渗碳淬火零件表面磨削裂纹及其与热处理工艺的关系

、一失效分析一渗碳淬火零件表面磨削裂纹及其与热处理工艺的关系李光瑾，叶俭，祝兵寿，陈德华，哈胜男，祖庆川，王伟1上海市机械制造工艺研究所有限公司，上海200070，2常州减速机总厂有限公司，江苏常州213149摘要渗碳淬火零件磨削后表面往往出现裂纹，即所谓的“磨削裂纹”。严格地讲，这种裂纹是在磨削过程中产生的。裂纹的形态有网状、长条状、星状等。磨削裂纹的产生与材料的内在质量、磨削工艺、热处理工艺、零件表层的性质与结构密切相关。简述了氢脆和磨削裂纹的预防问题。关键词磨削裂纹；热处理工艺；氢脆中图分类号TG157；TG5806文献标识码B文章编号100816902010040068007GRINDINGCRACKSFORMEDINTHESURFACESOFCARBURIZEDANDHARDENEDPARTSANDTHEIRDEPENDENCEONHEATTREATMENTPROCESSLIGUANGJIN，YEJIAN，ZHUBINGSHOU，CHENDEHUA，HASHENGNAN，ZU0INGCHUANWANGWEI1SHANGHAIMACHINEBUILDINGTECHNOLOGYINSTITUTECO，LTD，SHANGHAI200070；2CHANGZHOUGENERALSPEEDREDUCERFACTORYCO，LTD，CHANGZHOU213149，JIANGSUABSTRACTTHECRACKS，THATIS，SOCALLEDGRINDINGCRACKS，APPEARFREQUENTLYONTHESHIACCSOFCARBURIZEDANDHARDENEDPARTSAFTERBEINGGRINDEDINTHESTRICTSENSE，THISTYPEOFCRACKSFORMSINTHECOHRSEOFTHEGTINDING，ANDAPPEARSINTHEFORMOFNETWORK，STRIATION，STARANDSOONTHEFORMATIONOFGRINDINGCRACKSISCLOSELYRELATEDTOINHERENTQUALITYOFMATERIAL，GRINDINGPROCESS，HEATTREATMENTPROCESSANDCHARACTERANDSTRUCTUREOFPARTCASEINADDITION，PROBLEMSINVOLVINGHYDROGENEMBRITTLEMENTANDPREVENTIONOFGRINDINGCRACKSHAVEBEENBRIEFLYDESCRIBEDASWEL1KEYWORDSGRINDINGCRACK；HEATTREATMENTPROCESS；HYDROGENBRITTLENESS机械零件主要用钢制造，其最终表面质量对零件运行的精准和可靠性有至关重要的影响。在机械零件的各种加工工艺中，凡精度要求高的零件的表面一般粗糙度RA值为6302IXM，均需进行磨削加工，更光洁的表面需采用包括磨削在内的超级加工工艺。据统计，在零件所有的机械加工工序中，用磨具完成的约占80。机械零件表面改性处理，是通过改变零件表层的化学成分与组织，获得一定深度的改性层，来显著提高零件表层的耐磨性能和抗疲劳性能等。与此同时，因零件表层成分、组织和性能的改变，有时也在零件表面的最终磨削加工中暴露出一些问题。本文仅以渗碳、淬火并低温回火的钢质零件为对象，探讨其表面磨削裂纹及其与热处理工艺的关系。1钢件渗碳一淬火后表面磨削裂纹的特征用于渗碳的钢种主要是低碳低合金结构钢，零件经渗碳一淬火一低温回火处理，其表面在最终的磨削加工过程中，有时会出现裂纹，裂纹形貌有以下几种。11网状裂纹20CR钢凸轮经渗碳一整体淬火一低温回火后，零件表面在磨削后的荧光磁粉探伤时，发现网状分布的磁痕见图1，解剖后表层裂纹深度014018MM见图2。另一20CR钢零件渗碳一中频感应淬火一低温回火后，表面在磨削后荧光磁粉探伤时，也发现网状分布的磁痕图略。