淬火开裂及防止方法

1、； 、 ： ： ； ： 读 书 园地 一 淬火开裂及防止方法 刘 宗 昌 ( 内蒙古科技大学材料与冶金学院， 内蒙古包头0 1 4 1 0 1 ) 编者按 淬火开裂是一种最常见也是后果最为严重的热处理缺陷， 工件一旦开裂， 必将造成不可挽 回的损 失。另外 ， 造成工件淬火开裂的原因又是 多方面的。裂纹是在热处理生产过程 中产生的， 但其原因不一定就 是热处理本 身的问题 ， 还与原材料的冶金质量 ， 选材的合理性 ， 工件的结构及铸 、 锻、 轧质量等种种因素有关。 正因如此 ， 在分析淬裂原因时， 往往 易陷入误区， 只看表面现象， 而没有涉及 问题 的本质， 因而难 以准确地找 出开裂原

2、因， 以制定合理的改进措施。本文是 内蒙古科技 大学刘宗昌教授撰 写的专文， 全 面、 系统地分析 了 导致钢件淬裂的原因， 提 出了防止淬裂的方法， 相信对广大读者和热处理工作者将不无启 示。本文篇幅较 长， 将分期在本刊“ 读书园地” 栏 目连载。 中图分类号： T G 1 5 6 3 5 文献标识码 ： C 文章编号 ： 1 0 0 8 1 6 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 7 2 0 0 8 Qu e n e h i n g Cr a c k i n g a n d i t s P r e v e n t i o n LI U Zo n g c h a n g ( S

3、 c h o o l o f Ma t e r i a l a n d Me t a l l u r g y ， I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， I n n e r Mo n g o l i a ) 1 影响钢件淬火开裂的因素 钢件淬火裂纹的形成原因包括内部因素和外部 条件。内部因素主要是由马氏体的成分、 组织结构 等决定 的本质脆性 ； 外部因素主要是各种工艺条件 、 零件尺寸形状等引起的宏观

4、内应力的大小、 方向、 分 布状态等。影响本质脆性 的因素 ， 诸如钢材的冶金 质量 、 钢中的含碳量及合金 元素、 马氏体 的组织结 构 、 马氏体显微裂纹、 显微局部应力 、 原始组织状态 等。影响宏观内应力的因素较为复杂 ， 诸如淬透性 、 淬透深度、 脱碳、 表面硬化、 工件尺寸和形状、 加工质 量及粗糙度 、 热处理工 艺、 加热及冷却设备、 淬火后 的回火与矫直及再加工等等。显然影响淬火裂纹的 因素十分复杂 。在现场 ， 一旦发生因淬火裂纹而导 致零件报废 ， 往往是“ 打不清的官司” 。只有认清各 种 因素作用的本质、 途径、 规律性 ， 并对具体零件 的 淬裂现象进行具体分析、

5、 检测 ， 才能搞清主要 因素、 次要因素， 并从中确定防止淬裂的措施， 提高成品 率， 控制废品率， 增加经济效益。因此研究影响淬火 开裂的因素及其作用规律具有重要的实际意义 。 1 1钢材冶金质量的影响 缩孔和严重的轧制缺陷造成材料明显的不均匀 性 ， 这时材料是不宜进行热处理的。而不少材料的 冶金缺陷均可能单独与宏观或微观的内应力发生作 用， 促发淬火裂纹。这些冶金质量问题包括： 粗视偏 析、 固溶体偏析 、 固溶氢、 锻轧缺陷、 夹渣 、 铁索体珠 光体带状组织及碳化物带状组织等。 1 1 1 宏观偏析的影响 钢在铸造凝 固过程中产生的内应力可能导致开 裂。例如约 0 3 C的碳钢 ，

6、 形成凝 固裂纹 的倾 向 较大， 它是在 6 一 F e向 y F e相变过程 中形成 的。当 裂纹形成后 ， 向内部扩展 以致与液相接触时 ， 富集着 杂质元素的钢液填人裂纹中 ， 这样裂纹就变成 了偏 析线 。在整个钢锭范围内发生的偏析 ， 称区域偏析。 用于制造大型锻件 的大钢锭 中最易 出现区域偏析。 用具有粗视偏析的坯料制成的零件 ， 尤其是形状复 杂的工件 ， 其淬火开裂的倾 向性较大。这是 由于各 区域化学成分不 同， M 点不 同， 从而马 氏体转变的 不同时性较大 ， 造成较大内应力 ， 以致淬火开裂。 1 1 2 固溶体偏析的影响 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0

