淬火裂纹缺陷的预防

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淬火裂纹是常见的淬火缺陷，产生的原因是多方面的。因热处理的缺陷是从产品设计开始的，故预防裂纹产生的工作应该从产品设计抓起。要正确地选择材料、合理地进行结构设计，提出恰当的热处理技术要求，妥善安排工艺路线，选择合理的加热温度、保温时间、加热介质、冷却介质、冷却方法和操作方式等。

一、正确进行产品设计

为预防淬火裂纹的产生，应依据产品的工作条件、使用要求、零件的截面尺寸等，正确地选择材料，合理地提出热处理技术条件，在结构设计上，尽量满足热处理工艺性能的要求。

1.材料选择

材料选择一般应从经济性和技术性两方面进行考虑。所谓经济性，即在满足性能要求的前提下，选择价格便宜、工艺性好、不易淬裂的钢种。而对于重要零件，从使用期和安全性出发，可选用较贵的、力学性能较好的材料。技术性主要是指零件的服役性和工艺性。零件的服役性指零件的受力状态及所需达到的力学性能:拉伸抗力、疲劳抗力、耐磨抗力、冲击抗力、耐蚀抗力等。通过热处理可使零件满足上述一项或几项要求。而零件的工艺性是为了进行加工和热处理，材料应有较好的可加工性和热处理性能，易于淬火，变形小，淬裂倾向性小。经济性和技术性二者常常是矛盾的，在满足技术性的前提下，经综合分析对比做出选择，将材料费用、加工费用以及管理费用结合起来，使总的制造费用最低。在满足上述条件下，还要考虑材料的淬裂倾向，从减小淬裂倾向出发，应注意以下问题。

1)碳是影响淬裂倾向的一个重要因素。碳含量提高，MS点降低，淬裂倾向增大。因此，在满足基本性能如硬度、强度的条件下，应尽量选用较低的碳含量，以保证不易淬裂。

2)合金元素对淬裂倾向的影响主要体现在对淬透性、MS点，晶粒度长大倾向、脱碳的影响上。合金元素通过对淬透

性的影响，从而影响到淬裂倾向。一般来说，淬透性增加，淬裂性增加，但淬透性增加的同时，却可以使用冷却能力弱的淬火介质以减少淬火变形的方法来防止复杂零件的变形与裂纹。因此，对于形状复杂的零件，为了避免淬火裂纹，选择淬透性好的钢，并用冷却能力弱的淬火介质是一个较好的方案。

合金元素对MS点影响较大，一般来说，MS越低的钢，淬裂倾向越大，当MS点高时，相变生成的马氏体可能立刻被自回火，从而消除一部分相变应力，可以避免发生淬裂。因此，当碳含量确定后，应选用少量的合金元素，或者含对MS点影响较小的元素的钢种。

3)选择钢材时，应考虑过热敏感性。过热较敏感的钢，容易产生裂纹，所以在选择材料时应引起重视。

2.零件的结构设计

零件在结构设计时，除要满足零件的使用功能外，还要注意其工艺性能。

1)断面尺寸均匀。断面尺寸急剧变化的零件，在热处理时，由于产生内应力而产生裂纹。故设计时尽量避免断面尺寸突变。壁厚要均匀。必要时可在与用途无直接关系的厚壁部位开孔。孔应尽量做成通孔。对于壁厚不同的零件，可进行分体设计，待热处理后，再进行组装。

2)圆角过渡。当零件有棱角、尖角、沟槽和横孔时，这些部位很容易产生应力集中，从而导致零件淬裂。为此，零件应尽量设计成不发生应力集中的形状，在尖角处和台阶处加工成圆角。

3)形状因素造成的冷却速度差异。零件淬火时冷却速度的快、慢随零件形状的不同而不同。即使在同一零件上不同的部位，也会因各种因素而造成冷却速度的不同。因此要尽量避免过大的冷却差异，以防止淬火裂纹。

3.热处理技术条件

1)尽量采用局部淬火或表面硬化。局部淬火或表面硬化就可满足使用性能要求者，不要整体淬火。淬火裂纹是同钢的马氏体相变联系在一起的，不淬火的部位不出现淬火裂纹。因此，只要能满足工作要求，应尽量减少淬火硬化的程度和部位，不必追求高硬度和整体淬火。

