5CrMnMo淬火裂纹的研究(7)

尺寸较大的工件，淬火冷却后表面看上去冷的差不多了，但其心部温度仍比较高，仍在进行着马氏体的转变。此时若将工件放入冷水中（特别在冬季的冷水中）清洗，等于在马氏体转变区域内加速冷却，产生的内应力将会增加，使工件发生开裂，这种裂纹仍为淬火裂纹。因此，工件必须完全冷透后再清洗。 9. 萘状断口与淬火裂纹

萘状断口是高速钢的一种常见缺陷。正常的高速钢断口是细陶瓷状，淬火过热的断口较粗糙，萘状断口则是一种具有特殊闪光、与萘的闪光相似的粗糙断口。产生萘状断口的钢，其显微组织的特点是奥氏体晶粒很大且不均匀，个别粗大晶粒尺寸可达0.1～1mm。

产生萘状断口的钢，其淬火、回火后的硬度和红硬性与正常断口的钢基本上是相当的，但机械强度明显降低，特别是韧性更低。有关资料介绍，通过试验表明：W9Cr4V2在1220℃三次淬火、560℃三次回火（产生严重的萘状断口）同1220℃一次淬火、560℃三次回火（正常断口）相比较，前者较后者弯曲强度降低25%，拉伸强度降低30%～35%，扭转强度降低40%，冲击韧度降低65%。

用高速钢制造的刀具一旦产生萘状断口，在淬火冷却时容易形成淬火裂纹，校直时易压断，使用中易崩刃和折断。

关于萘状断口的形成，通常发生在下面两种情况：一是钢在锻、轧等热塑性变形加工时的终了温度过高（1050～1000℃）时；二是重复淬火时没有经过中间退火或退火不充分造成。

防止萘状断口产生的措施应注意以下几点：①严格控制终锻温度，使其不高于1000℃。②锻件毛坯必须经充分退火。③返修的高速钢工件在重新淬火前必须进行充分退火， 退火后的硬度≤HRC28。 10. 脱碳与淬火裂纹

脱碳分完全脱碳（铁素体脱碳）和不完全脱碳，即保留一部分残余碳量的脱碳。生产现场中遇到的多是不完全脱碳。零件不管是在热处理前或淬火加热过程中，如果产生脱碳，则由于脱碳的表层与未脱碳的内部化学成分不同，因而在淬火时发生相变的时间就不相同，马氏体的膨胀量也不相同，这样就使零件内应力增大而容易产生裂纹。例如，当高速钢的含碳量为0.8%时，其Ms点为150℃；如果因表面脱碳使脱碳层的含碳降低为0.4%时，其Ms点为330℃。

在淬火冷却时，由于相变首先从脱碳层开始，当脱碳层的马氏体转变已经完成或正在大量转变时，其心部还没有开始转变，这时表层处于压应力状态。当工件温度降至150℃以下时，非脱碳的内部开始马氏体的转变，但此时脱碳的表层已经完成了马氏体的转变，表层比较硬，故难以产生塑性变形，此时表层处于强大的拉应力状态，很容易使零件发生开裂。某厂生产的W9Mo3Cr4V钢制内孔车刀热处理后产生了裂纹，将车刀横断面进行宏观腐蚀后检查，发现车刀四周均有严重脱碳层，其深度约为1.5mm左右。造成脱碳的原因是车刀在锻造后退火时产生的脱碳层未加工掉而在淬火时发生了裂纹。之所以断定系锻造退火时发生

的脱碳，是因为在同一盐炉中淬火加热的其他高速钢工件未发现脱碳现象。再说在盐浴炉中淬火加热中很少发现如此严重的脱碳事故。

另一工厂生产的柴油机气门弹簧在使用中发生疲劳裂纹，弹簧材料为50CrVAl钢丝，860℃淬火油冷，460℃回火，硬度为43～49HRC。对断裂的弹簧钢丝进行金相检查，发现有表面脱碳，而这种脱碳在原材料钢丝中并未发现，这说明弹簧脱碳是在热处理淬火加热时产生的。可见弹簧疲劳裂纹与表面脱碳有关，因为表面脱碳后使表层强度降低，容易发生疲劳裂纹甚至发展到疲劳断裂。