7、2 2 6 作者简介 ： 刘宗昌( 1 9 4 0 一 ) ， 男， 河北玉田人 ， 教授 ， 从事金属 固态相变和热处理技术研究， 获省、 部级科技进步 奖 1 0项 ， 发表论文 2 2 0余篇 ， 出版 学术 专著和教材 1 0部 。联 系电话 ： 0 4 7 2 - 2 1 2 2 6 5 5 ， E ma i l ：l z c h a n g 7 5 1 6 3 t o m 7 2 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 3期 固溶体偏析是显微偏析 ， 它 可以由枝 晶偏析造 成 。钢在结晶时， 先结 晶的枝干 比较纯净 ， 碳浓度较 低 ， 而迟结晶的枝 间部分碳浓度较高。其他元素

8、在 枝干和枝 间的偏析情况大体与碳相仿 。这种偏析造 成钢中的带状组织如图 1所示 。加热时 ， 形成成 分 不同的奥氏体带 ， 带状 区域化学成分差别较大 ， 因而 M 点不同， 发生马氏体转变 的时间先后不一 ， 在显 微局部区域出现很大的显微 内应力 ， 因而可能导致 淬 火裂纹。 淬火不均匀应力可能使钢材沿流线方向产生裂纹。 图 2 沿夹杂物扩展 的淬火 裂纹 F i g 2 C r a c k p r o p a g a t i n g a l o n g i n c l u t i o n 1 2 含碳量及合金元素的影响 1 2 1 含碳量的影响 ( 1 ) 含碳量对断裂强度 的影

9、响 含碳量增加将 降低马氏体 的断裂强度 。根据脆性固体理论断裂强 度 ： = ( 式中 ， E为弹性模量 ； 为表面能 ； d为原子面间距 。 图 4 2 c M o钢的带状组织 从该式可见 ， 值随 E、 、 d值而变化 。设 不变 ， 哺 B “ d 。 d m。 “ “ 4 2 c M 。 。 仅讨论 E值 、d值 随含碳量增加而变化 的情况。 1 1 3 钢中氢的影响 固溶体 中随溶质浓度提高 ，弹性模量 E的变化 钢件或钢锭若浇注条件控制不当 ， 会使钢中的 趋向和 固相线的走向是一 致的。在 F e - C合金 中， 随 氢气含量提高 ， 从 而可能形成 白点。如果 同时存 在

10、着钢的含碳量增加 ，固相线是不断降低 的。如 F e - C 偏析 ， 出现白点的可能性则更大。如果浇注后冷却 相图 的 J点 到 E 点 ，含 碳 量 由 0 1 7 升 高 到 速度太快 ， 氢气将处 于过饱和状态或富集在特定 的 2 1 1 ， 固相线温度则 由 1 4 9 5 c C降到 1 1 4 8。因 组织区域 内， 如富集在非金属夹杂物 附近。当氢 原 此含碳量提高 ，马氏体 中铁原子间结合力降低 ， 弹性 子结合成氢分子时会产生很高的压 力 ， 从而导致形 模量也降低 。普通中碳钢淬火处理使马氏体弹性模 成细微内裂即白点。这种材料在淬火 时， 白点就是 量降低 1 0 。因此

11、根据( 1 ) 式 ， 弹性模量 E降低 ， 钢 淬火裂纹源。在尺寸较大的锻件上 ， 如冷轧辊 ， 淬火 的断裂强度也 随之降低 。 之后往往会 出现滞后开裂 ， 它 的起因是工件心部材 式( 1 ) 中的 值也与含碳量有关 。淬火马氏体 料的氢含量 过高。当氢含量低 于 21 0 时， 即使 的准解理断 口取向是沿铁素体的 1 0 0 面 。正方 马 不产生白点， 也有氢脆现象。 氏体 的 。 轴较长 ，( 0 0 1 ) 面的间距较 大， 因此可能 1 1 4 夹杂物的影响 ( 0 0 1 ) 面断裂 ，而 ( 0 O 1 ) 面的间距 d即为轴长 c ， c 非金属夹杂物较多的钢材 ，

12、轧制后会形成 明显 值是含碳量 的函数 ： 的带状夹杂物。这种冶金缺陷将大大提高淬火内应 c ：a o 十0 1 1 6优 ， ( C) ( 2 ) 力分布的不均匀性 ， 从而使钢材 的淬火裂纹敏感性 式 ( 2 ) 中 a o 是 一 F 。的点阵常数 ，为 0 2 8 6 n m。可 增加。图 2为沿着夹杂物扩展的淬火裂纹。 见含碳量增加 ，。 值变大。 值相当式( 1 ) 中的 d值 ， 在亚共析钢 中， 铁素体- 珠光体带状组织会使带 因此 ，含碳量的增加使断裂强度降低。 状夹杂的淬火开裂倾 向进一步增大。在富碳的条带 此外 ，随马氏体中含碳量增加， 位错亚结构逐渐 中易出现导致微观裂