2)根据零件服役条件需要，合理调整淬火件局部硬度。局部淬火硬度要求较低时，尽量不强求整体硬度一致。

3)注意钢材的质量效应。在确定热处理技术条件时，对于所选定的钢种，不能以该钢种所能达到的最高硬度值作为图样上规定的技术条件。这是因为最高硬度值是用小试样测得的，同时每一个钢号的成分都是在一定范围变化的，因此，硬度值是一个变量。在实际生产中，尺寸较大的工件所能达到的硬度值，同标准或规范上的硬度值相差很大。因为追求最高硬度值需要用激烈冷却介质淬火，这样很容易形成淬火裂纹。以较高的硬度值作为技术条件，即使尺寸较小的零件也会使热处理工艺实施困难。在实际生产中需要根据工件的截面尺寸合理地确定切实可行的技术。

4)避免在第一类回火脆性区回火。一般钢硬度在53～57HRC时，所需的回火温度区(250～350℃)，正是产生第一类回火脆性的温度区。这时，并不能提高钢的冲击韧度。一般不应把这个温度范围作为零件热处理的回火温度范围。

二、合理安排工艺路线

当钢件的材料、结构和技术条件一经确定，热处理工艺人员就要进行工艺分析，确定合理的工艺路线，即正确安排预备热处理、冷加工和热加工等工序的位置。这是提高产品质量、提高效益以及减少热处理裂纹倾向的有效途径。

钢件淬火前的原始组织和应力状态对形成淬火裂纹有一定的影响。为改善应力状态，给淬火准备良好的原始组织，应当正确地对钢件进行预备热处理。对于形状复杂精度要求较高的零件，在粗加工与精加工之间，在淬火之前要进行消除应力退火;对于截面尺寸较大的高碳钢制件，应当通过增大淬硬层深度，即提高淬透性的办法来防止裂纹。所以在淬火前，要将工件进行正火处理并配以快速加热工艺，以获得较细的片状珠光体组织;为消除组织中网状碳化物，以获得细片状组织，必须进行正火处理;对于截面尺寸较小的高碳钢制件，预备热处理应当提供球状珠光体为宜，淬火前通常采用球化退火，以改善组织。

三、合理确定加热参数

在热处理生产中，对于加热介质、加热速度、加温、保温时间等加热参数的选择和设计，是保证不引起裂纹的主要因素。

1.加热介质

淬火裂纹与加热炉有很大关系。不同的加热炉在加热工件时发生淬裂倾向是不同的，因此，在选择加热介质时，应同钢件的重要性和价值联系起来，一般在满足性能要求的前提下，应尽量选择低成本的设备。

2.加热温度

加热温度是淬火工艺中重要的参数，对工件的性能有着决定的作用。同时，也是影响淬火裂纹的一个因素。实践证明，钢材的淬火加热温度不是一个固定不变的参数。一般来说，淬火加热温度通常需根据钢的临界点来确定，对于亚共析钢采用AC3+(30～50℃)，对于过共析钢采用AC1+(30～50℃)，这个选择方法称淬火加热温度选择原则。亚温淬火是亚共析钢在略低于AC3(5～10)℃的温度下奥氏体化后淬火，它可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。其淬火加热温度应接近AC3，以免出现过多铁素体而影响钢的强度。同时，由于淬火温度的降低，钢的淬裂倾向大大减小。对于低碳钢及中碳钢可适当提高淬火加热温度，以便淬火后获得较多的板条状马氏体或使全部马氏体呈板条状，使它们的韧性显著提高。对于高碳工具钢易采用低温淬火工艺，这有助于减少变形开裂，还可提高韧度，减少折断和崩刃，延长使用寿命。需要指出的是，选择淬火加热温度时，还应考虑到工件的形状，所选用的淬火介质等因素，一般而言，形状简单的工件，可采用上限加热温度;形状复杂、易淬裂的工件则应采用下限的加热温度。当选用冷速缓慢的介质，特别是选用热介质淬火时，应适当提高淬火加热温度。

3.加热速度

在不产生裂纹且变形程度在允许范围的前提下，尽量提高加热速度，以减少氧化脱碳，降低能耗，提高效益。碳素钢、低合金钢和中合金钢快速加热时均无产生裂纹的危险，快速加热不仅能提高生产效率，而且对防止钢件的淬火变形和裂纹起到良好的效果;对于大型锻、铸件、形状复杂的高锰钢铸件、不锈钢铸件、高速钢与高碳合金钢零件，塑性差，