防止零件淬火加热时的脱碳有以下几方面的措施：①对进厂的各种原盐要进行严格检验，不符合技术标准要求的原盐不使用。②零件在盐浴炉中加热时，要认真脱氧捞渣，不要只脱氧不捞渣，因为炉底的渣子含有很多氧化物。③零件在电阻炉中加热要通保护气体或采用其他保护介质加以保护，以防脱碳。④工件表面如果已生锈或有氧化皮，淬火加热前要清除干净。⑤若毛坯件有脱碳层存在，热处理前要彻底加工去除掉。⑥在有条件的情况下采用真空炉进行淬火加热。

完全脱碳是专为一些特殊需要的零件而设计的。由于脱碳层软而韧，即便由于内层马氏体的膨胀使外层受到拉应力也不会出现裂纹，这样一来，内层的马氏体被包上了一层软的脱碳层，成为内层坚硬、外层又软又韧的状态，从而得到了耐冲击性非常好的零件。防弹钢板等零件就是通过这种先表层完全脱碳后再进行淬火的热处理方法得到的。

零件热处理裂纹的分析与对策（3）

哈尔滨第一工具厂（黑龙江 150020） 祝国华 战祥丽

11. 重复淬火与淬火裂纹

重复淬火容易产生淬火裂纹，这是因为重复淬火会使钢的晶粒粗化，同时重复淬火增加了淬火加热时的脱碳机会，脱碳到一定量时也容易发生淬火裂纹。马氏体的膨胀量随含碳量的增加而增大，因此，脱碳层的马氏体膨胀量比基体要小，这种马氏体膨胀量的差异也是引起淬火裂纹的原因之一，故重复淬火的工件更要注意防止脱碳。造成零件重复淬火的原因有如下情况：①淬火温度低，或虽然加热温度正常，但加热时间不足，造成淬火加热不够充分，致使淬火后硬度不足，只好重新淬火。②回火温度高且回火时间长，将淬火硬度合格的零件回火后硬度降低了。③淬火回火后的工件弯曲变形超差（特别是那些大型长棒形工件如拉刀等），且又无法使其达到合格，只好退火重新淬火后再校直。④产品混料。比如高速钢W18Cr4V钢与W9Mo3Cr4V钢混在一起，或产品跟单上标注的钢材与实际产品钢材不符。比如产品为W18Cr4V 钢，而产品跟单上写的是W9Mo3Cr4V钢，若按W9Mo3Cr4V钢淬火加热，淬火后W18Cr4V 钢的硬度必然低。

避免重复淬火的办法是针对上述不同原因采取相应措施，如严格按工艺文件规定的淬火加热温度和加热时间生产；保证控温仪表和加热设备始终处于正常运转；加强生产管理，不要造成混料、错料事件发生；零件重新淬火前必须进行退火处理，零件重复淬火只能进行一次；认真校直，避免出现返修品。 12. 渗碳与淬火裂纹

进行渗碳的零件，通常采用WC=0.1～0.25%的低碳钢。渗碳深度一般为0.5～2mm（根据零件的性能要求而确定），渗碳层的WC以0.9～1.1%为佳。零件渗碳后淬火，由于表面层含碳量高，其表面层能获得比内部大的马氏体膨胀量，使表面受压应力，从而防止了淬火裂纹的发生。但是当渗碳过度时反而容易引起淬火开裂，这是因为渗碳过度，渗碳层就会成为硬而脆的碳化物层，容易产生淬火裂纹。

过度渗碳还会出现网状渗碳体而导致晶界裂纹。再有渗碳若浓度不均匀时，则淬火时会发生不同的组织转变而引起裂纹。若渗碳后的冷却速度过快，在应力作用下也能引起裂纹，这种情况多发生在合金元素含量较多的渗碳钢件中。 13. 淬火加热炉与淬火裂纹

