淬火裂纹（共4篇）
淬火裂纹 篇1
摘要：汽车转向节中频淬火裂纹主要发生在圆角区域。其产生原因是中频加热速度快因而在淬火区与非淬火区形成拉应力集中所致。由于堵孔致使圆角加热不足, 或盲孔过热也会产生裂纹。降低中频淬火加热速度, 清除堵孔, 采用合适盲孔口倒角可减少裂纹的发生。
关键词：汽车转向节,中频淬火,圆角,裂纹,金相组织,拉应力,加热速度,措施
1 概况
转向节是汽车最重要的零件之一, 在一些汽车制造厂生产的EQ140汽车转向节中, 往往因中频淬火裂纹导致严重的质量问题。
转向节如图1所示。选用40Cr钢, 锻造成形, 毛坯要求硬度为241~285HBS, 金相组织为回火索氏体 (1~4级) 。机加工后, 轴颈、圆角及端面同时中频淬火硬化, 要求硬化区表面硬度为52~63 HRC, 硬化层深度为3~6 mm, 硬化层金相组织应为针状或细针状回火马氏体 (3~7级) 。
热处理工艺:调质处理是在井式炉中加热, 860℃×70 min, 在聚乙烯醇的质量分数为0.2%的水溶液中淬火冷却, 600℃×3 h回火;采用圆柱形感应器连续中频感应加热表面淬火, 中频加热电参数和淬火工艺参数见表1。
2 实验结果及分析
经磁力探伤检查裂纹发生的位置:一是在圆角区域内, 呈周向裂纹, 如图2所示;二是在盲孔口, 呈径向裂纹。前者裂纹件数占98.3%, 周向裂纹长度一般在15~45 mm范围, 无折叠等痕迹。
转向节表面粗糙度Ra3.2~Ra6.3, 符合工艺的规定, 周向裂纹在长度方向上与刀纹不重合。
化学成分分析结果是:C、Si、Mn、Cr、S、P等元素含量均在标准规定范围内。
金相组织分析结果表明, 裂纹无氧化脱碳现象, 裂纹断口呈银灰色, 周向裂纹深度在硬化层内, 小于1.5 mm, 硬化层为隐晶马氏体, 淬火区与非淬火区的过渡带在圆角区域内, 心部组织为均匀回火索氏体 (3~4级) 。对盲孔口径向裂纹检查, 盲孔无倒角, 有轻微过热现象。
取5件无裂纹的转向节进行台架试验, 结果见表2。其中有2件循环次数不到3×105次, 在圆角区域内就开始产生裂纹, 3件硬化层深度都小于1.5 mm。
综上所述, 裂纹绝大多数都发生在圆角区域, 属于中频淬火裂纹, 与转向节在中频淬火前的状态基本无关。影响转向节中频淬火裂纹产生的主要原因如下:
1) 拉应力集中。中频表面淬火后, 构成表面受压、中间受拉或受压的应力分布特点, 如图1。拉应力峰值位置是在靠近硬化层内侧处, 或在硬化层结束的过渡区中。拉应力峰值位置和大小取决于以下几点:a.加热速度越快, 温度梯度越大, 则淬火层中的过渡层越小, 拉应力峰值越大, 且切向应力越大于轴向应力, 其峰值位置越接近表面硬化层。b.在零件表面淬火区域内截面积变化处, 淬火时形成拉应力集中, 也可能使拉应力值接近或超过钢的破断抗力, 从而产生淬火裂纹。c.随硬化层深度的增加, 拉应力峰值位置向中心移动, 拉应力峰值逐渐减小。反之, 随硬化层深度减少, 拉应力峰值位置向表面移动, 峰值逐渐增大。d.零件在进行局部表面淬火时, 表面存在着淬火区与非淬火区间的过渡带, 在靠近硬化区处形成拉应力峰值, 因此在过渡带不仅常产生淬火缺陷, 甚至可能造成淬火裂纹。