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导热性不良，若加热速度过快，可能在钢件表面产生裂纹，这类钢不宜采用快速加热，相反这类钢应放慢加热速度，或采用中间预热措施，也可用微机控制的加热炉，在设定的加热速度的指令下按设定的加热曲线升温，这对于复杂形状高合金钢件的热处理质量提供了良好的保证。
4.保温时间
$ y- q- ?" C* v" s7 C保温时间是指在热处理时，工件热透或保证组织转变基本完成所需的时间。确定淬火温度下的保温时间，需考虑工件的厚度、工件在炉内的排布方式、是否预热、钢材的化学成分等诸多因素。一般来说，高合金钢、高速钢、高合金模具钢的淬火加热保温时间要适当延长，以保证碳化物的溶解和奥氏体化。其中高合金铬钢需要保温的时间最长。
四、选定合适的淬火方法
由C曲线的形状可知，工件淬火时为获得预期的马氏体组织，并不需要在其整个冷却过程中都快速冷却。而只是在C曲线的“鼻尖”附近(一般650～400℃)需要快速冷却。在其他区间尤其在MS点以下的马氏体转变区应尽可能地缓慢冷却。为了淬硬而又不淬裂，在“鼻尖”处应快冷，在马氏体区应慢冷。过冷奥氏体塑性高急冷到低温区也不会产生裂纹。对于多数工具钢而言，冷至120～150℃时，是最危险的温度区间，此刻应特别注意缓冷。总之，要根据零件的结构特点、技术要求，结合设备状况等多方面因素正确地选择淬火方法，以减少或者不发生淬裂事故。
: y# d- i8 x; F3 s& ?/ p1.预冷淬火
预冷淬火是淬火时零件先在空气、油、热浴(或渗碳气氛)中，预冷到略高于Ar3的温度后，再迅速置于淬火介质中淬火，又叫降温淬火或延迟淬火。淬火前的预冷，可以减少热应力，使工件变形和裂纹倾向减小，同时预冷淬火还可以增加大工件的淬硬层，提高机械零件的综合性能。
2.多介质淬火法
( B1 z3 g6 B; V& T4 B$ s9 k- T多介质淬火法，根据选用的淬火介质的不同，以及操作方法的特点可分为双介质淬火、三介质淬火等。双介质淬火是将加热好的工件先淬入冷却能力较强的介质，待工件温度降至C曲线“鼻尖”以下温度时，再淬入冷却能力较弱的介质中继续冷却，以获得马氏体组织。淬火时应根据钢的淬透性，工件形状尺寸，对变形的要求等来选定淬火介质。生产中大量采用的水—油淬火，多用于碳素工具钢及大截面的低合金工具钢的工件，即在高温区用盐水快速冷却抑制过冷奥氏体的分解，在低于400℃温度时，立即转入油中缓慢冷却，以减小淬火内应力，防止淬火裂纹。注意工件在第一种介质中的停留时间，是双介质淬火时至关重要的一个参数，在第一种介质中停留时间过长，就变成单液淬火法，起不到减小变形，防止裂纹的作用。若过早地置入第二种介质中则由于工件的温度尚高，介质的冷却速度又慢，在冷却过程中发生非马氏体型转变。对于高合金钢制件淬火时为减少裂纹，首先将工件在淬火油中冷却到一定温度(近于MS点)时，提出油面，在空气中冷却，这时由于热量尚多，致使钢件上的残油达到闪点温度而起火，由于大多数的油的闪点近于高合金钢的MS点温度，所以此法控制油中的停留时间是可靠的。对于形状复杂而变形要求又较严格的工件，有时双液淬火仍不能控制变形和裂纹，而需要采用冷却能力依次减少的三种淬火介质，称为三液淬火。此方法多应用于碳素钢制造的小型工件。
+ t( C( }1 h  L, S3.分级淬火