淬火裂纹与加热炉的关系也是很重要的，若淬火加热炉满足不了零件淬火加热的要求，会影响产品的质量。比如工件外形很大，而炉膛较小，在加热时工件外边沿距炉子加热体太近而造成工件外层边沿的过热，特别是那些带有尖角的零件，会因热效应更容易造成工件过热而发生淬火裂纹。根据生产实践，工件在盐浴炉中进行淬火加热时，工件的外边沿距电极的距离不得小于50mm，以防引起工件表面过热和不慎使工件接触到电极引起串电烧伤工件。如果加热炉的功率不够或电极长期使用变细变短等原因造成炉子升温缓慢，影响工件的加热质量，为保证工件加热充分，相应加热时间要延长，易引起工件的脱碳。加热炉的发热体（电极、电阻丝等）布置不合理或使用中部分损坏造成了炉温不均。再有淬火裂纹与加热炉的类型也有很大关系。最不容易发生淬火裂纹的是真空加热炉，因为真空炉是辐射加热，具有加热缓慢、炉温均匀、无氧化脱碳等优点，是一种不容易引起淬火裂纹的加热炉。

燃料炉多是以重油或液化石油气作为燃料的火焰加热炉，零件与这种火焰直接接触的部分常常发生过热，此外，使用这种燃料时从燃料中产生的氢气会渗入到钢件表面而产生脆性，助长了淬火裂纹的形成，这就是燃料炉淬火裂纹发生率高的原因，现在这种燃料加热炉使用的越来越少了。盐炉与电炉虽然不如真空炉，但比燃料炉要好得多，也比较经济适用，所以到目前为止，盐浴炉和电炉仍被广泛使用。不过我们应重视先进的真空热处理技术，在有条件的情况下，要采用和推广真空热处理。 14. 钢材质量与淬火裂纹

钢材中的非金属夹杂物、疏松、缩孔和气孔等缺陷使钢材致密性较差，非金属夹杂物强烈地破坏了钢的连续性，若非金属夹杂物成大块状存在其危害更大，是产生淬火裂纹的起源。另外，缩孔、气孔是应力集中的一些缺口，热处理时容易由此开裂。

钢中存在严重的碳化物偏析时，对钢材质量的影响非常大。这种情况多见于过共析高合金钢中，因该类钢成分的特点是组织中存在较多的二次碳化物和共晶碳化物，这些碳化物未经过压力加工（如锻造等）前呈明显的带状偏析，使钢产生很大的脆性，淬火时产生的内应力如不能为材料的塑性变形所低消和缓解时，便会引起淬火零件的开裂，裂纹多见于碳化物偏析最严重的地方。在高速钢中碳化物堆集处，颗粒较小的碳化物数量较少，奥氏体晶粒容易长大，故在正常温度下也会容易造成局部过热。碳化物级别过高，会使淬火奥氏体合金度不一致，从而造成工件在冷却时马氏体转变不一致性和不同时性，使内应力增加从而会引起淬火裂纹。

某厂在热处理一批W18Cr4V钢制齿轮滚刀时（规格为M10），1280℃油淬后发现有两件齿轮滚刀内孔壁产生了很深的纵向裂纹，沿裂纹剖开，其断面经腐蚀后，金相检查可见明显的碳化物宽带，碳化物不均匀度为9级，因此判定裂纹由此原因造成的。钢中若存在数量较多的大块角状碳化物时，淬火时粗大的角状碳化物对阻碍晶粒长大的作用小，使晶粒容易长大，从而容易引起钢的过热，强度降低，而产生淬火裂纹。

碳素工具钢和合金工具钢如因退火不佳而形成片状珠光体和网状碳化物等，容易使零件产生裂纹。这是因为网状碳化物使钢的强度和钢性大为降低。相同成分的钢，片状珠光体与珠状球光体相比较，前者较后者在较低的淬火温度下结束相变，因而在较低温度下其晶粒即开始长大，从而可引起钢的过热，强度降低。

防止因钢材质量不佳造成淬火裂纹，应做好如下几方面的工作： （1）对进厂的钢材一定要严格检验，不合格的钢材坚决拒之门外。 （2）“漏网之鱼”何时都有，不合格的钢材不能投入生产。

