渗碳淬火件磨削裂纹形成的原因和防止措施.doc

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李志义1，2李晓澎1，2
(1.重庆义扬机电设备有限公司，重庆 400042；2.重庆长江工业炉公司，重庆 401329）
(由于渗碳淬火件磨削裂纹形成的原因比一般淬火件复杂一些，因此本文侧重渗碳淬火件磨削裂纹的探讨，同时希望各工厂、企业采用各种措施减少变形，达到不磨齿少磨齿[10]以共励之。)
众所周知磨削加工产生的拉应力在此拉应力的作用下而形成的裂纹均称为磨削裂纹。同样，若无此应力作用下进行表而处理(例如:酸洗、电镀、氧化等) ，未发现氢脆和应力腐蚀裂纹，而在磨削应力作用下进行的上述表面处理，而形成的裂纹，本人认为也可以属于磨削裂纹范峙。
由于磨削裂纹形成的原因不同而且有时是综合性影响， 因而其形态一般可分为叁种:一、磨削裂纹的走向于砂轮旋转方向一致，并稍有连续。二、裂纹的走向于砂轮方向一致成鱼磷状并稍有断续。三、因磨削应力在表面处理过程中形成裂纹。该裂纹断续的一头粗一头尖的纵向羽毛状裂纹[1])。

解决这些裂纹形成的措施，就是从各方面降低其磨削应力的大小。
1.降低渗碳层本身的不均匀应力。
渗碳层碳化物的颗料越细越好，碳化物分布越均匀越好，避免碳化物粗状，极度弥散的碳化物的获得[2]，可控气源的选择， 是很重要的因素素[3]。
例如:天然气中主要成份CH4 就目前的渗碳而言的气源，古老渗碳机理CO-Cad+CO2 Cad-活性碳。天然气丙烷乙炔等[7]可直接裂解生成活性碳渗碳[4]CH4→Cad+2H2且在天然气净化很好时：(脱有机硫≤3-5mg/m3 、无机硫运≤1-3 mg/m3 、水-38℃、石油)[5]使这种裂解反应更完美，净化后天然气用气量大大下降，例如:长春一汽车大众叁台1000公斤艾协林多用炉和一台12料盘艾协林贯通式多用炉--相当四台1000公斤艾协林多用炉产量:原用气源约40M3/h，现采用天然气净气设备后，只需23M3/h，同时零件表面碳黑，非马氏体组织的厚度和分布密度大大改善，达到光亮银灰色无炭黑，一般<3um[5]，渗碳层碳化物粒度也有改善。重庆红岩汽车厂也达到相似效果，单原料气均节约40多万元/年以上，株洲齿轮年节约了85万元[8]。该发明目前国内外已有64台套使产品领先于世界[7]
2.要使马氏体转变时应力最小，同时变形也最小，冷却介质的选择是很重要的因素，淬火冷却时，热应力(热涨冷缩应力)和组织应力这两种应力相互抵消，抵消越多越好。要使渗碳淬火件表面层非马氏件组织降低（浅腐蚀），气源选择是主要因素[3、5]淬火介质次之，淬火油要求在珠光体转变区快速通过，而在马氏体转变时为防止变形又需冷却确当。特别是对截面较大的渗碳零件，心部硬度不合格，残余奥氏体量增加，长春一汽大众艾协林多用炉的淬火油采用德国贝多菲亚的产品，实际使用60-80℃闪点低187℃，高温冷却快，低温冷却也不慢，零件的变形也较大一般轿车的零件变形在15丝左右。后在我建议下采用好富顿淬火油。
要减少变形，油的高温冷却确当，低温冷却慢，同时适当提高油温至120-140℃ 使变形减少，又避免残余奥氏体量增加和心部硬度下降。还可增压淬式硝盐等温淬火。
3. 渗碳层残余奥氏体在磨削应力作用下，在加上氢在应力作用的迁移偏聚，而诱导马氏体相变，这应力诱导马氏体是未回火马氏体应力较大，金相看时裂纹周围有明显亮区，这亮区一般讲就是应力诱发马氏体相变区.
残余奥氏体的量，直接与钢种、渗碳件尺寸大小、淬火油冷速、油温等有关。由于各方面的原因，很多具有比较好设备的企业，首选油均是德润宝、好富顿、Uncon等公司的等温油，热处理质量可靠，寿命长稳定。
4. 渗碳淬火件，钢种化学成份的影响(此文不作重点介绍)
4. 1 一般讲:对加硼的渗碳钢，要注意晶界硼化物的形成。硼化物的形成使晶界局部韧性下降(硼脆)，直接影响磨削应力大小和磨削裂纹源的形成。消除硼钢，硼化物的形成，除冶金冶炼质量为主，热处理一般讲;奥氏体化温度越高冷却速度越慢，则富集到晶界的硼化物也越多，当冷却速度较快时，才有可能防止硼化物的偏聚。因此等温正火，在正火过程中可考虑变速降温的设计方案……。
4. 2 对加钛的渗碳钢，要注意方晶钛（TiN）的形成使晶界局部韧性下降(钛脆)，直接影响磨削
应力大小和磨削裂纹源的形成。消除方晶钛的形成，主要是冶金冶炼质量的控制，热处理一般讲：奥氏体化温度越高强迫方晶钛熔解在奥氏体内，然后在冷却时需确当的冷却速度避免钛在晶界的富集，从而消除方晶钛的形成。方晶钛的形成，或者含钛太高，还会使渗碳速度下降……。
4. 3 含锡量的控制
避免晶界锡化物的形成，冶金冶炼锡含量必须控制在0.5% 以下 ，同时防止在400℃左右回火，通常渗碳钢均在低温回火，这类组织不易形成。
5. 磨床磨削参数的控制
5. 1 磨床砂轮粒度， l00 度为宜。粒度越粗，应力越大。
5. 2 磨床、砂轮径向摆动越小越好。摆动越大，应力越大。
5. 3 湿磨比干磨应力小，湿磨液要采用过滤措施，并定期更换。
5. 4 砂轮的转速确当.