解剖后表层裂纹深度015022MM见图3。收稿日期20091013作者简介李光瑾1945一，男，湖南桃源人，教授级高级工程师，长期从事材料技术热处理技术和理化测试技术等方面的工作。已发表论文数十篇，主编、参编专著数册。联系电话02156977377X831，EMAILXGJSIMBT126CORN68热处理2010年第25卷第4期图1表面网状裂纹形态8FIG1NETWORKCRACKSONSURFACE8图2表层裂纹形态1O0FIG2CRACKSINCASEX10012长条状裂纹20CR钢凸轮经渗碳一淬火一低温回火后，表面在磨削后的荧光磁粉探伤时，沿磨削方向出现长条状分布的磁痕见图4、图6。解剖后表层裂纹形态各异，深度035045MM见图5、图7，表面有约0004MM的二次马氏体见图8。I0050图3表层裂纹形态及二次马氏体FIG3CRACKSANDSECONDARYMARTENSITEINEASE图4表面长条状磁痕形态X4FIG4MAGNETICPARTICLEMARKSONSURFACEX4图5表层裂纹形态X100FIG5CRACKSINCASEX10013平行线状裂纹17CR2NI2MO钢齿轮，经渗碳一淬火一低温回火后，在磨削后的轮齿表面着色探伤时，轮齿的一个侧面发现多条与磨削方向垂直分布的平行色痕见图9，为近似平行分布的磨削裂纹。凿岩机冲击器活塞，材料为18CRMNNI2MOA钢，经渗碳渗层深度2530MM，碳浓度075一图6表面磁痕形态X4FIG6MAGNETICPARTICLEMARKSONSURFACEX4图7表层裂纹形态10OFIG7CRACKSINEASEX100085一整体淬火一低温回火处理，表面硬度5862HRC，心部硬度3842HRC。磨削后虽未发现裂纹，但在运行中活塞表面因强烈摩擦，出现若干与活塞运行方向垂直的平行分布裂纹。图10为表面裂纹形貌，图L1为表层裂纹形态。热处理2010年第25卷第4期69图8图4表面层的二次马氏体X500FIG8SECONDARYMARTENSITEINCASEINFIG4X500图9轮齿侧面的磨削裂纹色痕FIG9GRINDINGCRACKMARKSONTOOTHSIDE图10表面裂纹形态FIG10CRAKSONSLLLACE图11表层裂纹形态及二次马氏体X20FIG11CRACKSANDSECONDARYMARTENSITEINCASEX2014星状裂纹20CR钢零件，渗碳一淬火一低温回火后，表面在磨削后荧光磁粉探伤时，磨削表面出现星状裂纹，见图L2，表层裂纹形态及二次马氏体见图13。2渗碳一淬火件表面磨削裂纹产生的原因渗碳淬火件表面磨削加工出现的“磨削裂纹”，严格地讲是在磨削过程中产生的裂纹。磨削裂纹的产生，受到包括材料的内在质量、毛坯的锻造状况、图12表面磁痕形态FIG12MAGNETICPARTICLEMARKSONSURFACE图13表层裂纹形态及二次马氏体X100FIG13CRACKSANDSECONDARYMARTENSITEINCASEX100热处理技术要求以及工艺控制、机械加工工艺及装备等多种因素的影响。本文仅探讨热处理工艺过程对渗碳淬火件表面磨削裂纹产生的影响。21渗碳工艺过程控制不当表面出现粗大及网状碳化物气体渗碳时，若炉气氛碳势控制失稳偏高，或强渗期与扩散期比例不当强渗期扩散期比例过高时，钢件表面易出现网状见图14或块状见图15碳化物，经淬火一低温回火后，若磨削工艺不当，则磨削表面会产生很高的磨削应力与摩擦热，极易在网状碳化物或块状碳化物开口处形成裂纹图14渗碳层中的网状碳化物X600FIG14NETWORKCARBIDEINCARBURIZEDCASEX50022残留奥氏体的影响以重载齿轮为例，其材质多为含CR、NI、MO、TI等元素的高强度渗碳钢，如17CR2NI2MO、20CRNI2MO等。