滲碳淬火件磨削裂紋形成的原因和防止措施

時間：2013-09-06 09:59:47 來源：作者：李志義

(由于滲碳淬火件磨削裂紋形成的原因比一般淬火件復雜一些，因此本文側(cè)重滲碳淬火件磨削裂紋的探討，同時希望各工廠、企業(yè)采用各種措施減少變形，達到不磨齒少磨齒[10]以共勵之。)

眾所周知磨削加工產(chǎn)生的拉應力在此拉應力的作用下而形成的裂紋均稱為磨削裂紋。同樣，若無此應力作用下進行表而處理(例如:酸洗、電鍍、氧化等) ，未發(fā)現(xiàn)氫脆和應力腐蝕裂紋，而在磨削應力作用下進行的上述表面處理，而形成的裂紋，本人認為也可以屬于磨削裂紋范峙。

由于磨削裂紋形成的原因不同而且有時是綜合性影響，因而其形態(tài)一般可分為叁種:一、磨削裂紋的走向于砂輪旋轉(zhuǎn)方向一致，并稍有連續(xù)。二、裂紋的走向于砂輪方向一致成魚磷狀并稍有斷續(xù)。三、因磨削應力在表面處理過程中形成裂紋。該裂紋斷續(xù)的一頭粗一頭尖的縱向羽毛狀裂紋[1])。

解決這些裂紋形成的措施，就是從各方面降低其磨削應力的大小。

1.降低滲碳層本身的不均勻應力。

滲碳層碳化物的顆料越細越好，碳化物分布越均勻越好，避免碳化物粗狀，極度彌散的碳化物的獲得[2]，可控氣源的選擇，是很重要的因素素[3]。

例如:天然氣中主要成份CH4 就目前的滲碳而言的氣源，古老滲碳機理CO-Cad+CO2 Cad-活性碳。天然氣丙烷乙炔等[7]可直接裂解生成活性碳滲碳[4]CH4→Cad+2H2且在天然氣凈化很好時：(脫有機硫≤3-5mg/m3 、無機硫運≤1-3 mg/m3 、水-38℃、石油)[5]使這種裂解反應更完美，凈化后天然氣用氣量大大下降，例如:長春一汽車大眾叁臺1000公斤艾協(xié)林多用爐和一臺12料盤艾協(xié)林貫通式多用爐--相當四臺1000公斤艾協(xié)林多用爐產(chǎn)量:原用氣源約40M3/h，現(xiàn)采用天然氣凈氣設備后，只需23M3/h，同時零件表面碳黑，非馬氏體組織的厚度和分布密度大大改善，達到光亮銀灰色無炭黑，一般<3um[5]，滲碳層碳化物粒度也有改善。重慶紅巖汽車廠也達到相似效果，單原料氣均節(jié)約40多萬元/年以上，株洲齒輪年節(jié)約了85萬元[8]。該發(fā)明目前國內(nèi)外已有64臺套使產(chǎn)品領先于世界[7]

2.要使馬氏體轉(zhuǎn)變時應力最小，同時變形也最小，冷卻介質(zhì)的選擇是很重要的因素，淬火冷卻時，熱應力(熱漲冷縮應力)和組織應力這兩種應力相互抵消，抵消越多越好。要使滲碳淬火件表面層非馬氏件組織降低（淺腐蝕），氣源選擇是主要因素[3、5]淬火介質(zhì)次之，淬火油要求在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)快速通過，而在馬氏體轉(zhuǎn)變時為防止變形又需冷卻確當。特別是對截面較大的滲碳零件，心部硬度不合格，殘余奧氏體量增加，長春一汽大眾艾協(xié)林多用爐的淬火油采用德國貝多菲亞的產(chǎn)品，實際使用60-80℃閃點低187℃，高溫冷卻快，低溫冷卻也不慢，零件的變形也較大一般轎車的零件變形在15絲左右。后在我建議下采用好富頓淬火油。

要減少變形，油的高溫冷卻確當，低溫冷卻慢，同時適當提高油溫至120-140℃ 使變形減少，又避免殘余奧氏體量增加和心部硬度下降。還可增壓淬式硝鹽等溫淬火。

3. 滲碳層殘余奧氏體在磨削應力作用下，在加上氫在應力作用的遷移偏聚，而誘導馬氏體相變，這應力誘導馬氏體是未回火馬氏體應力較大，金相看時裂紋周圍有明顯亮區(qū)，這亮區(qū)一般講就是應力誘發(fā)馬氏體相變區(qū).