13、纹 的片状马氏体 ， 增加淬火组 变为孪晶亚结构 ，淬火显微裂纹也会增加。这些都 织和内应力的不均匀性 。 增加了马氏体的脆性 ，降低断裂强度。图 3为含碳 具有枝晶偏析的钢材 ， 经轧、 锻热变形 ， 枝 晶干和 量对淬火钢断裂强度 的影响。由图 3可见 ，从 中碳 枝晶间被延伸拉长， 形成“ 纤维” ( 或流线) 。流线使钢 到高碳， 淬火态钢的断裂强度迅速降低， 这将增加钢 的力学性能产生方 向性， 垂直于流线方 向强度较低。 件 的淬裂敏感性 。 不过 ， 1 1 3 中含碳量 仅为亚共 析 热 处理 2 0 1 0年 第 2 5卷第 3期 7 3 日 叟 钢 中含 碳量 ( ) 图

14、3 含碳量对淬火钢 断裂 强度 的影 响 F i g 3 E f f e c t o f c a r b o n c o n t e n t o n b r e a k i n g s t r e ng t h o f t he a s q u e n c he d s t e e l 钢范围 ， 对于过共析钢来说 ， 继续增加含碳量对淬裂 倾向的影响与淬火加热温度有关。如果加热温度在 A 一 A 之间， 奥氏体 中的固溶碳量变化不大 ， 并且 有较多的未溶解 的渗碳体或合金碳化物 。淬火后得 到马氏体基体上分布着粒状碳化物 。这种复相组织 重 荟 的弹性模量要按两相整合后的体积比例 的平均值

15、计 算 。由于碳化物的熔点或分解温度较高 ， 弹性模量 较大， 因此这种复相组织的模量 E值可能有所增 加。这时淬火钢的开裂倾向变化不大。然而， 若将 过共析钢加热到A 。 以上 ， 进行过热淬火 ， 这时碳全 部溶入奥氏体中， 且奥氏体晶粒粗化 ， 淬火时转变为 粗大针状( 片状) 或蝶状马 氏体组织 ， 这会增加显微 局部应力 ， 甚至形成显微裂纹。因此 ， 高碳马氏体的 断裂强度更低 ， 更加脆化 ， 增加了淬裂倾 向。 ( 2 ) 对内应力的影响钢中含碳量增加时， 宏观 内应力也向促进淬裂方向发展。含碳量增加 ， 热应力 影响变弱 ， 相变应力 的影响加强。水 中淬火时， 表面 压应力

16、变小 ， 而中间部位的拉应力极大值 向表面靠 近， 如图4所示 。可见， 各种碳含量的钢棒 8 5 0 o C加 热后水淬的内应力 ， 随着碳含量 的增加 ， 最大拉应力 趋向表面， 表层的拉应力增大。油淬时， 表面拉应力 变大。所有这些都会增大工件的淬火开裂倾向。 切向应力 径向应力 一 1 O C 0 5 C 0 3 C O 2 C 面积位置 ma re 图 4 各种碳含量的钢棒水淬后的 内应力 Fi g 4 I n t e rn a l s t r e s s e s i n s t e e l ba r s wi t h d i f f e r e n t c arb o n c o

17、n t e n t s a f t e r wa t e r qu e n c hi n g ( 3 ) 淬裂一 M 含碳量关系随着含碳量的增加 ， M 点降低 。不 同碳浓度的 F e C合金的 M。 点在一 定范围内与碳含量具有近似的直线关系 ： Ms ( o C) 5 2 0 3 2 0 W( C) ( 3 ) 由图5可见， 淬裂与不淬裂的倾向与 M 和含 碳量有对应关 系。水淬 时， 开裂发生在 0 4 C以 上、 M 点在 3 3 0 o C以 下 的钢 中。而含 碳 量 低 于 0 4 、 M 点在 3 3 0 o C以上的钢并不容易产生淬火 裂纹。由此 可见 ， 为 了避 免 零

18、 件 淬裂 ， 可 以选 用 0 4 C以下的结构钢 ， 如选择 3 5号钢制 造机械零 件 ， 进行水淬 ， 即可减少或避免淬裂事故发生。 1 2 2 合金元素的影响 合金元素对淬火裂纹的影响不一， 人们的看法 也不尽相同。 有人认为合金元素若使M 点降低 ， 一 7 4 热处理 2 0 1 0年第2 5卷 ( C) ( ) 图5 淬裂- Ms - 含碳量的关系 Q u e n c h i n g c r a c k s u s c e p t i b i l i t y a s a f u n c ti o n o f Ms po i n t a n d c a r b o n c o n

