錠桿開裂原因及解決方法

高玉樓

(無錫宏大紡織機械專件有限公司，江蘇 無錫　214000)

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錠桿開裂原因及解決方法

高玉樓

(無錫宏大紡織機械專件有限公司，江蘇 無錫214000)

為了提高加工錠桿的成品率，降低加工成本，介紹了錠桿開裂的類型即材料裂紋、淬火裂紋(淬火應(yīng)力裂紋、淬火不完全導(dǎo)致的斷裂紋)和磨削裂紋產(chǎn)生的原因、特征等，重點分析錠桿開裂的原因以及解決方法。指出，材料裂紋是鋼材本身引起的開裂，淬火應(yīng)力裂紋是組織應(yīng)力和淬火熱應(yīng)力疊加作用的結(jié)果，淬火不完全導(dǎo)致的斷裂是因為表面淬火引起的淬硬層與心部軟組織之間產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)果，磨削裂紋是因為零件溫度升高、冷卻不及時而產(chǎn)生；正確分析錠桿開裂的類型及原因是解決開裂問題的前提。

錠桿開裂；淬火；退火；材料裂紋；淬火裂紋；磨削裂紋；應(yīng)力

為了使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除了合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝必不可少。本公司選用45鋼作為錠桿原材料，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了錠桿開裂問題。為了提高加工錠桿的成品率，降低加工成本，筆者對錠桿開裂原因及解決辦法逐一分析，供同仁參考。

1　材料裂紋

鋼材本身引起的開裂即是材料裂紋，產(chǎn)生材料裂紋的主要原因有：① 由于鋼材內(nèi)的顯微孔隙、皮下氣泡、嚴(yán)重的非金屬夾雜物、過高的加熱溫度和鍛、軋后冷卻速度過快及鋼材終鍛、終軋的溫度過低等原因都會使鋼材的內(nèi)部及表面產(chǎn)生裂紋；② 對于冷拔的鋼材而言，由于其退火組織不均勻、退火的硬度偏高、鋼材表面質(zhì)量較差、滑潤狀態(tài)不良、變形量大、孔徑選擇不合理、模具損傷等原因，鋼材在冷拔過程當(dāng)中容易產(chǎn)生拉裂或劃傷[1]。

材料裂紋、劃傷的特征是沿著鋼材的軋制、拉拔方向呈直線分布，少則一條、多者數(shù)條。從鋼材的外徑、橫向斷口或熱酸洗的低倍試樣上都很容易觀察到，見圖1所示。

由于材料裂紋幾乎難以避免，故而只能在采購鋼材時嚴(yán)格流程，謹(jǐn)慎篩選。

2　淬火裂紋

本公司現(xiàn)在所用的錠桿原材料45鋼，在淬火過程中出現(xiàn)淬火裂紋與傳統(tǒng)的淬火加熱方式以及冷卻介質(zhì)有極大的關(guān)系。

錠桿淬火采用的是45鋼冷拔料，高頻感應(yīng)淬火，加熱溫度是860℃，瞬時加熱，瞬時保溫，瞬時冷卻，冷卻介質(zhì)為水基溶液(可稱水基冷卻液)。

2.1淬火應(yīng)力裂紋

由于錠桿鋼件在淬火時瞬時加熱到860℃，又瞬間急冷到常溫，極易產(chǎn)生淬火內(nèi)應(yīng)力超過材料斷裂極限，易在淬火的過程中產(chǎn)生淬火裂紋。所謂內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的淬火裂紋即是組織應(yīng)力和淬火熱應(yīng)力疊加作用而產(chǎn)生的裂紋[2]。

組織應(yīng)力是由于淬火時內(nèi)外冷卻的不同時性而引起相變的不同時性，馬氏體相變的不同時性總是開始于表面然后向心部發(fā)展。發(fā)生了馬氏體相變的表面因其體積膨脹對心部未轉(zhuǎn)變奧氏體施加拉應(yīng)力，而表面組織本身因心部的限制受壓應(yīng)力，應(yīng)力的峰值隨相變進行向心部移動。

45鋼馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度(Ms)點約為330℃，在一定的條件下，材料的Ms點越高馬氏體轉(zhuǎn)變的速度越快，組織應(yīng)力也越大[3]。

由于錠桿零件外徑尺寸為13.2 mm，屬截面尺寸不太大的零件，未完全淬透零件，組織應(yīng)力大，熱應(yīng)力小，二者疊加之后，表面為壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力， 45鋼淬火裂紋最敏感尺寸為5 mm～8 mm[4]，說明在這個截面尺寸的零件組織應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加之后，應(yīng)力最大已超過鋼材斷裂抗力而產(chǎn)生裂紋。另外，45鋼為非淬透零件，在零件的淬硬區(qū)與非淬硬區(qū)之間過渡處有較大的軸向拉應(yīng)力，在這個區(qū)域容易形成過渡區(qū)裂紋，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化或鋼的斷裂強度降低時，裂紋就會受應(yīng)力的影響而擴展到零件表面。45鋼本身淬透性不大，隨著直徑的增大，中心拉應(yīng)力變大，且軸向應(yīng)力比切向應(yīng)力更大，更易導(dǎo)致開裂。

