帶補(bǔ)塊零件熱處理開裂原因分析及預(yù)防

李彩虹 ，夏 媛，張海盟 ，鐘芳興

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330095；2.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌，330001）

0 引言

熱處理是使金屬零件、工具改善力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能，提高產(chǎn)品壽命和效能的重要工藝方法。零件在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋是最嚴(yán)重的熱處理缺陷之一。這種缺陷通常是無(wú)法補(bǔ)救的，工件一旦開裂，必將造成不可挽回的損失，而造成工件熱處理開裂的原因又是多方面的。裂紋是在熱處理生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，但其原因不一定就是熱處理本身的問(wèn)題，還與原材料的冶金質(zhì)量、選材的合理性、工件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。正因如此，在分析熱處理開裂原因時(shí)，往往易陷入誤區(qū)，只看表面現(xiàn)象，而沒(méi)有涉及問(wèn)題的本質(zhì)，因而難以準(zhǔn)確地找到開裂原因，難以制定合理的改進(jìn)措施。 熱處理開裂對(duì)工件的機(jī)械性能、使用壽命等有重大影響，因此分析研究金屬熱處理開裂的原因，掌握其規(guī)律性，并找出防止開裂的技術(shù)措施，對(duì)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高及經(jīng)濟(jì)效益等具有重大意義。

1 熱處理生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

1.1 熱處理問(wèn)題描述

某帶補(bǔ)塊零件采用氣體保護(hù)爐進(jìn)行熱處理，材料為30CrMnSiA，其熱處理工藝為：淬火、回火、校正、校正后回火，其中淬火冷卻方式為油冷；回火冷卻方式為水冷；校正后回火冷卻方式為空冷。若變形量符合要求，則無(wú)需進(jìn)行校正和校正回火這兩道工序。 零件的拉伸性能要求為σb=1175±100MPa。

零件按照上述工藝進(jìn)行熱處理后，補(bǔ)塊與零件連接處發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，有一處連接處甚至發(fā)生斷裂。其零件、補(bǔ)塊以及斷裂位置如圖1 所示。

圖1 零件、補(bǔ)塊以及斷裂位置示意圖

1.2 熱處理裂紋的類型

鋼件進(jìn)行熱處理時(shí)產(chǎn)生的裂紋類型有下列五種[1]：

1） 縱向裂紋

又稱軸向裂紋，如圖2（a）所示，多半產(chǎn)生在全部淬透的工件上，這往往是由于冷卻過(guò)快，組織應(yīng)力過(guò)大造成的?？v向裂紋的形成除了熱處理工藝及操作方面的原因外，原材料中熱處理前的既存裂紋、大塊非金屬夾雜，嚴(yán)重的碳化物帶狀偏析等缺陷，也是不容忽視的原因。因?yàn)檫@些缺陷的存在，既增加了工件內(nèi)的附加應(yīng)力，也降低了工件的強(qiáng)度和塑性。在Ms 點(diǎn)以下，慢冷可有效避免這種裂紋。

2） 橫向裂紋（也包括弧形裂紋）

這類裂紋往往是在工件被部分淬透時(shí)，于淬硬層與未淬硬層間的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生的，見(jiàn)圖2（b）。 截面較大的高碳鋼工件，往往會(huì)出現(xiàn)這種裂紋。此外，在某些有尖角、凹槽和孔的零件中，由于冷卻不均勻和未能淬透，也常常產(chǎn)生這種裂紋。適當(dāng)?shù)靥岣叽慊饻囟?，增加工件的淬硬層深度，有助于減少這類裂紋的形成傾向。

3） 網(wǎng)狀裂紋

這是一種表面裂紋，其深度較淺，一般在0.01mm－2mm 范圍內(nèi)，其裂紋往往呈任意方向，構(gòu)成網(wǎng)狀，而與工件外形無(wú)關(guān)，見(jiàn)圖2（c）。 表面脫碳的高碳鋼件，極易形成網(wǎng)狀裂紋，這是由于表面脫碳后，其馬氏體比容較小，從而在表面形成了拉應(yīng)力。

