碳化物（渗碳体）的形成，残余奥氏体比率增加。但是，没有对这些等温淬火处理材的力学性能进行深入研究。
　　本文为了研究贝氏体组织适用普通弹簧钢，明确Cr、Si含量不同的中碳钢进行等温淬火处理时的组织和力学性能的关系。明确轻量化高强度弹簧要求的抗拉强度1800MPa以上，可获得延韧性优良的组织。
　　2 试验方法
　　2.1 试样材料
　　试样材料使用JIS标准钢S55C、SUP9、SUP7和SUP12。以S55C的化学成分为基准时，各元素中有些差异，SUP9比S55C增加了Cr含量，SUP7比S55C、SUP12比SUP9增加了Si含量。
　　2.2 热处理条件
　　S55C钢使用直径Φ4mm，SUP9、SUP7和SUP12三种钢使用直径Φ12mm的试样材料，将各试样材料在炉中进行奥氏体化后1000℃，0.4ks，投入到调整到300℃或400℃的盐浴中，保持10ks~59.4ks后水冷。为了比较，对上述各试样进行相同的奥氏体化之后，在60℃的油里淬火，保持180s后，在275℃~560℃温度进行3.6ks的回火处理后制备成试样。另外，S55C试样材料的直径为Φ12mm时，钢内部因淬火不充分硬度变低，所以，在该热处理条件下采用直径Φ4mm的试样。
　　2.3 组织观察及晶体结构图
　　对上述热处理后的试样，以横断面为观察面埋入树脂后，用金刚砂纸进行湿式研磨和用胶态氧化硅抛光研磨，在3%硝酸乙醇腐蚀液（HNO3 3ml+C2H5OH 97ml）中腐蚀5s~10s，制备成组织观察用试样。在这些试样的横断面，从试样的外周表面向中心相当于直径1/4的位置，用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察了该位置的组织。
　　用上述的抛光研磨精加工的试样，采用电子背散射衍射（EBSD）获得晶体结构图。
　　2.4 残余奥氏体的比率及C含量
　　用组织观察中使用的抛光研磨精加工的埋入树脂后的试样，对横断面整体，采用CoKα线的X射线衍射，由公式（1）求出残余奥氏体（γ）的比率。
　　Vγ=1/{1+（Iα/Rα）/（Iγ/Rγ）} （1）
　　式中：Vγ为γ相的体积分率；Iα及Iγ分别为对应铁素体相和马氏体相的α相及γ相的衍射线的积分强度；Rα和Rγ分别为α相及γ相的R值（由照射条件决定的常数）。
　　α相分别测定了α（200）、α（211）衍射线的积分强度；γ相测定了γ（200）、γ（220）的衍射线的积分强度，将两相峰值组合求出的4个残余奥氏体比率的平均值作为代表值。
　　残余奥氏体中的碳含量，对抛光研磨精加工的横断面整体，采用CoKα线的X射线衍射测定γ（111）、γ（200）、γ（220）及γ（311）的各衍射角，通过采用cos2θ的外插法求出晶格常数（αγ），该常数由公式（2）所示的αγ和C含量的关系决定。
　　αγ（nm）=0.3×（mass%C） （2）
　　2.5 强度试验
　　拉伸试验是以热处理后的材料为原料，通过切削加工，SUP9、SUP7和SUP12用平行部直径Φ6mm，标距30mm的圆棒试样，S55C用平行部直径3.8mm，标距18mm的圆棒试样（JIS X 2201规定的14A号试样）。对这些试样，使用万能精密拉伸试验机以2.8×10-3/s的速度进行拉伸试验，测定了抗拉强度和0.2%屈服强度。应变测定是在试样平行部靠近应变仪来进行测定。并对照断口分别求出断裂伸长率和断面收缩率。此外，本试验所用的拉伸试样形状S55C和SUP9、SUP7、SUP12有所不同。一般拉伸特性值受试样形状的影响，但本试验所用的试样，认为圆棒直径和标距的比率基本相同，对断裂伸长率的影响小，材料组织在标点之间均匀性高，试样形状对拉伸特性值的影响小。
　　夏比冲击试验采用长55mm、边长10mm的正方形断面、深2mm、45°V型缺口的试样（JIS Z 2202规定的V型缺口）。试样取自上述圆棒试样材料（直径Φ50mm），进行和2.2节相同条件的热处理，然后在室温下进行冲击试验，求出冲击功。
　　（来源：热处理）
编辑：实习生&&&&
来源：钢联资讯
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45#，即45号钢，由于良好的加工性能和多方位的处理工艺而成为钢材中最常用的加工材料。