19、 t e n t f o r s t e e l 第 3期 则冷却到室温时钢 中的残留奥 氏体量增多 ， 从而减 少组织应力 ， 延缓裂纹的扩展 ， 有利于减小钢件的淬 裂倾 向。有人则持相 反的观点 。合金元素除钻 、 镍 外均降低钢 的马氏体点 ， 提高淬透性 。淬透性好且 M 点低的钢一般淬裂倾 向较大。 最显著降低 M 点的元素是碳 ， 其次是锰 。Mn 、 c r 、 V 、 M o 等元素与碳一样， 随其含量的增加而淬裂 倾向变大。实际上含有 C r 、 Mn等元 素的钢都是 比 较容易淬裂的钢。然而 ， 硼元素较为特殊 ， 硼能有效 地提高淬透性 ， 使 C 一 曲线右移 ， 但

20、不 降低 M。点 ， 因 而硼钢对淬裂不敏感 ， 是优 良的淬火用钢。 合金元素对淬裂 的影响是复杂的， 多方面的， 需 要综合分析。合金元素较多时会 降低钢 的导热性 ， 淬火时增加零件 内外温差 ， 加大相变的不等时性 ， 因 而增加内应力。加之合金元素强化奥 氏体 ， 难 以塑 性变形来松弛应力 ， 因而增加热处理应力 ， 增大淬裂 倾 向。然而合金元素提高了淬透性 ， 故可改用较缓 和的淬火剂 ， 以便减少淬火开裂。有些合金元素 ， 如 钒 、 铌 、 钛有细化奥氏体晶粒的作用 ， 减少过热倾向 ， 因而淬火后得到的马氏体组织也被细化 ， 这也有助 于减小淬裂倾 向。 钢 中的杂质元

21、素和常存元素 ， 如硅 、 锰 、 硫 、 磷 、 氧、 氢等， 影响钢材的冶金质量 ， 产生冶金缺陷如夹 杂物、 气孔和白点等 ， 破坏钢材的完整性 ， 降低强度 ， 易应力集 中。钢材有带状组织时 ， 往往在正常淬火 条件下促发开裂。稀土元 素对淬裂 的影 响研究甚 少， 说法不一。稀土元素能净化钢材， 改善夹杂物形 态 ， 增加板条马氏体量 ， 减少孪晶马氏体量 ， 因而可 提高韧性。适量的稀土元素可减少位错移动所需要 的摩擦力 ， 因而有降低脆性破断倾 向的作用。稀土 元素富集于晶界， 可净化和强化晶界 ， 使磷等杂质难 以再偏集于晶界， 可能起到减轻沿晶断裂的作用 。 1 3 原 始

22、 组织 的影 响 除了钢中的化学成 分以外 ， 淬火前 的原始组织 结构对淬裂的影响也很大。例如 ， 片状珠光体； 马氏 体和贝氏体等非平衡组织 ； 不均匀、 网状碳化 物 ； 非 金属夹杂物 ； 锻造过热组织及 流线等均可能导致或 促发淬火开裂。 1 3 1 珠光体形态的影响 珠光体分为粗片状珠光体 、 细珠光体 、 极细珠光 体 ， 还有点状珠光体、 细粒状珠光体、 球化珠光体等 。 这些组织都是在铁素体基体上分布着不同形态 的碳 化物， 具有不同的淬火裂纹敏感性 ， 如 图 6所示 。图 中纵坐标为淬火裂纹的点数 ， 点数越多 ， 淬裂倾 向越 大。可见 ， 粒状珠 光体 比片状 珠光体

23、淬裂倾 向小。 这与加热时珠光体向奥 氏体的转变动力学及奥 氏体 形成后的状态有关。 珠光体向奥氏体的转变通常分为形核、 长大、 残 留碳化物的溶解和奥氏体的相对均匀化四个阶段。 继续提高加热温度或延长保温时间 ， 奥 氏体晶粒将 要长大而粗化 。当钢 的成分相同 ， 珠光体 中碳化物 的分散度越大 ， 相界面越多 ， 则奥氏体成核率越大。 珠光体片问距愈小 ， 奥氏体核中碳浓度梯度愈大 ， 扩 散速度愈快 ， 且碳原子扩散距离愈短， 奥氏体晶粒长 大速度愈大。因此 ， 珠光体越细 ， 奥氏体形成速度越 快 。例如 ， 7 6 0 o C等温分解时 ， 珠光体的片层间距从 0 5 m减薄到 0