4） 剝離裂紋

表面淬火工件淬硬層的剝落以及化學(xué)熱處理后,沿?cái)U(kuò)散層出現(xiàn)的表面剝落均屬于剝離裂紋。這種裂紋一般產(chǎn)生在平行于表面的皮下處（見(jiàn)圖2（d））。例如某合金鋼經(jīng)滲碳并以一定速度冷卻后，其滲層可能得到以下組織：外層為屈氏體＋碳化物，次層為馬氏體＋殘余奧氏體，內(nèi)層為索氏體或屈氏體。由于馬氏體的比容大，將發(fā)生體積膨脹，故使馬氏體呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，但在外層及接近馬氏體層的極薄的過(guò)渡層內(nèi)則具有拉應(yīng)力（見(jiàn)圖3）。 剝離裂紋就產(chǎn)生在壓應(yīng)力向拉應(yīng)力急劇過(guò)渡的極薄區(qū)域內(nèi)。

圖3 剝離裂紋表面心部的應(yīng)力分布情況

5） 顯微裂紋

它是由微觀應(yīng)力的作用造成的，見(jiàn)圖2（e），顯微裂紋只有在顯微鏡下才能觀察到。鋼中存在顯微裂紋可顯著降低淬火工件的強(qiáng)度和塑性。

圖2 鋼件熱處理時(shí)產(chǎn)生的裂紋類型

通過(guò)觀察開裂零件產(chǎn)生的裂紋可知，其裂紋類型為橫向裂紋，產(chǎn)生在壓應(yīng)力向拉應(yīng)力急劇過(guò)渡的極薄區(qū)域內(nèi)，而此零件的極薄處則為補(bǔ)塊與零件的連接處，因此在連接處產(chǎn)生裂紋。

1.3 熱處理產(chǎn)生裂紋的分析

通過(guò)測(cè)量開裂零件尺寸可知，補(bǔ)塊厚度為57mm，而補(bǔ)塊與零件連接處厚度只有18mm，截面厚薄懸殊。熱處理后的零件在冷卻過(guò)程中薄的部分冷的快，厚的部分冷的慢[2]。零件薄的部分在淬火冷卻過(guò)程時(shí)，先進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變而硬化，隨后當(dāng)厚的部位發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，給薄的部位以拉應(yīng)力，并在薄厚相連處產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]。當(dāng)零件截面厚度劇變時(shí)，由薄截面到厚截面的過(guò)渡線就是應(yīng)力集中區(qū)周邊[4]。應(yīng)力集中是指受力構(gòu)件由于外界因素或自身因素導(dǎo)致幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中會(huì)引起脆性材料斷裂，使物體發(fā)生疲勞裂紋。在熱處理實(shí)踐中，高于正常的淬火加熱溫度、加快在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的冷卻速度、制件中存在應(yīng)力集中區(qū)（各種形狀的孔、由薄截面到厚截面的急劇過(guò)渡、尖角、局部切痕等）都是形成淬火裂紋的原因。鋼件上存在尖角、缺口等的情況下，易在淬火時(shí)造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，尤其在應(yīng)力集中和截面急劇變化的共同作用下，淬裂危險(xiǎn)更大。有試驗(yàn)結(jié)果表明，截面尺寸改變愈劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)就愈大。

淬火拉應(yīng)力是形成淬火裂紋的主要危險(xiǎn)因素。鋼件在淬火冷卻的末期以及冷卻終止以后，有時(shí)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致鋼件報(bào)廢，這種淬火裂紋是由于淬火應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的脆性開裂。一般淬火鋼，在表面或表層附近所具有的拉應(yīng)力接近或超過(guò)鋼的破斷抗力時(shí)，便可能產(chǎn)生裂紋。如果鋼件淬火后淬硬層較淺時(shí)，或進(jìn)行各種表面化學(xué)熱處理時(shí)，或施以高頻等表面淬火時(shí)，能夠在鋼件表層及附近形成壓應(yīng)力，則可以有效地防止裂紋產(chǎn)生[5]。