殘余奧氏體的量，直接與鋼種、滲碳件尺寸大小、淬火油冷速、油溫等有關。由于各方面的原因，很多具有比較好設備的企業(yè)，首選油均是德潤寶、好富頓、Uncon等公司的等溫油，熱處理質(zhì)量可靠，壽命長穩(wěn)定。

4. 滲碳淬火件，鋼種化學成份的影響(此文不作重點介紹)

4. 1 一般講:對加硼的滲碳鋼，要注意晶界硼化物的形成。硼化物的形成使晶界局部韌性下降(硼脆)，直接影響磨削應力大小和磨削裂紋源的形成。消除硼鋼，硼化物的形成，除冶金冶煉質(zhì)量為主，熱處理一般講;奧氏體化溫度越高冷卻速度越慢，則富集到晶界的硼化物也越多，當冷卻速度較快時，才有可能防止硼化物的偏聚。因此等溫正火，在正火過程中可考慮變速降溫的設計方案……。

4. 2 對加鈦的滲碳鋼，要注意方晶鈦（TiN）的形成使晶界局部韌性下降(鈦脆)，直接影響磨削

應力大小和磨削裂紋源的形成。消除方晶鈦的形成，主要是冶金冶煉質(zhì)量的控制，熱處理一般講：奧氏體化溫度越高強迫方晶鈦熔解在奧氏體內(nèi)，然后在冷卻時需確當?shù)睦鋮s速度避免鈦在晶界的富集，從而消除方晶鈦的形成。方晶鈦的形成，或者含鈦太高，還會使?jié)B碳速度下降……。

4. 3 含錫量的控制

避免晶界錫化物的形成，冶金冶煉錫含量必須控制在0.5% 以下，同時防止在400℃左右回火，通常滲碳鋼均在低溫回火，這類組織不易形成。

5. 磨床磨削參數(shù)的控制

5. 1 磨床砂輪粒度， l00 度為宜。粒度越粗，應力越大。

5. 2 磨床、砂輪徑向擺動越小越好。擺動越大，應力越大。

5. 3 濕磨比干磨應力小，濕磨液要采用過濾措施，并定期更換。

5. 4 砂輪的轉(zhuǎn)速確當.

5. 5 砂輪進刀量的控制：初磨削量不易太大，精磨可根據(jù)硬度、鋼號一般控制在1-3 絲以內(nèi).

6. 必要時在磨削后立即增加去應力問火，以降低應力，同時使應力和氫的偏聚誘發(fā)殘余奧氏體→馬氏體組織即時轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，以降低內(nèi)應力，去應力回火的溫度不影響產(chǎn)品性能。硬度等要求情況下.可適當提高去應力回火溫度以達到盡可能降低磨削應力和應力和氫的偏聚誘發(fā)馬氏體組織的應力的效果。

7.磨削應力作用下進行表面處理而形成的羽毛狀裂紋原因是磨床砂輪的中心線必然是在一個公差范圍內(nèi)的周期變動，而加工面也是隨著砂輪中心線的周期變動而變動，而這個周期性變化使磨削產(chǎn)生的應力也隨著變化，具有周期性，縱向羽毛狀裂紋的左尖右粗標志著工件的移動方向是由左向右，該裂紋的防止措施除上述措施外，還可從防止表面處理過程中的氫脆和應力腐蝕斷裂中實施，此文從略[6]。