24、 1 t x m， 奥 氏体长大速 度增加近 7 倍。可见细珠光体向奥氏体的转变速度比粗片状珠 光体快 。珠光体中碳化物的形状对奥 氏体形成速度 也有影响， 片状珠光体相界面较大， 渗碳体较薄， 较 粒状渗碳体易于溶解 ， 所 以奥 氏体形成较快 。那么 ， 在相同的加热条件下 ， 细片状珠光体完成奥氏体转 变最快 ， 并先行晶粒长大及均匀化 ， 因而易 于过热。 这样淬火时将得到较粗大马氏体 ， 无疑淬裂倾 向最 大。另一方面 ， 从渗碳体的溶解情况看 ， 也是粒状渗 碳体对性能 的影响较好。 潭 火温 艘 图 6不 同形态珠光体组织对淬 裂的影响” 1 一 细片状珠光体 ； 2 一 点状珠

25、光体 ； 3 一 细粒 状珠光体 ； 4 一粗粒状珠 光体 F i g 6 E f f e c t o f p e a l i t e mo r p h o l o g y O l l q u e n c h i n g c r a c k s u s c e pt i bi l i t y o f s t e e l 1 f i n e l a me l l a r ；2 d o t l i k e；3 f i n e l y g r a nu l a r；4 c o a r s l y g r a n u l a r ( 1 ) 未溶碳化物的影 响 快速加热淬火 、 表面 淬火及过共析钢在

26、A A 间加热淬火等均可能残 留未溶解 的碳化物。若原始组织为粒状珠光 体， 则 剩下的未溶碳化物仍然是粒状 的或卵石状 的， 并均 匀分布于马氏体基体上 ， 且在应力作用下， 不容易形 成应力集 中。如果原始组织是片状珠 光体 ， 则剩下 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 3期 7 5 的未全部溶解的渗碳体片还呈片状或短片链状， 淬 火后分布在马氏体基体上， 在应力作用下易产生应 力集 中， 因而淬裂倾 向大 。 ( 2 ) 奥 氏体成分 不均匀 的影 响 在 淬火温度 下 ， 粒状或片状渗碳体即使已全部溶解 ， 但由于扩散 均匀化所需的时间较长 ， 在一般的保 温时间 内难 以 完成

27、， 尤其是在表面淬火或无保温淬火加热工艺下， 奥氏体成分是不均匀的 ， 在原碳化物部位含碳量还 是较高 ， 碳化物形成元素也较多， 而原来铁素体部位 的含碳量仍很低。可以说在奥氏体 中还可以看到珠 光体 的片状 “ 阴影” 或粒状“ 阴影” ， 淬火后得到的马 氏体也不 均匀 ， 保 留着珠光 体 “ 片 ” 或 “ 粒”的“ 灵 魂” ， 这样的马氏体韧性较差 ， 在高碳 区形成的马氏 体较脆。 1 3 2 非平衡组织的影响 淬火处理一般采用平衡或接近平衡的铁素体一 珠 光体类为原始组织， 而不采用非平衡组织 ， 像淬火马 氏体、 回火马氏体、 贝氏体、 魏氏组织等。因为这些非 平衡组织在淬

28、火加热时， 可能发生组织 “ 遗传” ， 即旧 相( 奥氏体 ) 晶粒粗大 ， 新形成的奥氏体晶粒也会是粗 大的， 这不仅不能矫正过热组织 ， 反而会 更加倾 向于 过热 。高速钢重复淬火会形成萘状组织。高碳高合 金钢的马氏体 ， 性能较脆， 导热性较差 ， 加热时容易开 裂。因此， 一般将非平衡组织进行退火或正火 ， 切断 “ 遗传” ， 再加热淬火 ， 以防止淬火裂纹。 但是 ， 在某些条件下也可 以采用非平衡组织进 行淬火加热。对非平衡组织相变规律 的研究表明 ， 过分强调组织遗传是根据不足的。试验发现 ， 将低、 中碳合金钢的马氏体 、 回火马氏体及贝 氏体加热奥 氏体化 ， 在A 以