JBT614131992重载齿轮渗碳金相检验标准70热处理2010年第25卷第4期图15渗碳层中的块状碳化物500FIG15MASSIVECARBIDEINCARBURIZEDCASEX500规定，经渗碳淬火后，渗层组织为隐晶或细针状马氏体少于30的残留奥氏体。实际生产中残留奥氏体量的控制是比较困难的。对于残留奥氏体的影响，文献2在收集20世纪90年代中期国内外研究成果的基础上，对渗碳淬火后零件表层中残留奥氏体的影响曾做过比较系统的评述。残留奥氏体的益处20CRNIMO钢存在2030的残留奥氏体、12CRNI3钢存在40的残留奥氏体时，明显改善拉伸弯曲应变值；FE5CR一112C钢中马氏体量超过70时，显微裂纹倾向增大，而如果有1015的残留奥氏体存在，有助于降低这种开裂倾向；50以下的残留奥氏体可以增加接触疲劳应力和压应力；只要硬度不低于57HRC，在渗碳直接淬火的齿轮中希望有1530的残留奥氏体；在加工硬化的条件下，少量的残留奥氏体转变为细小马氏体，有利于抗表面裂纹，而不是促进表面裂纹。由此得出结论对于大部分渗碳齿轮，渗碳层表面含有1020的残留奥氏体，在某些情况下达到25，不是有害而是有益的。残留奥氏体的害处影响零件的硬度和尺寸稳定性；残留奥氏体转变为未回火的马氏体，在加工硬化或暴露在极冷的环境中将引起表面拉应力；残留奥氏体作为一种软组织，易引起轮齿过早的滑动和滚动磨损，引起齿面产生凹坑和剥落；渗碳表面存在过多的残留奥氏体，会引起磨削裂纹，等。据文献3报道，残留奥氏体是渗碳淬火组织中的重要组成相，然而也是迄今为止它是有利还是有弊尚未形成统一认识的显微组织。国内外有不少学者在对钢件渗碳淬火后渗层中的残留奥氏体及其影响做过很多研究，普遍认为其对性能的影响是利弊共存，利大于弊。在研究残留奥氏体的影响时，少有它对后续磨削加工产生裂纹23磨削工艺不当致裂应该看到，磨削工艺及其装备的运行状况，例如磨削进给量、冷却液、磨具特性、在冷却液影响下磨具特性和磨削过程的变化等，对零件表面质量有直接影响。如图3、图8、图11、图13所示，源于磨削工艺参数不当，包括磨削进给量较大，砂轮粒度偏细，砂轮气泡率较低，冷却液浓度及压力对排屑及冷却效果的影响。此外，还有一些促使工件产生磨削裂纹的因素，如齿轮渗碳淬火后出现的不可避免的体积畸变，齿轮渗碳淬火前后多道加工工序装卡定位的累计偏差，砂轮与渗碳淬硬的表面往往先是局部表面发生强烈摩擦，产生变质层，留有严重的表明磨削烧伤的深蓝色色带见图16，磨削裂纹集中分布在深蓝色色带上，浅表层出现约002MM的二次马氏体，表面硬化层的局部软化现象。图16磨削表面的磨削烧伤与裂纹FIG16GRINDINGBURNANDGRINDINGCRACKSONGROUNDSURFACE从图3、图7、图11还可以看出，由于磨削工艺不当，砂轮对磨削表面产生较大的辗压力，从而使裂纹的末端在渗碳淬硬层的次表层出现分叉现象。24氢脆致裂241渗碳淬火后表面因“氢脆”致裂的若干观点渗碳淬火后的零件，在磨削过程中产生的裂纹，有表面“氢脆”之说，认为在渗碳的同时，有氢渗入渗碳层中，在磨削时因氢脆而致裂。文献4较早提出了氢脆是一种渗碳缺陷，认为是渗碳时，炉气中的氢向钢中扩散，直接淬火时来不及析出，以过饱和状态存在于钢中而导致氢脆，氢脆仅出现于18CR2NI4W等高合金钢中。应注意，这里系指渗碳后“直接淬火时”。文献5采用凡士林液浸泡的方法，检测了9件经渗碳、渗碳淬火等工艺处理的样品，以产生气泡的多少来判别表面吸氢量。渗碳高温回火、渗碳盐浴加热淬火的均无气泡。文献6对氢进入钢中的氢陷阱概括为吸引陷阱、物理陷阱和混合型陷阱，以激活能大小分为低温、中温和高温陷阱，并将各种陷阱归为可逆和不可逆两类。认为在气体渗碳中伴随有渗氢的过程，渗氢量与工艺有关。高温时氢分布比较均匀，淬火后氢要进入各种陷阱，有一个延迟迁移偏聚的过程，应热处理2010年第25卷第4期71力越大越易引起氢的迁移偏聚。及时回火不仅使淬火马氏体转变为回火马氏体使应力下降，而且促进了氢的逸出。