45钢元素含量:
含碳量为0.42-0.50%
含硅量为0.17-0.37%
含锰量为0.50-0.80%
含硫量≤0.035%
含磷量≤0.035%
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含镍量≤0.30%
用于制造齿轮、齿条、链轮、轴、键、销、蒸汽透平机的叶轮、压缩机泵的零件等。
45号钢的调质
&&&45号钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
&&&45号钢淬火温度在A3+(30~50)&℃，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。
&&&&因为45号钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。
&&&&45号钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。
&&&&45号钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度要求为HRC22~34。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。
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关于脉冲电流对一些金属材料物理性能的影响已有众多报道，并形成了电迁移、电致塑性等一些理论［１－＼但采用脉冲电流来使裂纹愈合的实验工作却少见报道、本工作力图通过材料对脉冲电流的快速响应来达到裂纹在无熔化情况下的愈合１实验方法 实验材料为４５钢，其化学成分（质量分数，知为：Ｃ ０４６， Ｓ ００１６． Ｐ ０．０２２． Ｓｔ ０．２６， Ｍｎ ０６２．将试样加热至８４０ ｔ后淬火，使之出现裂纹．把带有裂纹的淬火试样制成宽度为 ２．５ ｍｍ，厚度为 ０．２ ｍｍ的薄片．裂纹沿着试样的宽度方向延伸，并贯穿整个试样将试样表面抛光．以脉冲电流对裂纹试样进行处理、脉冲电流通过电容器放电产生，电容器的最大充电电压为 ２０００ Ｖ，脉冲宽度为 ２００ ＰＳ．实验选用的电压为 １３５０ Ｖ．用 ＪＳＭ－６３０１Ｆ场发射扫描电镜观察脉冲电流处理前后试样的变化２实验结果 图ｌａ；ｂ为脉冲电流处理前、后裂纹的全貌从图可见，脉冲电流处理后，环绕裂纹的区域颜...&
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材料中的有害残余应力会降低材料的疲劳强度、抗应力腐蚀性能、尺寸稳定性以及使用寿命等[l].目前应用较广泛的消除残余应力的方法lz]，一是加热方法，可以充分消除残余应力，但是也使材料的组织和力学性能发生变化，而且消耗大量能源;二是机械方法，如局部塑性变形法和振动法，虽然一般不会降低材料的力学性能但是不能完全消除残余应力，近年来人们开始探索施加物理场消除残余应力的新途径，如Lu等15，4]用强脉冲磁场有效第降低了HT50钢和HT70钢的焊接残余应力. Ragozin等陈6]报道了用低能量脉冲电流(如在Al中输入的能量为62.3)/cm”)来消除材料中的残余应力，但是对消除残余应力的机理没有给出合理的解释.郭晓楠等[vl发现脉冲电流可以减缓冷轧H62黄铜在NH;C1溶液中应力腐蚀开裂速度，使样品自行开裂的时间延长30%，并提出脉冲电流有可能消除了样品中的残余应力.本文研究高密度脉冲电流对40Cr钢中淬火残余应力的影响规律，分析脉冲电流...&