29、上温 度采 用较快 的速度加热 ， 短时 保温 ， 使非平衡组织直接形成球形奥氏体晶粒 ， 由于 形核率高 ， 可得 倒很细小的奥氏体晶粒 ， 提高强度 ， 改善韧性 。超细化处理技术就是利用了 M 一 M 的热循环相变 ， 使奥 氏体晶粒显著细化的。 对于高碳钢也有用非平衡组织加热淬火的。斯 蒂克尔斯 ( c A S t i c k e l s ) 将 G C r 1 5钢加热到 1 0 4 0 奥氏体化后等温淬火， 得到上贝氏体组织， 并以此作 为原始组织 ， 再加热到 8 4 0 o C淬火 ， 可使碳化物超细 化 。看来 ， 采用非平衡组织 为原始组织不一定导致 淬火开裂。具有粗大原始

30、奥 氏体晶粒 的钢 ， 用非平 衡组织奥氏体化时 ， 若在A c A m 范 围慢速加热 ， 或 保温后 ， 再加热到 以上进行 最终 奥氏体化 ， 才容 易出现异常粗大 的晶粒。这种不适当的工艺条件会 引起淬火裂纹。因此， 改进工艺条件， 对某些钢件也 可以采用非平衡组织进行淬火 ， 但要注意它对淬裂 的影响。 1 3 3 碳化物不均匀性的影 响 所谓碳化物不均匀性 ， 主要指碳化物液析、 碳化 物带状、 碳化物 网状及碳化物颗粒 的大小 和分布不 均匀等 ， 它们可能成为断裂源。人们普遍认为不均 匀碳化物将增大钢的淬裂倾向。这在高碳高合金的 C r l 2型钢及 高速 钢 中表现最为突出。

31、这类钢冶炼 浇注时产生严重的偏析 ， 大量的莱 氏体共晶碳化物 堆集于奥氏体晶粒周 围， 有时呈网状分布 ， 如图7所 示。这些碳化物在锻 、 轧成形过程中虽然可被破碎 ， 但仍在不同程度上保 留着各种形式的不均匀性。在 淬火加热条件下， 具有粗大网络状和密集条带状的 碳化物难以充分溶解 ， 造成钢材各向异性 ， 尤其是横 向性能显著 降低 。碳 化物不均匀程度愈大 ， 其抗弯 强度 、 塑性及韧性愈低。在相同加热条件下， 碳化物 堆集处碳和合金元素含量偏高 ， 该处熔点低 ， 易出现 过烧 。该处 的奥氏体稳定性大 ， 马氏体点低 ； 而碳化 物分布少的部位 M 点高 ， 这样就导致 了马

32、氏体转 变的不均匀性和不等时 l生。当碳和合金元素的富集 区向马氏体转化时， 而低浓度 区已完成马 氏体转变 而处于硬化状态 ， 这就造成较大组织应力， 因而增大 淬裂倾向。高速钢碳化物偏析达到 5级以上时 ， 按 正常温度淬火 ， 淬裂敏感性急剧增大。 图 7 7 C r l 2 Mo V钢模具 中的网状碳化物 F i g 7 Ne t wo r k c a r b i d e i n d i e o f 7 C r l 2 Mo V s t e e l 碳素工具钢和低合金工具钢中也存在碳化物不 均匀 的问题 ， 二次渗碳体或过剩碳化物沿晶界呈 网 状分布时， 裂纹经常沿碳化物网状扩展 ，

33、淬裂倾 向较 大。网状碳化物要采用正火来消除。带状碳化物是 钢锭凝固时形成的枝晶偏析而引起的。钢锭在热变 形时 ， 富碳富铬区沿轧制方向延伸 ， 结果在钢材 中形 成带状碳化物。在淬火加热温度下， 带间的低碳低 铬区容易过热 ， 淬火得到片状马氏体 ； 而带上的富碳 富铬区未溶碳化物较多， 不易过热， 淬火得到隐晶马 7 6 热处理 2 0 1 0年第2 5卷第3期 氏体， 还可能由于冷却不快而形成一部分屈氏体 ， 造 未淬透时 ， 直径大小对应力分布有一定影响 ， 从而影 成性能不均、 各 向异性、 纵 向性能高于横 向， 从 而增 响淬火开裂倾向。 大淬火变形和开裂倾向。 1 4 1 钢件

34、尺寸 的影响 扩散退火可消除带状碳化物 。在工具钢和轴承 对普通钢而言 ， 过细或过粗的工件一般不会淬 钢中， 在钢锭凝 固过程中， 液相中的碳和合金元素富 裂 ， 因存在一个淬裂的危险尺寸。细、 薄工件淬火硬 集达到了产生亚稳定莱 氏体共晶的成分 时， 即形成 化到心部 ， 由于表面和心部 的马氏体转变在 时间上 液析碳化物。它是一次碳化物 ， 颗粒大 ， 硬度高 ， 脆 几乎没有什么差别 ， 即内外几乎同时淬火硬化 ， 组织 性大 ， 与基体结合差 ， 大块碳化物 内部的晶界和微裂 应力小 ， 不容易淬裂。例如 ， 针 、 小直径 冲子及剃须 纹是断裂源。因此 液析碳化 物会 增大淬火 开