如果组织均匀，陷阱少，逸出通道较多，逸出效果就越好，必要时应适当延长回火时间。文献7将齿轮渗碳淬火后表面的黑色组织、过量的碳化物与碳氮化合物、表面缺陷如塑性变形和磨损、过热的显微组织、心部组织缺陷如带状组织、较多的铁素体、氢脆剥落等列为齿轮失效的主要原因，并认为碳氮共渗工艺比渗碳工艺更容易产生氢脆断裂。齿轮表面在碳氮共渗一淬火时，因含氮量的显著提高，残留奥氏体量增多，在奥氏体不再稳定的某些区域，它会转变成马氏体。但马氏体却不能使大部分氢保留在固溶体中，这样产生的应力就可能引起裂纹。文献8以车辆缓冲器零件的试样中氢含量来说明气体渗碳过程的渗氢。零件材料为20CRMNMO钢，试样渗碳后未淬火、回火的含氢量达0000300005，认为通常钢中含氢量在0000100002就足以使屈服强度大于1000MPA的钢致脆。242对渗碳淬火后表面氢脆致裂的讨论气体渗碳的原料有异丙醇、天然气、丙烷、航空煤油等，在高温下裂解形成C的同时，还产生较高的H含量，几种渗碳剂高温裂解后的H含量见表L。从表1可见，气体渗碳炉气中的氢分子和氮分子的体积分数确实较高，但气体渗碳或碳氮共渗过程中是否渗氢，氢的渗入机制和作用如何，有待深入研究。表1几种气体渗碳法的炉气基本成分体积分数，TABLE1COMPOSITIONOFCARBURIZINGATMOSPHERES在目前为数不多的研究和失效分析资料中，涉及气体渗碳或氮碳共渗过程中“渗氢至氢脆”的时候，一般都缺少渗层含氢量数据，有的资料氢含量以M1O0G表示，但其含义不明确，如仅限于渗碳层还是包括试样本体的重量，对于较深的渗碳层，氢在深度方向是均匀分布还是呈梯度分布，均未见说明。还有的将电镀层的含氢数据搬到气体渗碳上，有的甚至将尚未弄清的磨削裂纹形成原因简单地推理归结于“氢脆”。有资料认为渗氮过程也会“渗氢”，渗氮后的裂纹与氢脆有关。零件气体渗碳后，除直接淬火外，一般均为渗碳降温出炉，有的还需要增加一次高温回火，然后重新加热淬火或局部感应淬火和低温回火。文献10列出了国内外19份标准，对电镀、磷化、酸洗、电化学处理后的除氢工艺作了规定，除氢温度为93230，除氢时间18H不等。且不说渗碳淬火后的低温回火温度与电镀后去氢的温度区间重叠，回火时间较去氢时间更长，淬火加热的高温仍不足以除氢值得商榷。为验证渗碳时的渗氢，笔者用3种钢材制成4,5MM试棒，经两种工艺渗碳后，通过TCH600氮氢氧联合测定仪检测，未检出有氢的渗入。测试结果见表2。表23种钢材经气体渗碳后的含氢量TABLE2HYDROGENCONTENTSINTHREETYPESOFSTEELAFTERGASCARBURIZING热处理2010年第25卷第4期3渗碳一淬火件表面磨削裂纹的预防31强化对渗碳工艺过程的控制以防止出现粗大及网状碳化物现代气体渗碳已基本实现渗碳工艺过程的碳势自动控制，以0、CO、CO、CH等为控制对象，选取单因素或多因素控制炉气碳势。在实际渗碳生产中，如果炉气碳势C偏高，强渗期扩散期比例偏大，均易产生这样的后果。此外，将长时间的一段强渗期改进为脉动式强渗期，对控制表层碳浓度也是一种有益尝试。对于不同的渗碳钢，应采用有针对性的值。美国齿轮协会的AGMA923一B05钢质齿轮的冶金规范，推荐了不同合金元素含量的齿轮钢和不同强度等级的齿轮渗碳后的表层碳含量CS目标值见表3值得借鉴。据了解，不少齿轮的渗碳工艺过程中，C设定较高，加之强渗期与扩散期比例控制不当，导致齿轮表面碳浓度偏高。表3CS与合金元素含量的对应关系TABLE3CSVALUESCORRESPONDINGTOALLOYELEMENTCONTENTSINSTEEL应该指出，对于重载齿轮深层渗碳，由于要求有效硬化层深，渗碳层深度常在4MM以上。在此情况下渗碳零件的浅表层约020MM以内可能含有超出技术标准要求的碳化物，但该深度在齿面的磨削余量范围之内，出现这种情况，磨削工序应根据金相检验结果调整磨削工艺参数，以获得合格的齿轮产品。