1.4 采取的技術(shù)措施與取得的成效

針對(duì)此零件發(fā)生開裂的情況，采取了以下措施：

1） 在零件補(bǔ)塊位置多開幾個(gè)均勻的圓通孔，以減少應(yīng)力集中。 開孔后的零件示意圖如圖4。

圖4 補(bǔ)塊開孔后零件示意圖

2） 修改熱處理工藝規(guī)程：在淬火前先進(jìn)行一道高溫回火，冷卻方式為空冷，其他工藝參數(shù)不變。高溫回火能夠減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開裂。高溫回火是一種常見(jiàn)的釋放應(yīng)力的方法。在溫度較高的時(shí)候，金屬的屈服極限會(huì)下降，這就會(huì)導(dǎo)致大于此溫度的內(nèi)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)材料塑性變形，直到內(nèi)應(yīng)力達(dá)到與此溫度下屈服應(yīng)力平衡的程度。所以，當(dāng)回到正常溫度的時(shí)候，內(nèi)應(yīng)力就會(huì)小于回火溫度時(shí)候的屈服極限，這樣就達(dá)到了去除部分內(nèi)應(yīng)力的作用。

之后送來(lái)熱處理的大批量同圖號(hào)零件均是在補(bǔ)塊位置開好了圓通孔的零件，并且熱處理按照新的工藝規(guī)程來(lái)執(zhí)行，得出來(lái)的結(jié)果均未出現(xiàn)開裂，硬度也都合格，零件得以順利交付。此次解決措施為其他帶補(bǔ)塊零件的熱處理提供了參考，即盡量避免對(duì)截面厚薄懸殊的零件進(jìn)行熱處理。當(dāng)厚薄懸殊的零件需要熱處理時(shí)，需開好對(duì)稱的圓通孔或U 形槽，截面均勻后再進(jìn)行熱處理， 從而使帶補(bǔ)塊零件的開裂問(wèn)題大大減少。

2 零件熱處理開裂的原因與預(yù)防

2.1 熱處理開裂的原因

熱處理開裂主要是人為因素、淬火工藝不當(dāng)，內(nèi)部組織不良，設(shè)計(jì)工藝不合理等因素造成的。

2.1.1 人為因素、淬火工藝不當(dāng)

1） 淬火加熱溫度過(guò)高，或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起晶粒粗化、組織粗大、晶界弱化，如過(guò)熱組織，就大大降低了鋼的力學(xué)性能，使鋼的脆斷強(qiáng)度降低，很容易產(chǎn)生淬火開裂。

2） 冷卻不當(dāng)。在Ms 溫度以下快冷，因組織應(yīng)力大引起開裂。如水-油雙介質(zhì)淬火。在水中停留時(shí)間長(zhǎng)，淬火油中含有過(guò)多水分。

3） 重復(fù)淬火前未經(jīng)中間退火，過(guò)熱傾向大，前項(xiàng)淬火的應(yīng)力未能完全消除，以及多次加熱引起表面脫碳，都會(huì)促使淬火開裂。

4） 大截面高合金鋼件，淬火加熱時(shí)未經(jīng)預(yù)熱或加熱速度過(guò)快，加熱時(shí)熱應(yīng)力與組織應(yīng)力增大，引起開裂。

5） 高速鋼、高鉻鋼分級(jí)淬火，工件未冷至室溫就急于清洗（Ms 以下快冷）從而引起開裂。

6） 深冷處理因急冷急熱形成的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都比較大，且低溫時(shí)材料的脆斷強(qiáng)度低，易產(chǎn)生淬火開裂。