8. 采用先進的工藝[2、3、 5]使滲碳淬火件表面非馬氏體組織<3um[5]，使另件變形最小(原材料在冶煉澆鑄：推薦用真空抽氣脫氧脫氫，磁場、震動攪拌，連鑄連軋的方法來減少材料的雜質(zhì)、偏析。由于各種原因、原材料狀態(tài)不理想需要進行等溫正火處理。世界第一品牌德國SEW減速機公司，原材料的訂貨：要求氫含量≤2PPm氧含量≤20PPm，夾雜物：氧化物≤1級，硫化物≤1級，而我們兵器用的槍炮鋼，氧化物≤1.5級，硫化物≤1.5級，二者之加≤2.5級。)等溫正火：（一般采用950℃，溫度低效果差）改善魏氏組織，原始晶粒均勻，應力狀態(tài)，帶狀偏析，合金元素偏析，夾雜物形態(tài)；由條狀變?yōu)閿噫湙E園狀，氫含量下降，夾雜引起的裂紋，對鍛造引起的組織損傷或裂紋有愈合作用（俄文為焊合；合金元素多焊合時間增長）最終可獲得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件長期服役下的尺寸穩(wěn)定性提高）。這種狀態(tài)下的材料使以后從事表面處理過程中的氫脆和應力腐蝕斷裂現(xiàn)象均有減緩作用。無需再磨加工，由于壓應力近最表面，碳化物極度彌散[2]滲碳時間短，變形小，耐磨性最好，使滲碳熱處理質(zhì)量領先于世界[2.. 3、5、7、8] 。

參考文獻

1.李志義編著:結(jié)構(gòu)鋼在表面處理過程中的氫脆和應力腐蝕斷裂。1980. 8. P96 四川省第五機械工業(yè)局科學技術情報中心站

2. 殷漢奇四川丹齒實業(yè)有限公司艾協(xié)林多用爐的引進和使用"金屬熱處理"。1996. 6. P36

3. 李志義重慶建設廠31車間；李曉澎重慶建設一雅馬哈有限公司焊接課:可控氣源的選擇"金屬熱處理” 1996. 1. PS2

4. W.Gohring Kleve.B. Edenhore Klevc Ipscn 使用不同燃料的滲碳氣氛的傳輸特懷和可調(diào)性。

5. 李志義：滲碳淬火件表面非馬氏體組織形成原因和防止措施"金屬熱處理"。 2000. 11. P37

6. 李志義、重慶建設集團:影響兵器用結(jié)構(gòu)鋼在表面處理過程中的氫脆和應力腐蝕斷裂的主要因素和防止措施(兵工年會優(yōu)秀論文，此文分別在上海、南京、泰州、重慶、昆明356 廠、四川、南溪661 廠、榮呂383 廠、壁山246 廠等地區(qū)專題講座)。（兵器用結(jié)構(gòu)鋼在表面處理過程中的氫脆和應力腐蝕斷裂:首創(chuàng)在145℃濃堿介質(zhì)中進行懸臂彎曲試驗、系統(tǒng)測試十個鋼種，不同表面處理工藝規(guī)范下材料的缺口強度和應力腐蝕門檻應力強度因子:同時測定上述鋼的氫行為:包括吸氧量、氫擴散系數(shù)和氫逸出規(guī)律:電化學特性、氫與某些元素的交互作用，宏觀和微觀斷口分析經(jīng)7312個試樣8年研究等獲部二等獎)

7.李志義、馬學文、蒲玲、向書成、李曉澎：再述：滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施，待發(fā)表

8．馬學文、李志義、李曉澎用凈化后的天然氣代替丙烷氣滲碳的質(zhì)量及經(jīng)濟效益[C]2009成都齒輪熱處理變形專題研討會論文集。

9．李志義、馬學文、李曉澎氣體滲碳淬火件中的氫脆問題[C]2009年十四省市熱處理暨第八屆全國化學熱處理學術交流會論文集P80

10．李志義、李曉澎齒輪氣體滲碳件中的變形問題[C]2009成都齒輪熱處理變形專題研討會最后宣講。

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