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大件淬裂案例--頂尖淬火開裂原因分析
2018-10-26 00:00:00 來源：大件淬裂案例--頂尖淬火開裂原因分析 點(diǎn)擊：2020 喜歡：0
萬能工具磨床用大頂尖，在一批80多個(gè)的淬火中，有幾個(gè)出水后聽見較大的異常聲響，有的直接發(fā)現(xiàn)了裂紋，有的磨削后裂紋才顯露出來。追溯頂尖熱處理的歷史，在不同批次的淬火中，每次出水后都能聽見異常聲響，隨后就會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)頂尖出現(xiàn)位置和特征相類似的裂紋.
如圖7-48所示
有的還出現(xiàn)了垂直于軸線完全斷裂的特征，如圖7-49（2）所示。
頂尖材料為T10鋼，加工路線為：下料→退火→機(jī)加→淬火→機(jī)加。
熱處理工藝要求為：780±10℃×15s，大端入鹽爐至2/3部分進(jìn)行局部加熱淬火，160℃×1h回火，硬度≥61HRC，用銼刀檢驗(yàn)頂尖硬度，打滑時(shí)說明淬火硬度合格。實(shí)際淬火加熱800±10℃×20min出爐后預(yù)冷5s左右，把加熱的2/3部分入CaCl2溶液30s左右淬火，然后全部入溶液浸兩下約1s出水。為了尋找頂尖淬火開裂原因，提高熱處理質(zhì)量，采用宏觀檢驗(yàn)、微觀檢驗(yàn)、掃描電鏡等方法對(duì)頂尖進(jìn)行分析。
1.檢驗(yàn)方法與結(jié)果
（1）宏觀檢驗(yàn)
經(jīng)調(diào)查可知，在幾乎所有出現(xiàn)裂紋的頂尖上，均出現(xiàn)縱、橫兩個(gè)方向的裂紋。沿軸線在表面相對(duì)位置各有一條細(xì)而長(zhǎng)的縱向裂紋，長(zhǎng)度在35mm～75mm之間，如圖7-48箭頭2所示；有的已裂至大端表面，如圖7-48（1）所示；對(duì)3個(gè)表面存在裂紋的頂尖用線切割機(jī)切取金相試樣，發(fā)現(xiàn)縱向裂紋已裂至零件中心且互相連接，有明顯的中間粗兩邊細(xì)特征，如圖7-48（2）所示；用鎯頭輕輕敲擊試樣，沿縱向形成縱劈，斷口成木紋狀，近中心的凹槽應(yīng)是縱裂的源區(qū)，如圖7-50（1）所示。離大端1/3左右的縱向裂紋兩側(cè)有沿圓周一圈垂直于軸線并和縱向裂紋相交的弧形裂紋，如圖7-48箭頭1所示?；⌒瘟鸭y在工件心部和縱向裂紋相連，從里向外由粗變細(xì)，縱向裂紋明顯粗于橫向，如圖7-49（3）所示；有的已完全開裂形成橫斷特征，斷裂面比較平齊，無明顯的塑性變形，中心附近有收斂于一點(diǎn)的放射狀花樣，放射點(diǎn)應(yīng)為橫斷的源區(qū)，如圖7-50（2）所示。從以上特征可以推斷，頂尖開裂主裂紋是縱向且起裂于工件中心，說明工件心部顯微組織或原材料存在著缺陷。橫截面斷口熱酸蝕后，參照GB1979-80宏觀低倍缺陷評(píng)定為中心疏松2級(jí)。橫斷背面中心的裂紋，應(yīng)為未露出表面的縱裂，如圖7-50（3）所示。
（2）微觀檢驗(yàn) 對(duì)包含縱、橫兩個(gè)方向裂紋的試樣進(jìn)行制備，觀察未侵蝕的表面，縱向裂紋開口度明顯比弧形裂紋粗。根據(jù)GB/T10561-2005，在縱、橫兩個(gè)截面裂紋兩側(cè)分別觀察3個(gè)視場(chǎng)，通過測(cè)量夾雜物大小及長(zhǎng)度，對(duì)非金屬夾雜物評(píng)定為A1.5、C1.5、D1e、DS1.5。
對(duì)3個(gè)破損頂尖解剖并制備試樣，宏觀可以看到中心有不同大小的灰白色區(qū)域，
如圖7-51所示。顯微組織極不均勻，表面有極薄馬氏體層，從表至里依次為馬氏體+殘余奧氏體→托氏體+少量粒狀碳化物→心部為細(xì)片狀珠光體+大量粒狀碳化物。光鏡下灰白色區(qū)域碳化物聚集嚴(yán)重，存在棱角狀碳化物，過剩二次碳化物呈斷續(xù)網(wǎng)狀，部分呈針狀向晶內(nèi)伸展，
如圖7-52所示。橫截面上縱裂紋末梢沿網(wǎng)狀碳化物擴(kuò)展，周圍的晶粒特別粗大，斷續(xù)網(wǎng)狀碳化物顯示了晶粒的大小，在顯微鏡100×下裂紋兩側(cè)晶粒度評(píng)為1.5級(jí)；500倍下和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較，網(wǎng)狀碳化物評(píng)定為3級(jí)，
如圖7-53所示。根據(jù)GB1298-86《碳素工具鋼技術(shù)條件》“截面≤60mm的碳素工具鋼以不大于2級(jí)網(wǎng)狀為合格”，顯然頂尖中心的網(wǎng)狀碳化物已不符合標(biāo)準(zhǔn)。縱截面上的碳化物有帶狀特征，塑性夾雜物沿帶狀分布，縱向裂紋和帶狀方向相同，如圖7-54所示。