（3）对碳素工具钢和合金工具厂要进行良好的退火，防止网状碳化物的产生。

（4）对一些碳化物偏析比较严重的大规格、高合金工具钢工件，淬火前要对坯件进行镦拔锻造加工，使碳化物不均匀度得到良好的改善。

（5）对一些特大规格的高速钢刀具虽然进行了锻造，但碳化物偏析仍较严重，以及由于各种原因不能进行锻造加工来改善碳化物不均匀度的长棒形大直径刀具（如直径≥90mm的大规格高速钢拉刀等产品，其直径越大，碳化物偏析越明显），所以应在保证各项性能质量要求的前提下，应尽量采用比较安全合理的热处理工艺。

可按下面的工艺进行生产：

淬火：第一次预热550～600℃；第二次预热850～900℃； 高温加热（W18Cr4V为1270～1275℃，W9Mo3Cr4V为1225～1230℃，W6Mo5Cr4V2为1220～1225℃）。第一次分级冷却580～620℃；第二次分级

冷却400～450℃；等温冷却250～280℃。第一次预热时间不少于60min，第二次预热时间为高温加热时间的2 倍，两次分级冷却时间与高温加热时间相同，等温时间为60～120min。

回火：在第一次回火中，刀具等温冷却后空冷至50～60℃，然后放入250～300℃的盐浴炉中预热30min，再移入回火炉中缓慢升温至560℃保温60min，随后出炉在空气中缓冷至室温。冬季天冷要放入铁筒或空闲炉中缓冷至室温，及时进行第二次回火。因大量残余奥氏体基本上在第一次回火冷却过程中完成回火马氏体的转变，会产生很大内应力，为尽快消除这些内应力，应及时进行第二次回火。第二、三、四次回火前同样要进行250～300℃预热30min，以减少回火加热过快造成的应力，这是避免发生回火裂纹非常有效的措施。

15. 锻造与淬火裂纹

工件在锻造时会因各种原因如冶金缺陷，像非金属夹杂、缩孔及气泡等在锻造时均能引起裂纹。另外锻造时工件入炉时温度过高、升温太快、加热温度过高、锻造时变形太大以及变形不均、终锻温度过低及锻造后冷速过快等原因都能引起锻造裂纹，这些裂纹有的深藏在内部，有的暴露在表层。

有些锻造裂纹热处理前未被发现，但在热处理时扩展了，使工件在淬火工序发生了开裂。某厂曾有三件由254mm（10in）钢锭锻成的9Cr2钢轧辊，粗加工后辊身直径200mm；第一件在淬火时裂为两段，当即停止了另两件的淬火并进行分析。通过对两件未淬火的轧辊做超声波探伤，均发现内部缺陷严重，并集中分布在相当于钢锭冒口的一端。进行横向切片检查发现裂纹已扩展到接近轧辊的表面，并在心部发现有铸锭在凝固收缩时产生的孔洞。这样的钢件发生淬火开裂就不足为怪了。

零件热处理裂纹的分析与对策（4）

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16. 零件的形状与淬火裂纹

热处理零件的形状与淬火裂纹有密切关系，而零件的形状与设计有关。那些形状复杂、截面变化大、厚薄相关悬殊、带有尖角沟槽的零件，淬火冷却时会产生极为复杂的内应力，非常容易引起淬火裂纹。 对热处理来说，较好的形状应该是：截面变化比较均匀；不产生应力集中的区域，也就是无缺口效应。形状不好的零件，无论技术多么娴熟也很难完全防止淬火裂纹的发生。以下形状的零件淬火裂纹发生的概率非常大。

图4 和图5 为横截面急剧变化的淬火裂纹，图6 为尖角和孔穴处的淬火裂纹，图7 和图8为键槽的淬火裂纹，图9 为斧头薄刃处的淬火裂纹。以上零件之所以容易产生裂纹是因为发生裂纹的部位均属于应力集中区域，即尖角处和截面急剧变化的交界处。这些区域在淬火时，常由于应力过大而引起淬火开裂。

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