7） 淬火后未及時(shí)回火，工件內(nèi)的顯微裂紋在淬火應(yīng)力作用下擴(kuò)展從而形成宏觀裂紋。

8） 淬火后產(chǎn)生應(yīng)力不平衡，未使工件開裂，但在機(jī)械加工或搬運(yùn)過(guò)程中受外力過(guò)大，造成開裂。

2.1.2 內(nèi)部組織不良

1） 嚴(yán)重表面脫碳易形成網(wǎng)狀裂紋。嚴(yán)重脫碳的高碳工具鋼工件，脫碳層馬氏體比未脫碳層馬氏體體積小，受到拉應(yīng)力作用易形成網(wǎng)狀裂紋。

2） 原始組織不良，如高碳鋼球化質(zhì)量欠佳，其組織是細(xì)片狀珠光體或點(diǎn)狀珠光體，過(guò)熱傾向大；晶粒粗化，馬氏體碳含量高，淬火開裂傾向大。

3） 原材料顯微裂紋，非金屬夾雜物，嚴(yán)重碳化物偏析會(huì)導(dǎo)致淬火開裂傾向大。

4） 淬透性低的鋼，用鉗子夾持淬火時(shí)，被夾持部位淬火冷得慢，有非馬氏體組織，鉗口位于淬硬層與非淬硬層交界處，其拉應(yīng)力大從而易開裂。

2.1.3 設(shè)計(jì)工藝不合理

1） 內(nèi)徑較小的深孔工件（如機(jī)筒），由于內(nèi)表面冷卻速度較外表面小的多。殘余熱應(yīng)力小，所受的殘余拉應(yīng)力較外表面大，外壁較內(nèi)壁收縮快，因此加上材料偏析，內(nèi)壁很容易開裂。

2） 工件的尖角、盲孔、截面突變及粗加工刀痕等因冷卻速度不均，應(yīng)力集中從而引起開裂。

2.2 零件熱處理開裂的預(yù)防措施

1） 原材料應(yīng)避免顯微裂紋以及嚴(yán)重的非金屬夾雜物和材料組織偏析。

2） 合理選擇鋼材。對(duì)于形狀復(fù)雜且容易開裂的工件，應(yīng)選擇淬透性高的合金鋼制造，以便采用冷卻速度緩慢的淬火介質(zhì)，減少淬火應(yīng)力。

3） 改進(jìn)工件結(jié)構(gòu)，截面力求均勻，不同截面處應(yīng)有圓角過(guò)渡，盡量減少不通孔、尖角，避免應(yīng)力集中引起開裂。開裂傾向較大可采取開工藝孔、加厚零件太薄的部分、合理安排孔洞位置或變不通孔為通孔等辦法。

4） 正確預(yù)先熱處理，避免正火、退火組織缺陷（魏氏組織等）。

5） 正確選擇加熱參數(shù)。減少因加熱溫度過(guò)高、加熱速度過(guò)快等原因引起的開裂。

6） 正確選擇淬火介質(zhì)和淬火工藝。

7） 合理安排熱處理工藝，盡量減少截面突變等容易引起冷卻速度不均勻和應(yīng)力增大的開裂情況。

8） 對(duì)工件容易開裂的部位，如尖角、薄壁、孔等進(jìn)行局部包扎。

9） 易開裂的工件淬火后應(yīng)及時(shí)回火。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬熱處理能夠改善材料各種性能，但在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋是無(wú)法補(bǔ)救的，因此提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，防止開裂是關(guān)鍵。但防止開裂僅僅靠熱處理工作人員是不夠的，還需要設(shè)計(jì)人員充分考慮熱處理工藝性，冷熱加工應(yīng)互相配合。在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合分析，找出問(wèn)題的關(guān)鍵，抓住主要矛盾，采取有效措施，明顯減小熱處理變形，避免開裂，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低消耗，增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。