一般淬火裂紋是組織應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。熱應(yīng)力是由于淬火零件在加熱或冷卻的過程中存在溫度差、產(chǎn)生熱脹冷縮的不一致性造成；由于高頻感應(yīng)淬火把錠桿零件熱應(yīng)力產(chǎn)生的危害進一步放大，45鋼零件在冷卻前期受到較大的熱應(yīng)力作用，產(chǎn)生了塑性變形，而大量的塑性變形使奧氏體在Ms點以上發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這部分硬而脆的馬氏體不僅數(shù)量少，而且容易分布在應(yīng)力集中的缺陷和晶界上[5]。這在以后的應(yīng)力轉(zhuǎn)換及加工過程中極易與組織應(yīng)力疊加，使材料產(chǎn)生裂紋。

淬火后的錠桿由于長時間放置，其內(nèi)部淬火時產(chǎn)生的組織應(yīng)力及熱應(yīng)力不能及時消除，極易導(dǎo)致錠桿在淬火后至回火前的這段時間里產(chǎn)生開裂，而且在這段時間錠桿有校直工藝，在校直的過程中，錠桿受到外部敲擊時極易出現(xiàn)應(yīng)力疊加而引起開裂。

淬火應(yīng)力裂紋主要由于淬火而產(chǎn)生，要解決在淬火過程中產(chǎn)生這類裂紋，需要：① 修改工藝，利用雙介質(zhì)淬火；② 更改冷卻介質(zhì)，適當(dāng)提高冷卻水基溶液的溫度；③ 保證足夠的加熱溫度，用冷卻速度小的淬火介質(zhì)；④ 淬火后要及時回火，防止應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋。

2.2淬火不完全導(dǎo)致斷裂

除淬火時由于淬火應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋外，錠桿在實際生產(chǎn)中還出現(xiàn)另一種斷裂方式，即塑性斷裂。

本公司生產(chǎn)的錠桿零件具有一定階梯形狀的，如圖2所示。

因為有階梯形狀，所以在淬火時需要有不同的感應(yīng)加熱頻率以及不同的進料速率，由于控制不良，在錠桿的階梯處容易形成淬火不良或未淬到的情況，如圖3。這種情況在后續(xù)加工中受到力的作用易導(dǎo)致錠桿在階梯處的塑性斷裂，如圖4。

如圖4所示，塑性斷裂的斷口處有明顯的拉伸及塑性變形，又因為表面淬火引起的淬硬層與心部軟組織之間產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中而導(dǎo)致錠桿斷裂。

解決這類錠桿斷裂的問題必須：① 制定嚴(yán)格的工藝規(guī)范；② 在淬火前保證淬火設(shè)備的良好運行；③ 淬火后及時檢驗產(chǎn)品淬火質(zhì)量防止零件后流造成報廢。

3　磨削裂紋

零件在磨削加工過程中由于砂輪進給量太大、砂輪較硬、砂輪磨粒變鈍、磨削機床未調(diào)整好、砂輪軸跳動太大、冷卻液供給量不足、操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е铝慵囟壬?、冷卻不及時而產(chǎn)生磨削裂紋[6]。

避免這類裂紋的方法很簡單，主要有：① 控制磨削時的進給量；② 提前檢驗砂輪硬度，及時清理砂輪；③ 磨削前調(diào)整好機床；④ 保證零件磨削過程中的冷卻；⑤ 嚴(yán)格按照工藝卡片執(zhí)行操作。

4　結(jié)語

正確分析錠桿開裂的類型及原因，是解決開裂問題的前提。按照本文理論及工藝改進方法，在生產(chǎn)實踐中靈活運用各方面的理論知識，使45鋼錠桿的裂紋得到有效控制，但在生產(chǎn)中，要結(jié)合實際情況去分析解決問題。

[1] 王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對策[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 丁建生.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3] 任頌贊，張靜江.鋼鐵金相圖譜[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，2003.

[4] 王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[5] 李泉華.熱處理技術(shù)400問解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002．

[6] 雷建中，楊曉蔚.滾動軸承零件廢品分析及圖譜[M].河南：洛陽軸承研究所，2001.

Factors Resulting in Cracking of the Spindle Blade and the Solution to the Problem

GAO Yulou

(Wuxi Hongda Texparts Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

In order to increase the yield with less cost,introduction is made to the cracking vaieties of the spindle blade including material crack,quench crack including quench stress crack and half quench crack,and wear crack regarding the cause and the crack characteristics,highlight is given to the solution of the cracks.It is pointed out that the material crack is the cracking of the steel itself.The crack from the quenching stress is the combined result of the structure stress and the hot stress of quenching.The half quench crack results from the surface hardening and the tension from the soft structure in the center.The wear crack results from late cooling of the hot parts.Correct analysis of the crack varieties and the cause is essential to the solution to the problem.

crack of the spindle blade;quenching;annealing；material crack；quench crack；wear crack；stress

2015-06-10

高玉樓(1989—)，男，江蘇沛縣人，助理工程師，主要從事金屬材料熱處理質(zhì)量、熱處理缺陷及熱處理工藝研究。

TS103.81+1

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1001-9634(2016)01-0031-03