2) 圆角加热不足。转向节连续感应加热表面淬火时, 由于堵孔等因素致使圆角加热不足, 造成圆角区域硬化层深度过小, 或硬化区结束在圆角区域内, 拉应力峰值集中在圆角区域, 并接近表面。
3) 盲孔过热。盲孔内侧一半要求在硬化区内, 为了保证圆角及端面在淬火加热时达到正常淬火温度, 而盲孔口的温度却往往会偏高, 甚至会过热, 如盲孔口无倒角, 或倒角太小时, 过热的可能性更大。其结果一是在淬火过程中形成应力过大;二是使该区内钢的破断抗力降低, 容易导致淬火裂纹产生。
3 结论
转向节连续中频感应加热表面淬火时, 由于圆角加热不足, 硬化层深度浅 (小于1.5 mm) , 拉应力峰值大并趋近表面;淬火区与非淬火区间的过滤带在圆角区域内, 或在邻近处。致使图1中应力分布的最大拉应力峰值汇集在圆角区域内或邻近处, 各种拉应力峰值彼此互相接近, 或相互交叉, 甚至可能重合。对策是降低中频淬火加热速度, 清除堵孔, 采用合适盲孔口倒角减少裂纹的发生。
淬火裂纹 篇2
现在内燃机发展的趋势低排放、轻量化、高可靠性、强动力和低噪音, 作为发动机燃烧室的关键部件之一气缸套的要求也越来越高。如何提高气缸套的抗摩擦磨损性能, 并与活塞环等零部件组成的一个更好的摩擦副组件越来越成为一种趋势。目前采用的多种强化处理手段:高Mo、Ni合金铸态贝氏体、等温淬火贝氏体、等离子淬火处理、激光淬火处理、氮化处理、高频淬火处理等等。由于铸态贝氏体气缸套成本高, 一般机型的气缸套不宜采用;而气缸套内孔高频淬火处理既能保证内孔表面获得高强度的耐磨层, 淬火后缸套内孔表面硬度可达到HRC42-52, 且耐磨层深度较厚, 厚度一般在0.7~1.5mm, 同比几种热处理方式, 高频淬火处理综合效益较好。但是灰铸铁气缸套内孔高频淬火技术在国内还未普及, 灰铸铁高频淬火加工过程还有许多问题亟待解决, 如气缸套产生裂纹等。
2 高频淬火处理裂纹
由于气缸套对内孔的高频淬火处理是利用感应加热设备的感应器产生感应电流迅速加热缸套内壁, 同时喷射淬火介质使气缸套迅速冷却, 使气缸套产生一个激热激冷的过程。由于多数气缸套为灰铸铁, 灰铸铁气缸套为脆性材料, 产品脆性大, 其韧性很低, 远低于钢件同类产品, 在高频淬火处理时经常出现许多问题, 其中气缸套竖裂就是一种灰铸铁高频淬火处理典型的失效模式。
在气缸套高频淬火时局部受热向外膨胀, 同时由于淬火介质的冷却, 使气缸套内孔表面组织发生由珠光体向马氏体转变, 体积增大, 向内收缩, 此时的组织应力远大于热应力, 当超出极限时气缸套就会产生竖裂现象, 裂纹有时比较明显, 有时是隐性的, 在气缸套后序加工中才会被发现, 甚至部分裂纹只有采用探伤等手段才会被发现, 这就给气缸套的使用带来了隐患。
3 裂纹分析
我们在生产中对高频淬火裂纹进行了多轮分析, 初步从几个方面找到了原因:
3.1 高频淬火设备的选择
由于需要淬火处理的是灰铸铁气缸套, 气缸套内孔表面淬硬层一般在1㎜左右, 选择高频淬火设备时其高频电源的振荡频率是关键因素, 如果选择频率较低, 会造成淬硬层较深, 造成缸套内表面组织应力过大, 产生裂纹, 气缸套高频淬火设备一般选择在150~250k Hz范围较理想。另外淬火设备的电源功率、感应加热电源结构、淬火机床系统、感应器的制作等等都是气缸套高频淬火设备选择的影响因素。一般设备的电源功率选择跟需淬火处理的工件内孔直径有关, 气缸套内径越大选择的电源功率也越高;感应加热电源一般有电子管和晶体管两种, 晶体管稳定性更好, 但价格偏高, 多数为进口部件;淬火机床一般选择数控系统控制;感应器的制作需要加入导磁铁, 并且需要控制感应器的圆度和与气缸套内壁的间隙, 间隙一般控制在1~2㎜范围。