32残留奥氏体的控制对于残留奥氏体，一般应从以下几个方面加以控制坦J控制表面碳含量，碳浓度越高，残留奥氏体量越高，但其最高含量不出现在最表面，而是距表面0104MM的次表层；渗碳后进行高温回火；控制渗碳零件的淬火温度淬火温度越高，保温时间越长，碳化物溶解越多，淬火后的残留奥氏体量越多；冷处理；抛丸强化以产生一定量的塑性变形使残留奥氏体向马氏体转变，增大表面压应力，提高零件的疲劳强度等。残留奥氏体还可以通过正火消除，或通过先高文献13认为，齿轮渗碳淬火后，其表层组织应为隐晶或细针状马氏体加少量残留奥氏体。在重载齿轮的硬化层组织中应严格控制残留奥氏体量。实践证明，煤炭行业渗碳淬火齿轮残留奥氏体的含量以小于20为宜，相当于重载齿轮渗碳金相检验标准中的13级。超过此值，对工作在高接触应力下的轮齿的接触疲劳强度有不利的影响，易引起齿面剥落，或造成磨齿时形成磨削裂纹。为了使残留奥氏体转变，将齿轮渗碳淬火后进行冰冷处理一75、115H是可行的，再经180200回火，以消除应力。冰冷处理后，在正常磨齿条件下一般在齿面不会发生磨削微裂纹，而齿面的压缩应力不变。实践证明，18CR2NI4W和20CR2NI4钢齿轮渗碳淬火后进行冰冷处理，降低残留奥氏体量和防止产生磨削微裂纹的效果是显著的。但文献14指出，12CRNI3MOA钢和20CRNI3A钢经渗碳和不同工艺处理后，就其疲劳强度而言，渗碳后直接淬火的最低，渗碳后重新加热淬火的次之，渗碳、重新加热淬火再冷滚压加工者最佳。33实施与热处理结果相配合的磨削工艺企业中零件的渗碳淬火与磨削分属于冷、热加工部门，就机械装备的制造而言，是整个制造系统中的不同环节，只有相互问互补，才能顺利完成制造任务。渗碳零件的制造流程较长、成本较高，任何环节的失误，都将造成较大甚至是重大损失。如上所述，磨削裂纹是在磨削过程中出现的裂纹，多数情况下磨削工艺不当是产生裂纹的直接原因，即磨削这一“外因”，通过渗碳淬火遗留的某种“内因”起作用，导致磨削时出现裂纹。究竟是何种因素致裂，通过失效分析可以基本得以明确，随后再采取有针对性的整改措施。34深入开展对渗碳“氢脆”的试验研究零件渗碳后在何种情况下存在“氢脆”，应该通过进一步的试验研究确认。笔者认为，零件在经过渗碳一缓冷、渗碳一缓冷一高温回火、渗碳一缓冷高温回火一重新加热淬火一低温回火等工艺处理，存在氢脆是不能成立的。比较认同文献4的表述渗碳后直接淬火时可能出现氢脆，而此时若有氢脆，在随后较长时间的低温回火过程中氢脆是否能消除，值得进行专题研究。4结束语钢件通过渗碳淬火，获得“外强内韧”的性能，极大地拓展了材料的应用领域，满足了零件高耐磨、温淬火、后较低温度淬火的方法加以改善。高强韧、高抗疲劳、高可靠性的要求。零件的渗碳淬热处理2010年第25卷第4期73舍全舍一现场经验SQB系列传感体真空热处理畸变的控制张雅琳天津市热处理研究所有限公司，天津300402中图分类号TG15695文献标识码B文章编号100816902010040074002CONTROLOFDISTORTIONOFTHESERIESSQBSENSORBODIESDURINGVACUUMHEATTREATINGZHANGYALINTIANJINHEATTREATMENTRESEARCHINSTITUTECO，LTD，TIANJIN300402零件热处理畸变是热处理过程的主要缺陷之一，一些精密复杂的零件常因热处理畸变而报废，因此控制精密复杂零件的畸变一直是热处理生产中的关键问题。众所周知，零件在热处理时，特别是在淬火过程中，由于其截面各部分加热和冷却速度的不一致而引起温度差，加之组织转变的不等时性等原因，使得零件截面各部分体积胀缩不均匀，组织转变不均匀，从而引起组织应力和零件内外温差所引起的热应力。当其内应力超过零件的屈服极限时，就会引起畸变。因此，减少和控制精密复杂零件的畸变乃是广大热处理工作者的一项重要的研究课题。本文根据精密复杂传感体的畸变状况、