淬火缺陷与控制教学课件PPT热处理原理及工艺 68页

'热处理原理及工艺（18-19） 3-5淬火缺陷与控制变形和开裂过热与过烧软点与硬度不足氧化脱碳 变形和开裂是热处理常见缺陷由淬火应力引起淬火应力σ＞材料σs→工件畸变（变形）淬火应力σ＞材料σb→淬火裂纹 以纯Cu，加热800℃，上下喷水冷却为例。第一阶段：外层受拉，心部受压应力。一、淬火应力1、热应力冷却开始时：表层T低，心高，表面冷得快，收缩较大。冷却后期，心T高→低，表T变化小，心部收缩的多。∴冷收缩不同时，产生应力 第二阶段：表压，心拉∵T很低，σs较高，不再引起塑变。∴应力分布被保留下来成为残余应力热应力：第一阶段：表拉，心压应力值σ随ΔΤ↑而↑σ＞σs，塑性变形应力松弛，应力值降低 第一阶段第二阶段 热应力型残余应力分布特点为：表层压应力，心部拉应力热应力引起变形在初期：表拉、心压零件心部受多向压应力作用失去原形，形状向球状方向发展，如圆柱体，高度减小，中部直径扩大，变成腰鼓形。零件沿最大尺寸方向收缩，最小尺寸方向伸长 2、组织应力（transformationstress）（相变应力）A→M，VM＞VA体积膨胀第一阶段: 第一阶段：表压、心拉，T高，σs低，引起塑变形，松驰应力。第二阶段：表拉，心压。T低，σs高，不易引起塑性变形，应力保留。∴组织应力引起的残余应力状态为：表：拉应力，心：压应力。 零件沿最大尺寸方向伸长，最小尺寸方向收缩 热处理的残余应力是热应力，组织应力和附加应力在热处理过程中综合作用的结果。变形检验：简单检验法——红汞涂试样上，在平面上擦，可看出是凸、凹或不变形。3.附加应力——其他原因如表/心组织不均弹塑变形不一致 3、影响淬火应力的因素：（1）含C量V高CM＞V低CM→C%↑组织应力↑↑C↑，Ms↓→A残↑→组织应力↓综合效果：随C↑，热应力作用逐渐减弱，组织应力作用强→表面压力值↓，拉应力值↑，拉应力位置越来越靠近表面→↑淬裂倾向（2）合金元素（Me）：钢中加入Me后，热传导系数↓→热应力↑，组织应力↑多数Me使Ms↓A残↑→组织应力↓→热应力作用增强 （3）工件尺寸的影响（a）完全淬透情况：尺寸越大，截面温差大，尤其高温区温差影响大，热应力作用增强，→热应力型（残余应力）尺寸小，温差较小，热应力作用较小，应力特征为组织应力型。（b）不完全淬透情况：上述热应力和组织应力＋附加应力附加应力表层M，未淬硬部位为非M，表膨胀，表层受压，心拉，与热应力相似。∴工件尺寸越大，淬硬层越薄，热应力特征越明显 （4）原始组织同一T：VA＜VB＜VF＜VM，A→B，组织应力较小原始组织为P+Cm，Cm均匀分布，可减小淬火组织应力（球化退火）若Cm呈网状分布，淬火后组织应力↑。 （5）热处理工艺淬火介质冷却特性---影响残余应力状态中高温区快冷，Ms区缓冷可获热应力型分布Ms点附近冷速大，淬透，主要组织应力型为主合理的入水方式，零件与淬火介质之间相对运动，可使零件均匀冷却→降低淬火应力。回火可使淬火应力大幅度下降，甚至消除。 二、淬火变形（一）变形的基本规律热应力作用，表拉心压引起变形组织应力，表压心拉变形比容差：工件各部分均匀胀大或缩小，如组织转变同时VA、VM不同。 简单形状工件的热处理变形趋向 （二）变形的影响因素：1、淬透性高：变形复杂。两种应力协调变形低：热应力型2、Ms点高两应力可部分抵消3、组织均匀性C化物膨胀系数小，F膨胀系数大4、加热速度快，加热变形5、淬火温度加热T高，热应力引起变形大6、冷速大，温差大，变形大 通过变形趋势分析平板变形由何种应力引起？(热应力or组织应力？)喷水方向 （三）减小变形的措施1、合理选材，正确设计结构2、正确锻造和进行预备热处理3、采用合理的热处理工艺(温度、介质、方法) 1）避免尖角与棱角热处理零件结构的工艺性2）避免截面厚薄悬殊，合理安排孔洞和键槽 3）采用封闭、对称结构4）采用组合结构 （四）淬火变形的矫正变形在不大可以校正，开裂—报废。热压矫正-压力下冷却或接近Ms时加压A-塑如：压淬热点矫正－中小轴反击矫正–轴、杆冷压矫正---冷态压力机上。适用于硬度不高或淬硬层较浅的工件回火矫正—回火中加压薄片扁嘴钢锤压淬校直 三、淬火开裂（一）开裂原因：σ拉＞σb受压不易裂，σb压≥3σb拉残余应力以组织应力形式分布—易裂。热处理时应避免裂纹发生，提高成品率。 （二）影响淬火裂纹形成的因素：冶金因素（化学成份,原始组织，夹杂等）结构因素（截面大小，形状，有否台阶）工艺因素（加热规范，冷却，机加工质量，预先热处理）。1、冶金因素：（1）冶金质量气孔、疏松、砂眼、偏析、裂痕、白点、夹杂等缺陷———裂纹源 （2）化学成分①含C量C↑，板条M→孪晶M，淬火显微裂纹↑→↑淬火开裂倾向C↑，热应力作用↓，组织应力↑，表拉，↑开裂倾向。实践证明：Wc＜0.4%的钢，可以避免淬火裂纹 ②合金元素：作用复杂 （3）原始组织球状P淬火前理想的组织状态:Cm阻碍晶粒长大片状P，越细，淬裂倾向大(应力+Cm片割裂作用)C化物分布均匀，↓淬裂网状C化物，↑淬裂－－不允许重复淬火易开裂 2、尺寸、结构（工件形状）过大(淬不透)或过小（温差小），不易淬裂。存在危险尺寸，距表层一定尺寸处，易产生裂纹如：wc=0.3~0.55%，水淬时，淬裂危险直径：10~15mm。结构：截面有变化，易裂。尖角、棱角、凹槽→局部冷速急剧变化。薄部先A→M，厚部后A→M，使薄区受拉，交界处产生应力集中→→易产生裂纹 3、工艺因素加热T：高，易开裂冷速：650~550℃，快冷，抑A→P，热应力大Ms附近，冷速小，减小温差，组织应力小，减小开裂倾向。如：高速钢，“C”右，可油淬→减小开裂倾向等温淬火，分级淬火，双液淬火→减小组织应力预冷淬火→减小热应力，而抵消组织应力少∴减少变形，不减少开裂倾向。 工件加热和淬火时的放置方式 （三）常见裂纹形式轴径切 1、纵向裂纹零件表层附近，由表面裂向心部的深度较大的裂纹，平行轴向。组织应力引起。表层切向σ拉大▲易纵裂的几种原因：①完全淬透工件易产生，组织应力大。C%↑，纵裂倾向↑轴径切②危险截面尺寸范围（σ拉峰值），易纵裂。③轧制钢材中，夹杂、碳化物沿变形方向分布，易纵裂。在Ms点以下尽量慢冷可有效避免 2、横向裂纹、弧形裂纹。裂纹在σ轴作用下产生。在淬硬——未淬硬中间区域产生，由内→外断裂。热应力引起内应力分布：表压，离表面一定距离处，拉应力较大，且σ轴＞σ切。轴径切特点：1）横裂⊥轴向，由内→外断裂大型轴类零件常发生。一般在未淬透情况下形成，属于热应力引起。 （2）弧裂，形状突变处以弧形分布，热应力引起主要产生于工件内部或零件棱角、截面突变，尖角凹槽处，应力集中引起。一般也是在未淬透情况下，在淬硬--未淬硬中间区域产生，由内→外断裂。预防措施：（1）零件设计尽量减小截面厚薄悬殊，突变——设计合理；（2）淬火T不要过高，合适介质淬火，增加工件淬硬层深度。 3、网状裂纹（表面龟裂）特征：表面裂纹，深度较浅，0.01~1.5mm处。裂纹任意方向，相互连接构成网状，表面受两向拉应力，σ轴、σ切拉高C钢表面脱C易网裂。∴严格控制表面质量，尽量防止氧化脱C。轴径切 4、剥离裂纹表层很窄区域内，表面σ轴、σ切压，σ径拉，裂纹平行于零件表面。如：合金渗C钢外层：极细P+C化物　→次表层：M+A残→　心：细P+极细P次表层M膨胀，使表轴、切向压，径向拉轴径切 5、显微裂纹第二类应力引起原A晶界或M片交界高碳工具钢或渗碳淬火件过热时易出现 四、其它淬火缺陷1、氧化、脱C2、过热、过烧。过热：温度过高，晶粒粗大→性能显著↓。过烧：加热T接近固相线附近，晶界氧化和开始部分熔化现象。过烧组织包括晶界局部熔化，显微空洞，高速钢过烧出现鱼骨状共晶莱氏体等。 3、软点与硬度不足（1）加热T偏低，保温t不足，①原始P未完全→A。②A成份不均匀，不完全M+A残→软点（2）淬火介质搅动不充分，或浸入方向不对，延迟工件某些部位蒸气膜破裂，该处冷速低，出现P→软点。水蒸气膜比盐水稳定，易产生软点。④工件表面不清洁，如铁锈，C黑等，软点。 一、回火的定义与目的：1、定义最后工序组织变化淬火回火3-6回火温度时间 回火时组织变化马氏体回火马氏体碳化物的析出残余奥氏体的分解铁素体的回复和再结晶回火索氏体回火托氏体 2、目的：（1）消除大部分淬火时产生的残余内应力，改善材料的塑性、韧性。（2）获得良好的综合力学性能。（3）稳定组织。（4）M时效钢，高C高合金钢回火的目的可获得弥散硬化效应（时效硬化，二次硬化）。 回火时力学性能变化随回火温度升高硬度下降塑性、韧性上升。