（3）淬硬層深度的測(cè)定 用顯微硬度法測(cè)定淬硬層深度，結(jié)果如表7-5?？煽闯觯阌矊訕O薄。
表7-5 頂尖表面淬硬層深度HV0.1kg
離表面距離(mm) | 0.38 | 0.44 | 0.50 | 0.56 | 0.63 | 0.69 | 0.75 |
顯微硬度值(HV) | 743 | 824.2 | 781.8 | 835.4 | 713.0 | 572.0 | 527.8 |
（4）掃描電鏡分析 通過掃描電鏡對(duì)縱、橫截面進(jìn)行檢驗(yàn)，源區(qū)斷口具有準(zhǔn)解理特征，孔洞有可能是疏松，也有可能是熱酸蝕時(shí)非金屬夾雜物脫落所形成并沿晶界分布，如圖7-55所示。
2.分析與討論
（1）原材料的影響 由宏觀、金相檢驗(yàn)可知，頂尖中心原材料存在著疏松、非金屬夾雜物等缺陷組織。原材料中疏松、非金屬夾雜物的存在，割裂了基體的連續(xù)性，使有效承載面積減小，在缺陷的尖角處還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使隨后熱處理淬火出現(xiàn)裂紋的機(jī)率增大。
（2）不均勻碳化物的影響 由金相檢驗(yàn)可知，顯微組織極不均勻，心部碳化物聚集比較嚴(yán)重，有帶狀、斷續(xù)網(wǎng)狀、針狀和多角狀。帶狀碳化物的存在，與原材料化學(xué)成分偏析程度有關(guān)。因?yàn)殇撳V最后凝固區(qū)，是合金元素及硫磷等雜質(zhì)富集的地方，也是碳化物和非金屬夾雜物最為聚集的區(qū)域，它和非金屬夾雜物一樣，都會(huì)降低工件的有效受力面積。隨著碳化物帶狀偏析的加劇，高低碳帶之間的顯微硬度差增大，熱處理裂紋敏感性增強(qiáng)，還將影響工件的接觸疲勞壽命。斷續(xù)網(wǎng)狀、針狀這種呈魏氏組織分布的碳化物是鍛后空冷時(shí)已經(jīng)形成的，在后續(xù)熱處理球化退火和淬火時(shí)是很難消除的，多角狀碳化物是原材料退火溫度過高造成的。網(wǎng)狀、針狀、多角狀碳化物以及粗大晶粒的存在，嚴(yán)重減小晶粒間的結(jié)合力，割裂基體的連續(xù)性，增加應(yīng)力集中傾向，鋼的脆性明顯增大，脆斷強(qiáng)度大大降低，裂紋傾向顯著增加。
（3）淬火應(yīng)力與心部組織的影響 由宏觀檢驗(yàn)可知，頂尖的裂紋形式應(yīng)屬于縱劈和橫斷。這是因?yàn)轫敿獯慊鹄鋮s后期，外層金屬先于內(nèi)部冷至低溫，這時(shí)，內(nèi)部的溫度不同程度的高于外層，當(dāng)心部隨后繼續(xù)冷卻時(shí)，因體積收縮受到外層金屬的強(qiáng)力約束，在中心部分產(chǎn)生三向拉應(yīng)力。根據(jù)實(shí)際熱處理工藝可知，頂尖整體加熱溫度過高，保溫時(shí)間過長(zhǎng)，生產(chǎn)中為了獲得較高的硬度，淬火時(shí)采用了冷卻能力較強(qiáng)的CaCl2水溶液，加大了零件截面內(nèi)外溫差，淬火時(shí)心部又未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此淬火冷卻后頂尖心部所受拉應(yīng)力是溫差引起體積收縮所形成的熱應(yīng)力型三向拉應(yīng)力。金屬在三向拉應(yīng)力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。而頂尖中心粗大的網(wǎng)狀碳化物、疏松及非金屬夾雜物，嚴(yán)重削弱了鋼的抗斷強(qiáng)度，成為工件開裂的萌生處和裂紋的擴(kuò)展路徑；淬火時(shí)心部所得到的片狀珠光體，也使心部金屬?gòu)?qiáng)度大大降低，因此頂尖淬火時(shí)當(dāng)熱應(yīng)力中的切向和軸向最大拉應(yīng)力超過材料的脆斷強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生了低應(yīng)力脆性斷裂，形成縱劈和橫斷。而且熱應(yīng)力型三向拉應(yīng)力的最大值，主要作用在零件的截面中心處。
（4）工件尺寸的影響 由淬硬層測(cè)定結(jié)果可知，頂尖淬硬層深度與其直徑之比很小，根據(jù)形狀尺寸其符合短圓柱式大型非淬透件的條件。在各種材料制造的短圓柱式大型非淬透件中，以碳素工具鋼件的淬裂傾向最大。
3.結(jié)論
綜合以上分析可知，頂尖淬火開裂具有熱應(yīng)力型殘余應(yīng)力引起大型非淬透件縱劈和橫斷的特征，主要是頂尖中心部位存在著疏松、非金屬夾雜物以及網(wǎng)狀碳化物引起的，而中心帶狀碳化物和細(xì)片狀珠光體加速了裂紋的擴(kuò)展。有可能是下料時(shí)，料頭切的太少，導(dǎo)致少量存在較多缺陷的工件在淬火時(shí)發(fā)生開裂。