2 o' e0 }& s+ g分级淬火是将工件从淬火温度，直接快速冷却到MS点以上某一温度，经适当时间保温，使工件表面与心部的温度均匀后取出空冷，使工件在缓慢冷速下进行马氏体转变的淬火方法。这一方法可以有效地防止淬火裂纹。其主要优点是能够降低淬火零件的变形裂纹倾向。其次，与普通淬火方法相比较，MS点以上的分级淬火，能够保证工件强度、硬度相同的条件下，具有较高的韧性，特别是对低温回火的工件，冲击韧性的提高尤其显著。高碳高合金钢，一般淬火加热温度较高，而MS点又较低，用普通淬火方法可能产生较严重的变形和裂纹，如只用一次分级淬火难以避免较大的相变应力及热应力。因此，对于截面尺寸较大，形状复杂，易于变形和开裂的高速钢刀具要采用逐次降温的二次或三次分级的分级淬火方法。其温度选择一般为600～650℃，450～550℃和300～350℃等。
4 i# p& n4 n3 `0 z4 P4.马氏体等温淬火
3 g- w* ^& |! i2 B零件奥氏体化后淬入低于MS点以下50～100℃的热浴中等温保持，以获得马氏体的淬火方法称为马氏体等温淬火。这种淬火方法的冷却速度较分级淬火时快，故适用淬透性略低的钢种制造的零件，同时也可起到减少变形和防止裂纹的作用。其中以热油作为马氏体等温淬火的介质最方便，简单易行。在130～160℃的热油中淬火，能够在较缓慢的冷却速度中使奥氏体向马氏体转变，因而产生较小的内应力，变形裂纹倾向也较小。
5.特殊淬火法
3 t/ Q6 V2 Y! N9 C7 p4 F; d! u对于一些特殊工件则应采用特殊的淬火方法，如冲子、扁铲、模具等要用间断淬火法;大、中型锻模及某些大锻件的淬火则可以采用浅冷淬火方法等。
五、淬火介质的选择
淬火介质的选择与淬火方法密切相关。一般选择淬火介质应综合考虑以下因素。
0 p+ `" \3 i" `9 J: t1.零件特性　
钢的化学成分，工件截面尺寸，几何形状，表面粗糙度和表面状态，零件淬火时排列状况和密集程度。
2.淬火方式　
淬火槽液温度、搅拌速率、流向、溶液的浓度。
+ b7 M$ h( q( _4 C% N3.淬火介质的冷却能力　
) r+ j: b2 b+ R# ]# v" R. |: G不同的淬火介质其冷却能力是不同的，对零件产生淬火裂纹的影响也有所不同。在实际生产中，还需考虑对介质的冷却能力发生重大影响的因素，如介质的温度，搅拌程度，添加物等。
六、防止淬火裂纹的其他措施
1.及时回火　
有许多淬火工件裂纹，不是在淬火冷却过程中或冷却之后立即发生的，而是当工件从淬火介质中取出后经过一定时间后出现，短则几分钟，长则几小时。一方面是在室温放置过程中继续发生奥氏体向马氏体转变，实际上是淬火过程的继续。另一方面，工件中的淬火内应力，在室温放置过程中会重新分布，在应力集中处也可能引起裂纹。将淬火工件及时回火，不仅可降低淬火内应力，而且可以提高钢的破断抗力。因此及时回火，已成为防止裂纹的有效措施。
! t% R0 `6 l/ c8 ]2.局部包扎　
+ @) B* ], M5 f) ?; e; r' ~为了减小形状复杂工件薄壁处加热时过热，或在冷却时过冷，工业生产中常用铁皮或石棉绳等物包扎的办法来减缓薄壁处的加热和冷却速度，这也有利于防止淬火裂纹。
. Z8 o# }6 J: \& q七、其他热处理裂纹的预防
1.回火裂纹的预防　
5 b1 r0 [9 r) }0 J5 r! j1)回火加热速度不能太快。2)工模具在热处理前一定要将脱碳层切削净，在淬火过程中，要采取措施，预防脱碳层产生。3)回火冷却时采用缓冷。一般零件回火后采用空冷，大零件采用炉冷，特别是高速钢制造的大型工模具，回火冷却最好采用从回火温度浸入MS点稍高的炉中，保温一段时间后再进行空冷。
. ~6 K* Y- U6 g4 T5 m# [2.冷处理裂纹的预防　
- g) E$ z9 b' t2 k3 ]1 o6 t1)淬火工件凉透后再装入低温设备中。2)对形状复杂，薄厚相差悬殊的工件，冷处理前，宜将细薄部分用石棉包扎。3)冷处理后，待零件温度回升至室温后，立即进行回火和时效。4)对形状复杂的零件，淬火和冷却到室温后先在110～130℃保温30～40min的预回火，然后再进行深冷处理。