现气缸套高频淬火设备选择有的厂家选用进口原装的设备, 配置较高, 淬火处理的稳定性较好;也有厂家选用国产设备, 但关键部件如MOSFET晶体管等为原装进口, 国产设备从经济性上占优, 各家可根据自己的需求去选择。
3.2 气缸套材料的选择
灰铸铁高频淬火处理需要气缸套的性能方面:韧性高、脆性低。如果出现相反的趋势, 气缸套在淬火处理时易产生裂纹。气缸套铸造用生铁中除含有C、Si、Mn、P、S五大元素外, 还含有大量微量合金元素, 生铁中各种合金元素对气缸套性能的影响也不同, 有的使气缸套变硬、耐磨、变脆, 有的使气缸套提高强度、韧性。选择生铁时应控制影响缸套脆性的成分比例, 控制在一定范围之内, 如控制P、S等元素的含量, 其它微量合金元素也需控制, 有条件的厂家, 可适当增加光谱仪的通道数量, 能够及时检测需控制的微量元素含量, 一般光谱仪增加到二十几个通道后, 微量元素的影响一般都能控制住, 同时可利用生铁供应商的资源检测控制。除需控制生铁中的成分范围外, 还需控制铸造辅料中的成分。
3.3 气缸套成分的选择
灰铸铁气缸套的成分要求多种多样, 根据合金成分的添加比例有磷铸铁、硼铸铁、铌铸铁、铜硼铸铁、钒钛铸铁、铬钼铜铸铁、钼镍合金铸铁气缸套等等, 合金铸铁缸套的材质中加入一种或数种合金元素之目的, 系欲赋予铸铁某些特殊性能如耐磨性、耐蚀性、耐热性、机械强度等, 以满足发动机工作状况之需要。但同时铸铁中加入合金元素后会带来一些不利的影响如流动性、收缩性、多孔性、加工工艺性等。
高频淬火处理的气缸套成分控制, 除需控制原辅料中的影响缸套脆性的成分比例, 还需添加一些合金元素降低缸套白口倾向、提高缸套的强度, 但同时还需控制添加合金中一些微量元素的影响。合金元素加入的种类和含量各个厂家有不同的理解, 各家有各自的高频淬火成分控制标准, 但趋势相同, 都会加入如Cu、Ni、Mo等提高缸套强度的合金元素。通过加入适量的合金元素可有效提高缸套的强度, 降低高频淬火时缸套断裂时的风险。
3.4 气缸套石墨形态的控制
气缸套淬火时内孔表面组织发生变化, 由珠光体向马氏体转变 (图1、2、3) , 体积膨胀, 造成缸套内孔缩小, 产生组织应力;同时缸套淬火受热后, 内孔增大, 存在一个热应力, 但组织应力远大于热应力。灰铸铁气缸套绝大多数采用离心铸造浇注, 缸套存在各种石墨形态, 常见有A型、B型、C型、D型、E型、F型等, D、E型石墨属于过冷石墨, 石墨短小、枝晶状或具有方向性, 不能承受较大的组织应力, 缸套淬火时极易产生裂纹。C型石墨呈块片状, F型石墨呈星状, 石墨过长、石墨节过于集中, 造成缸套在淬火过程中石墨烧蚀, 后序珩磨过程中造成石墨脱落, 缸套内孔表面形成孔洞或凹坑 (见图4) 。同样菊花状B型、粗大A型石墨形态也会造成类似现象, 造成缸套失效。只有细小的片状A型石墨比较适合缸套高频淬火处理, 石墨长度一般控制在4~6级较理想, 即不会产生裂纹, 又不易产生孔洞。
3.5 气缸套内应力的影响