35、裂倾 刀片 等一般是不会发生 淬裂 的。过粗 的零件难以 向。液析碳化物可采用加大锻压比和扩散退火的方 淬火硬化 ， 甚至连表层也得不到马氏体 ， 主要呈现热 法来消除。 应力 ， 难以出现淬火裂纹。但大型钢坯 ， 材质有冶金 总之 ， 碳化 物不 均匀性增 加淬火裂 纹敏感 性。 缺陷时， 可能从 内部横裂 。 控制碳化物级别是必要的， 对于精密刀具 ， 碳化物不 大和久重雄认为 ， 水中淬火时 ， 临界直径正是淬 均匀性应小于等于 3级 ， 一般刀具应小于等于 4级 ， 裂的危险尺寸 J 。临界 直径是工件 在一定 的淬 火 大型刀具应小于等于 5级。但是， 碳化物超过级别 介质中冷却时，

36、 心部恰好能够得到5 0 马氏体那样 也不一定淬裂 ， 只要适 当调整加热制度和冷却方式 ， 大小的直径。假设淬火介质 的冷却 强度值 日为无 就能防止淬裂 。例如碳化物级别超过 5级 的高速钢 穷大 ， 试样淬火时其表 面温度可立即冷却 到淬火介 件 ， 在下限温度或低于正常淬火温度 1 5条件下加 质的温度 ， 称此为理想淬火 ( 急冷度 H=o 。 ) 。此时 热 ， 既可达到硬度要求又可避免淬裂 。 所能淬透( 形成 5 0 马氏体 ) 的最大直径 ， 称为理想 除了上述原始组织因素外 ， 冶金生产中锻造 、 轧 临界直径 ， 用 D 表示 。半 马氏体 硬度对结构 钢而 制不当， 钢

37、材出现细小裂纹， 则在淬火中就会扩展开 言与合金元素无关 ， 仅与含碳量有关， 可用下式大致 来 ， 暴露于工件表面， 形成宏观裂纹 。钢件内部的发 推算而得： 纹 、 皮下气泡、 严重的非金属夹杂物等缺陷在淬火 时 半马氏体硬度 H R C= 2 4+ 4 0 ( C ) ( 4 ) 都可能导致淬火开裂。因此， 提高钢材的冶金质量 表 1 是 J I s 合金钢( 日本) 的平均含碳量、 半马 对防止淬火开裂有重要意义。 氏体硬度 和理想 I 临界直径 的关 系。临界直径 D 、 1 4 零件尺寸和形状的影响 含碳量与淬 裂的关 系示于图 8 。从 图中可见 ， 含碳 若钢材的化学成分 、

38、冶金质量和原始组织都相 量低于 0 2 5 的钢 ， D 为 2 0 0 H i m以下者不发生淬 同， 但零件的尺寸、 形状不同， 那么在相同的热处理 裂现象； 而高碳钢在各种 D 大小时均发生淬裂； 含 条件下 ， 仍表现 出不 同的淬裂倾向。在完全淬透及 碳量 中等的钢可 以找到淬裂的临界尺寸 。 表 1 J I S合金钢 的 Df 、 半马 氏体硬度 、 平均含碳量 与理想 临界直 径的关系 Ta b le 1 Al l o y s t e e l s in J I S a n d r e s p e c t iv e D I ， h ar d n e s s o f h a l f

39、ma r t e n s it e， a v er a g e c ar b o n c o n t e n t a n d id e a I c r i t ic a I d ia me t e r 热处理 2 0 1 0年第2 5卷第3期 口I mm 图8 临界直径 O。 、 含碳量与淬裂的关系 F i g 8 Q u e n c h i n g c r a c k s u s c e p t i b i l i t y a s a f u n c t i o n o f c r i t i c a l d i a me t e r D I a n d c a r b o n c o n

40、t e n t f o r s t e e l 碳 素 钢 淬 裂 的危 险 尺 寸 约 为 81 5 mm。 0 3 0 C一 0 5 5 C钢在 H=11 5的水中淬火情 况下 ， 临界直径为 1 01 5 m m， 临界直径就是淬裂危 险尺寸， 可见两者基本上是吻合的。高碳钢水淬均 容易淬裂 ， 尺寸较大时形成内部弧形裂纹 ， 而尺寸较 小 ( 5 2 0 m m厚 )时则形成纵 向裂纹。 1 4 2 形状的影响 淬火开裂与工件的形状有密切 的关系 ， 钢件形 状影响淬火应力的大小和分布。工件上的缺口、 尖 角 、 沟槽 、 孔穴及断面急剧变化的部位都是淬火 内应 力集中处 ， 是淬裂的