屈服强度先升后降，最高值在200℃左右出现；弹性极限先升后降，最高值在350℃左右出现；回火抗力二、回火温度的确定（温度的选择与应用） （1）低温回火（150～250℃）回火组织：回火马氏体,碳过饱和度降低的马氏体+析出碳化物力学性能：残余应力消除高硬度、高强度较低塑性和韧性 低温回火主要适用范围高碳钢制造的各类工模具、机械零件如锉刀T12160～180℃回火，～64HRC稳定性要求很高的工件可8～10h保温代替深冷处理渗C及CN共渗淬火后的零件低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A250～300℃ 量具刃具模具 （2）中温回火（350～500℃）回火组织：回火托氏体：铁素体+极细粒状渗碳体力学性能：较高的屈服强度,高的弹性极限，较好的塑性和韧性。适用：wc=0.6～0.9%碳素弹簧钢(T取下限)和wc=0.45～0.75%的合金弹簧钢(T取上限)回火托氏体 汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝 （3）高温回火（500～650℃）回火组织：回火索氏体：铁素体+细粒状渗碳体力学性能:高的塑性、韧性,较低屈服强度和硬度回火索氏体 适用：①主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢制造的各种机械结构零部件★结构钢淬火+高温回火，以获得综合机械性能为目的，称为调质处理,如发动机曲轴、连杆、螺栓，机床主轴等要求综合机械性能零件。40Cr 40Cr钢制造连杆螺栓热处理工艺 圆锥齿轮柴油机凸轮轴 ②高C高合金钢（如高速钢、高铬钢）的回火T的高达500～600℃，在这个T区间里将发生二次硬化作用。M回HRCT/℃560车刀铣刀钻头 ③高合金渗C钢18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A等渗C后淬火前也进行600~680℃的高温回火原因：1.A残多2.使渗C层中C化物部分析出并球化，降低硬度，便于切削加工， 三、回火时间的确定t回=t透烧+t组织转变及消应力消应力t至少30min，一般t回≮1小时t根据工件截面厚度而定，一般每25mm厚保温1~2h，回火T高时，可适当缩短。四、冷却：回火冷却方式一般为空冷。但对回火脆性敏感的钢，在高温回火后需要油冷或水冷。 五、回火注意事项（1）淬火硬化的工件都必须进行回火；（2）淬火后，工件冷到用手可以触模时就可以进行回火；（3）淬火后的工件当天回火;（4）高C高合金钢应冷透后再回火，以↓A残。（5）避免回火脆性区范围内回火. 六、回火缺陷1、硬度不合格2、回火后变形3、回火脆性4、网状裂纹 W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工车刀典型零件的热处理工艺 W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸造组织130W18Cr4V铸态组织420铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。 锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织210 球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状CmW18Cr4V球化退火组织420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图 淬火:1280℃;W18Cr4V淬火组织M+Cm+A残(20～25%) 三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。二次淬火＋碳化物析出 三次570℃回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18%。*第二次回火后A残约剩3～5%。*第三次回火后A残约剩1～2%。回火后的组织:M回+Cm+A残(1～2%)组织硬度为HRC65以上。二次淬火 W18Cr4V淬火+一次回火组织W18Cr4V淬火+三次回火组织 CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃冷处理140～160℃3h110～120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间量具'