由于气缸套高频淬火都是在半精加工后进行, 前期铸造和粗加工会产生较大的内应力, 如果在淬火前内应力得不到释放, 在淬火过程中产生的组织应力、热应力会和内应力累加, 扩大淬火变形时的组织应力, 使缸套更易产生裂纹。内应力的检测可以通过对缸套纵向剖切, 检测缸套开口前后的内孔直径变化量, 使用内应力指数EI和不均匀指数UI来测算。内应力的去除也有多种方式, 可以采用自然时效和人工时效等不同的方式, 各厂可根据自己的具体情况采取不同的形式, 有条件的可采用天然气时效炉进行, 即比较经济, 又较环保。
3.6 其它
另外淬火介质的不同选择、冬季和夏季不同季节对介质温度的控制、淬火参数的选择和回火处理温度时间的选择都影响到缸套缸套淬火技术要求和缸套淬火后的变形, 都是对灰铸铁气缸套高频淬火产生裂纹影响的因素, 不同的地域和不同的气缸套型号都会有不同的选择。
4 结论
我们通过对灰铸铁气缸套高频淬火处理加工过程中发生的重点问题---竖裂, 进行多轮分析、研究, 从高频淬火设备关键部件的选配、原辅材料微量元素的影响、缸套毛坯成分范围的确定、缸套石墨形态的控制、淬火前内应力的消除等方面进行了多轮对比试验, 从中发现了一些规律和影响高频淬火的部分影响因素, 通过控制这些影响因素, 我公司有效解决了内径在准100㎜~准160㎜范围内十几个机型气缸套高频淬火裂纹问题, 大幅提升了高频淬火气缸套的成品率, 满足了客户对气缸套高性价比的要求。
摘要：本文阐述了灰铸铁气缸套内孔高频淬火处理过程中出现的缸套裂纹现象, 分析了裂纹产生的原因及改进思路。
淬火裂纹 篇3
同步器齿毂采用工艺为:压制成形→烧结→整形→金属加工→高频淬火→包装。
本同步器齿毂产品内花键高频淬火, 要求为淬硬层深度0.5~1μm, 硬度为≥450HV0.5。在少量试制时未发现高频淬火裂纹, 在批量生产时发现约有1/3产品在内花键大径尖角处开裂, 向键槽处沿伸。
裂纹原因分析
(1) 产品图样此种同步器齿毂内花键模数大, 模数为m=2m m;且内花键大径处R角较小, R=0.1mm, 属尖角结构;键槽处与内花键处壁较薄。综合来看易于开裂, 但少量试制时未发现高频淬火裂纹, 不是主因。
(2) 金相检测金相组织显示为马氏体+残余奥氏体+铁素体的混合组织结构, 与常规产品相比未见明显异常。
(3) 高频淬火参数产生裂纹件的同频器齿毂淬火温度为900℃, 加热时间为1.8s, 电流为700A, 常温油冷。高频感应淬火过程中, 当温度升高时, 材料相应发生膨胀, 材料内部温度分布不均匀, 所产生的变形也不均匀, 导致其内部产生热应力。在冷却过程中, 当奥氏体发生马氏体相变时, 由于马氏体密度小于奥氏体的密度, 因此, 在转变过程中会发生体积膨胀。高频感应淬火过程中, 由于存在温度梯度, 冷却时组织转变不可能同时进行, 所以马氏体膨胀量的不同会导致相变应力的产生。由热应力和相变应力的共同作用下, 导致产品在尖角应力集中处开裂, 这是主因。
采取措施
(1) 增大R角。与同步器齿毂产品使用厂家沟通, 改进内花键大径处R角, 在不影响装配的情况下, 将R0.1mm改为R0.25mm, 其余结构因整体装配原因, 不能做改动。