41、危险部位。 ( 1 ) 零件尖角 的影响零件 的尖 角、 棱角等部 位在淬火剂 中首先被很 快冷却 ， 得到马 氏体 组织。 而 当后冷却的心部形成马氏体时 ， 体积膨胀 ， 使尖角 部分受到很大的拉应力 ， 且为三 向体积应力 ， 难 以塑 性变形而变脆。加上应力集 中因素 ， 可使尖角部位 的应力达到平滑部位应力的 1 0倍 ， 故易产生淬火裂 纹 。 对图 9所示 的零件类型 ， 如果将 凹进来 的两平 面的交线 D处 的冷却速度作为 1 ， 那么 凸出来 的尖 角 A处 的冷却速度可达 2 1 ， B棱角处可达约 9 ， 而 C 面约为 3 。因此尖角 A处易淬裂 。B处冷却效果不 良

42、， 也易淬裂。由此可见 ， 尖角 、 棱边处应尽可能加 工成 圆角。据试验 ， 圆角 R= 5 m m时可使尖角的影 响减半， R= 1 5 m m时可使尖角的影响全部消失。因 此 ， 那怕只加工成 R=1 m m的圆角也比尖角强。 ( 2 ) 零件截面积不均匀的影 响 随着零件截面 积厚薄不均匀性 的增加 ， 淬 裂倾 向加大。零件薄 的 部位在淬火冷却 时先进行 马氏体转变 而硬化。随 后 ， 当厚的部位发生马氏体化转变时 ， 体 积膨胀 ， 给 薄的部位以拉应力 ， 并在薄厚相连处产生应力集中， 因而常出现淬火裂纹。如某 大型模具 ， 薄壁处厚 5 0 m lT l ， 厚壁处厚 2 5

43、 0 m m。8 5 0加热 2 h ， 油中淬火 ； 2 5 0 1 4 h回火。结果发 现， 薄壁外圆上 出现许 多横裂纹。在油 中淬火 时， 尽 管从淬火槽 中提 出的 温度约为 2 5 0 ， 但实际上薄壁部分 的温度 已经冷 却到 M 点( 约 2 5 0 o C) 以下。薄壁部先发生 马氏体 转变而硬化 ， 当厚壁部位 向马氏体转变时 ， 造成很大 的组织应力 ， 以致开裂 ， 如图 1 O所示。 图 9有棱角的零件示意图 F i g 9 S c h e me o f p a r t w i t h e d g e a n g l e 图 1 0 S K 4钢大型模具淬火开裂部位

44、F i g 1 0 Q u e n c h i n g c r a c k i n l a r g e s i z e d i e o f S K T 4 s t e e l ( 3 ) 槽 口和盲孔 的影 响 与尖角 、 截 面不均匀 的情况一样 ， 零件上有槽 口和盲孔时， 也能产生应力 集中， 容易引起淬火开裂。用 T 1 2钢加工成具有槽 口和盲孔 的试样 ， 淬火处理 ， 检验淬裂倾 向性 ， 发现 在正常淬火温度下淬裂率可达 5 0 1 0 0 。而无 槽 口时基本上不产生裂纹 。槽 口可增加工件形成弧 形裂纹的倾向。 工件表面的粗糙程度也与淬裂有很大关系。粗 糙的刀痕， 凹凸不平

45、和打印符号也都容易造成应力 集 中。大齿锉刀 ， 刻纹较深 ， 在淬火时易产生沿刻纹 方 向的裂纹。 1 5加热不 当的影响 钢件在热处理时的加热温度 、 保 温时间和加热 设备( 炉内气氛) 等均能成为淬火裂纹的诱因。 1 5 1 加热温度的影响 淬火加热温度愈高 ， 淬裂倾 向愈大。这不是热 7 8 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 3期 处理宏观应力增大引起的 ， 而是过热或晶粒粗化引 起的。淬火温度升高， 加热时间延长， 使奥氏体晶粒 长大， 则淬火马氏体粗化、 脆化， 断裂强度降低， 这是 淬裂倾 向增大的根本原因。 一 般来说 ， 晶粒越细小 ， 正断抗力越高 ， 越难 以 脆性断裂 。相反 ， 晶粒粗化 ， 正断抗力急剧下降。对 于高碳钢