5. 5 砂轮进刀量的控制： 初磨削量不易太大，精磨可根据硬度、钢号一般控制在1-3 丝以内.
6. 必要时在磨削后立即增加去应力问火，以降低应力，同时使应力和氢的偏聚诱发残余奥氏体→马氏体组织即时转变成回火马氏体，以降低内应力，去应力回火的温度不影响产品性能。硬度等要求情况下.可适当提高去应力回火温度以达到尽可能降低磨削应力和应力和氢的偏聚诱发马氏体组织的应力的效果。
7.磨削应力作用下进行表面处理而形成的羽毛状裂纹原因是磨床砂轮的中心线必然是在一个公差范围内的周期变动，而加工面也是随着砂轮中心线的周期变动而变动，而这个周期性变化使磨削产生的应力也随着变化，具有周期性，纵向羽毛状裂纹的左尖右粗标志着工件的移动方向是由左向右，该裂纹的防止措施除上述措施外，还可从防止表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂中实施，此文从略[6]。
8. 采用先进的工艺[2、3、 5]使渗碳淬火件表面非马氏体组织<3um[5]，使另件变形最小(原材料在冶炼浇铸：推荐用真空抽气脱氧脱氢，磁场、震动搅拌，连铸连轧的方法来减少材料的杂质、偏析。由于各种原因、原材料状态不理想需要进行等温正火处理。世界第一品牌德国SEW减速机公司，原材料的订货：要求氢含量≤2PPm氧含量≤20PPm，夹杂物：氧化物≤1级，硫化物≤1级，而我们兵器用的枪炮钢，氧化物≤1.5级，硫化物≤1.5级，二者之加≤2.5级。)等温正火：（一般采用950℃，温度低效果差）改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，夹杂物形态；由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用（俄文为焊合；合金元素多焊合时间增长）最终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件长期服役下的尺寸稳定性提高）。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。无需再磨加工，由于压应力近最表面，碳化物极度弥散[2]渗碳时间短，变形小，耐磨性最好，使渗碳热处理质量领先于世界[2.. 3、5、7、8] 。
参考文献
1.李志义编著:结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂。1980. 8. P96 四川省第五机械工业局科学技术情报中心站
2. 殷汉奇 四川丹齿实业有限公司艾协林多用炉的引进和使用"金属热处理"。1996. 6. P36
3. 李志义 重庆建设厂31车间；李晓澎 重庆建设一雅马哈有限公司焊接课:可控气源的选择"金属热处理” 1996. 1. PS2
4. W.Gohring Kleve.B. Edenhore Klevc Ipscn 使用不同燃料的渗碳气氛的传输特怀和可调性。
5. 李志义：渗碳淬火件表面非马氏体组织形成原因和防止措施"金属热处理"。 2000. 11. P37
6. 李志义、重庆建设集团:影响兵器用结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂的主要因素和防止措施(兵工年会优秀论文，此文分别在上海、南京、泰州、重庆、昆明356 厂、四川、南溪661 厂、荣吕383 厂、壁山246 厂等地区专题讲座)。（兵器用结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂:首创在145℃浓碱介质中进行悬臂弯曲试验、系统测试十个钢种，不同表面处理工艺规范下材料的缺口强度和应力腐蚀门槛应力强度因子:同时测定上述钢的氢行为:包括吸氧量、氢扩散系数和氢逸出规律:电化学特性、氢与某些元素的交互作用，宏观和微观断口分析经7312个试样8年研究等获部二等奖)
7.李志义、马学文、蒲玲、向书成、李晓澎：再述：渗碳淬火件表面层非马氏体组织形成的原因和防止措施，待发表
8．马学文、李志义、李晓澎 用净化后的天然气代替丙烷气渗碳的质量及经济效益[C]2009成都齿轮热处理变形专题研讨会论文集。
9．李志义、马学文、李晓澎 气体渗碳淬火件中的氢脆问题[C]2009年十四省市热处理暨第八届全国化学热处理学术交流会论文集P80
10．李志义、李晓澎 齿轮气体渗碳件中的变形问题[C]2009成都齿轮热处理变形专题研讨会最后宣讲。
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