(2) 改善高频淬火工艺。将改进后的同步器齿毂产品在不同的加热时间下进行加热, 常温油冷;同时做试验, 在不同的加热时间下进行加热, 提高淬火油温至60℃。具体见附表。同时做试验, 在不同的加热时间下进行加热, 提高淬火油温至60℃。具体见附表。
结语
淬火裂纹 篇4
1 主要影响因素
1.1 工艺措施方面
表面淬火零件主要的质量问题———淬火裂纹, 既和零件的内部质量以及加热时的温度高低有一定的关系, 但主导因素还是在于淬火时的冷却速度, 零件材料的淬硬淬透性以及零件的几何形状, 感应器合适程度与工件间隙大小等方面配合的是否合适。鉴于单齿沿齿沟淬火工艺具有上述特点, 并且尽量避免一些不利因素的影响, 需要在感应器的结构方面多做些工作, 以便具备条件能够根据齿轮材料的淬硬淬透性能和不同的技术要求, 采取不同的冷却措施, 既要保证淬火要求, 也要控制好淬火以后的应力状态和应力大小, 从而使得轮齿的硬化层具体最好的工作性能, 以此需要针对不同材质及几何形状的零件使用不同的冷却能力的淬火介质进行淬火。
而实际生产中很多时候淬火时的冷却工艺并没有按照不同的情况采取不同的冷却措施, 而是一律用同浓度的淬火液作为淬火介质。这样的工艺虽然可以达到低碳低合金材料的淬火要求, 但对于高碳高合金材料的工件由于冷却速度较快增加了齿槽各个部位的残余应力和变形、开裂。
此外表面淬火的质量情况还与零件加工的前期生产工艺-铸、锻造的工艺质量及显微组织是否正常具有密切的关系, 因而对于重载齿轮类零件来说就更加需要注意本体的质量。特别是铸造的齿轮, 在改善铸件结晶组织的铸造工艺以及改善铸件显微组织形态的预备热处理调质工艺方面应当采取严格的措施, 以便最终热处理表面淬火的前后, 均能得到形态正常均匀细小的显微组织, 使得齿轮本体和淬硬层部分的各种性能都能够处于最良好的状态。因此, 这个基础工作也和表面淬火一样对于提高齿轮的承载能力以及避免工作时产生的各种缺陷, 具有同等重要的作用。
1.2 硬化层深度不能满足承载要求
硬齿面重载齿轮的工作条件十分恶劣, 在硬化层深度不足的情况下, 将会在硬化层的过渡区域产生裂纹和剥落。这是因为在过渡区存在着两个问题:
(1) 重载齿轮在相对运动中承受着接触应力和弯曲应力, 在一定的循环接触应力下 (主要受正交变切应力为主) , 表面承受的剪切应力在距表面0.786bmm处 (b为二接触面接触宽度之半) 为剪切应力峰, 再往心部其剪切应力将逐渐降低, 而这种降低梯度将随接触表面曲率半径增大而变得缓慢平坦。整个淬硬层离表面某点的剪切强度不足以抗衡外来剪切应力时, 就在此地开始形成疲劳裂纹。只有把淬硬层过渡区往心部推移, 才能达到而不成为疲劳危险区。而表面淬火之后在硬化层和心部的交界部位存在着一定的拉伸应力, 如果硬化层深度不能满足承载要求, 这个部位的应力状态就会在重载负荷作用下反复变化, 从而逐渐产生疲劳裂纹和剥落。
(2) 由于感应加热的特定条件, 表面淬火以后在硬化层与本体之间产生了一个高温回火区。如果硬化层深度不能满足承载要求, 这个回火软带部分将会在重载的作用下产生塑性变形进而产生裂纹、龟裂大块剥落等现象。
1.3 齿轮本体的硬度偏低