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再制造工程作为一项战略型新兴产业不仅能够节省资源、能源,保护环境,而且具有显著的经济效益。再制造毛坯损伤形式复杂多样,其中裂纹损伤所占比重很大,在以往的再制造过程中,无论什么形式的裂纹损伤一经被检测出来直接报废,因此,金属材料裂纹止裂与损伤愈合技术是机械装备再制造领域急需解决的关键问题之一,尤其对于含有裂纹损伤的高附加值机械装备(如工程机械、船舶、飞机、大型压缩机)的核心部件实施再制造时,首先要修复裂纹损伤才能保证后续再制造工艺的有效性。脉冲电流由于其自身的一些特性被应用于材料制备及物理机械性能改善领域。关于脉冲电流裂纹止裂、愈合技术.目前国内外缺少系统的理论分析和实验研究。本文围绕脉冲电流的绕流效应和焦耳热效应在裂纹止裂、愈合中的应用,从理论分析、实验研究和数值模拟三个角度开展研究工作。本文的主要研究内容和研究成果如下：(1)基于复变函数理论,建立脉冲电流裂纹止裂过程理论模型。根据自由边界处电流密度为零的边界条件,将带有贯穿椭...&
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关于脉冲电流对一些金属材料物理性能的影响已有不少研究,并形成了电迁移、电致塑性等一些理论[112].本文用脉冲电流处理金属材料,观测其中裂纹的愈合并研究其机理.170 材 料 研 究 学 报17卷1 实 验 方 法 实验用中碳钢的化学成分(质量分数, %)为: c 0.46,S 0.05,P 0.045,si 0.30,Mn 0.60.将实验用钢材加工成直径为19 mm,高为45 mm的圆柱形试样,在试样侧面中心位置钻一个直径为2 mm的贯穿孔.清除孔内残屑,用丙酮洗去其内部有机杂质后,在室温下用压力机将圆柱试样沿轴向压粗,压下量为10 mm.压后得到截面的最大直径为22 mm、内含预置贯穿裂纹的鼓形试样.由于试样在室温下进行压粗,裂纹的内表面不会出现氧化和脱碳现象.将试样沿纵向切成厚1 mm,有效宽度为12 mm的片状试样,使裂纹位于试样的正中部,并贯穿试样的厚度方向.对裂纹试样进行脉冲电流处理.脉冲电流由电容器放电产生,波形...&
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在脉冲电流的作用下，电能、热能和应变能被瞬时输入到金属材料中。在电-热-力多场耦合作用下，材料中将引发一系列瞬时非平衡动态过程及其伴生现象。深入研究这些非平衡过程、伴生现象、演变规律和作用机理，将进一步揭示金属材料的电致强化本质，探索与发展新的材料强韧化方法，对于大幅度提高金属材料的综合力学性能具有重大的理论意义和实用价值。高强度钢是现代工业中用量大、使用范围广的重要基础材料，深入挖掘其性能潜力是长久以来材料研究热点和永恒主题。本文采用瞬时高能脉冲电流对高强度钢的组织与力学性能进行了研究。同时，利用数值模拟方法模拟了在脉冲电流处理过程中，试样中各个部位的电流密度分布、温度场以及应力场状态，研究脉冲电流与其所形成的物理场对新相在母相中形成时影响。在脉冲电流处理下，硬化后的冷轧硼钢具有优异的综合力学性能。在最优参数处理下，其抗拉强度超过了2GPa，同时具有良好的延展性能。而且，其加工硬化能力也要好于模压硬化处理的硼钢。部件的高强度与...&
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研究修复材料中的损伤，或阻止、延缓损伤扩大的方法有重要意义．这种修复应该：Ｏ）不需要检测损伤的部位、大小、形状等因素；（２）对未损伤部位的影响足够小否则这种修复是无用的，甚至有害使用脉冲电流是金属材料智能化修复的一种有效选择．１实验方法１·１实验步骤将４５钢试样加热到１１１３Ｋ，水淬使之出现裂纹，并分成Ｍ、ＭＥ、ＭＴ三组、对ＭＴ作８７３Ｋ回火．对ＭＥ作脉冲电流处理，使用的脉冲电流的宽度为０２ｍｓ，电压为１．ｓｋＶＭ仅水淬，以作比较．拉伸试样标距段的尺寸为８．０ｍｍｘ２．５ｍｍ。０．２ｍｍ．裂纹沿试样的宽度方向延伸，并贯穿整个厚度．用光学显微镜预Ｖ量其中最长裂纹的长度，选用最长裂纹尺寸相近的各试样作拉伸实验拉伸实验在岛津拉伸试验机上进行．用光学显微镜及扫描电镜观察显微组织及断口形貌．测量显微硬度ＨＶ．用Ｘ射线衍射方法测量试样的内应力和嵌镶块尺寸１·２强韧性计算拉伸性能取决于材料的性质和裂纹的长度除断裂强度外，未损伤部份的强度为：ａ...&
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