由于本体部分是硬化层及硬化层过渡区域的基体, 因而基体硬度的高低 (强度高低) 将对硬化层过渡区以及齿轮整体的工作性能具有显著的影响。例如, 基体的硬度偏低, 硬化层较浅, 承受的载荷又很大的时候, 将会在齿面部位产生严重的塑性变形形成“压塌”;如果反过来将基体硬度调整的较高, 则又影响了齿轮的冲击韧性、弯曲疲劳性能, 也会造成齿轮的性能下降。因此齿轮基体硬度的高低, 应当根据每一种齿轮材料的化学成份和力学性能特点, 将强度指标限定在中上限范围, 以便这个材料能够达到最高的强韧性能。
2 提高重载齿轮表面淬火质量的措施
2.1 深层沿齿沟淬火工艺方面
2.1.1 调整感应器的加热冷却结构, 提高加热时的仿齿形程度及效率, 使感应器冷却和淬火冷却分开, 为淬火冷却时能够采取不同的介质创造条件。
2.1.2 调整感应加热工艺参数, 如频率、淬火速度等, 以满足深层沿齿沟加热要求。
2.1.3 根据不同材料、不同表面硬度及硬化层深度使用不同浓度的淬火液作为淬火介质。
2.2 结合重载齿轮的工况条件来确定更为合理的技术要求方面
2.2.1 改善大中模数重载齿轮本体的铸锻造组织及调整性能的预备热处理。
2.2.2 重载齿轮表面淬火之后的硬度根据模数的大小应控制在HRC45-55之间。中模数重载齿轮为HRC45-50, 大模数重载齿轮为HRC50-55。如经过计算需求硬度超过HRC55-65之间就应选择渗碳淬火的工艺方案, 因沿齿沟淬火已无法满足这一要求。
2.2.3 适当提高重载齿轮沿齿沟淬火硬化层深度。这是为了保证齿面部位和齿根部位具有足够的接触强度和弯曲强度, 避免硬化层过渡区产生过渡层剥落。找到重载齿轮相对运动时最大剪切应力的深度 (距表面0.786bmm处, b为二接触面接触宽度之半) , 再根据承载情况设置合理的安全系数确定适合的硬化层深度。
2.2.4 为表面淬火的重载齿轮能够具有较好的基体性能及较深的硬化层深度, 而且在冷却时可以使用冷却能力和缓的介质以便降低淬火后的残余应力。需要将齿轮材料的硬化性能适当提高。
2.2.5 为保证重载齿轮沿齿沟淬火以后齿根、齿底部位的残余应力状态, 尽可能有利于工作要求。这就需要这些部位的几何形状要尽可能加工成大圆弧 (大R) 结构, 以及齿沟底部至轮缘于轮辐连接处的长度要尽量放大一些 (其长度要大于三倍模数) 。这些几何形状对避免深层沿齿沟淬火后裂纹的产生具有重要影响。
2.2.6 重载齿轮深层沿齿沟淬火的冷却工艺的选择一定要综合齿轮的技术要求和材料的硬化性能, 选用不同冷却能力的介质来达到淬火要求, 在保证淬火质量的前提下, 选用的淬火介质越和缓, 对重载齿轮的工作性能越有利。因为这可以尽量减少淬火产生残余应力, 这对避免产生淬火裂纹也是一个强有力的措施。
结束语
影响重载齿轮深层沿齿沟淬火工艺质量的因素很多, 也比较复杂, 前面提到的因素仅仅是一些主要因素, 因而需要在实际工作当中, 根据实际情况综合地采取措施才能有效的提高深层沿齿沟淬火的质量, 以便达到重载齿轮的工作性能的目的。
摘要：本文就本厂现有齿轮表面淬火的质量问题, 分析主要影响因素, 改进工艺措施, 根据实际情况综合地采取措施有效的提高深层沿齿沟淬火的质量, 以便达到重载齿轮的工作性能的目的。
关键词：重载齿轮,裂纹,沿齿沟淬火,硬化层深度
参考文献
[1]《热处理手册》编委会.热处理手册第2版[M].北京:机械工业出版社, 1991, 7.
[2]机械工业部统编, 热处理工艺学[M].北京:科学普及出版社, 1984, 6.