1. 硬度不合格
金屬材料的硬度與其靜拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,并與金屬的冷成形性、切削加工性和焊接性能等加工工藝性能存在某種程度的關(guān)系;硬度試驗(yàn)不損壞工件,測(cè)試簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)直觀,故而被廣泛用作熱處理工件的最重要的質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo),不少工件還是其唯一的技術(shù)要求。
硬度不合格是最常見的熱處理缺陷之一。主要表現(xiàn)為硬度不足、淬火冷卻速度不夠、表面脫碳、鋼材淬透性不夠、淬火后殘余奧氏體過多、回火不足等因素造成的。淬火工件在局部區(qū)域出現(xiàn)硬度偏低的現(xiàn)象叫做軟點(diǎn)。
軟點(diǎn)區(qū)域的圍觀組織多為馬氏體和沿原奧氏體晶界分布的托氏體混合組織。軟點(diǎn)或硬度不均勻通常是由于淬火加熱不均勻或淬火冷卻不均勻所引起。加熱時(shí)爐溫不均勻,加熱溫度或保溫時(shí)間不足是造成加熱不均勻的主要原因。
冷卻不均勻主要由于淬火冷時(shí)工件表面附著著淬火介質(zhì)的氣泡、淬火介質(zhì)被污染(例如水中有油懸浮珠) 或淬火介質(zhì)攪動(dòng)不充分所造成的。此外,鋼材組織過于粗大,存在嚴(yán)重偏析,大塊碳化物或大塊自由鐵素體也會(huì)造成淬火不均勻形成軟點(diǎn)。
1.1 軟點(diǎn)
淬火加熱的目的是使工件在淬火過程中完成組織轉(zhuǎn)變。為此,必須加熱到適當(dāng)溫度并有足夠保溫時(shí)間。加熱溫度偏低和保溫時(shí)間不足使得原珠光體組織未能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和轉(zhuǎn)變的奧氏體成分不均勻,淬火后得不到完全馬氏體組織,結(jié)果使工件淬火后形成軟點(diǎn)。
圖1為T12鋼制造的手用絲錐因加熱不足形成的顯微組織:細(xì)針馬氏體+淬火托氏體+珠光體。性能上表現(xiàn)為硬度不均勻。
▲圖1 T12A鋼加熱不足的顯微組織
1-細(xì)針馬氏體 2-淬火托氏體 3-珠光體
淬火介質(zhì)攪拌不充分,工件在淬火介質(zhì)中移動(dòng)不夠或者工件進(jìn)入介質(zhì)方向不對(duì)時(shí),往往延遲了工件表面某些部位的蒸汽膜破裂,導(dǎo)致該處冷卻速度降低,從而出現(xiàn)高溫分解產(chǎn)物,形成軟點(diǎn)或局部硬度下降。水蒸氣膜比鹽水穩(wěn)定,因此軟點(diǎn)更易在水淬的工件上形成。水和水溶液的溫度越高越容易產(chǎn)生軟點(diǎn)。
淬透性較差的碳鋼,工件截面較大時(shí)容易出現(xiàn)軟點(diǎn)。工件表面不清潔,如有鐵銹、碳黑等,也會(huì)造成淬火后出現(xiàn)硬度偏低的現(xiàn)象。
1.2 硬度不足
加熱不足往往會(huì)導(dǎo)致淬火件硬度不足。但冷卻不當(dāng)卻是工件硬度不足的常見原因。工件出爐后至淬火前預(yù)冷時(shí)間過長(zhǎng),冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)或冷卻介質(zhì)溫度控制偏高,導(dǎo)致冷卻能力不夠,工件表面有氧化皮或附著鹽液,淬火后工件從淬火介質(zhì)中提出時(shí)溫度過高,均可能導(dǎo)致過冷奧氏體在 C 曲線的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)生分解,形成索氏體和托氏體等非馬氏體組織使工件硬度不足。
淬火組織中存在大量殘余奧氏體是淬火工件硬度不足的重要原因。殘余奧氏體量與奧氏體化學(xué)成分有關(guān),含碳量大于 0.5%~0.6% 時(shí),淬火組織中即可明顯的觀察到殘余奧氏體的存在,繼續(xù)增加碳含量,殘余奧氏體量急劇上升,碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%時(shí),殘余奧氏體量(體積分?jǐn)?shù))達(dá) 30%。
凡是以置換方式固溶于奧氏體的合金元素皆引起殘余奧氏體量的增多。殘余奧氏體量較少時(shí),對(duì)硬度沒有明顯影響,殘余奧氏體量較多時(shí),將導(dǎo)致硬度下降,體積分?jǐn)?shù) 20% 的殘余奧氏體將使淬火硬度下降約 6.5HRC 。
1.3 高頻淬火和滲碳工件的軟點(diǎn)和硬度不足
高頻淬火工件的軟點(diǎn)包括表層局部沒有淬硬的殘留軟點(diǎn)和硬化層深度不均勻的深度軟點(diǎn)兩種。這些硬度缺陷由于材料選擇不當(dāng),原始組織不良,高頻淬火加熱的電參數(shù)、感應(yīng)器和冷卻裝置不當(dāng)?shù)纫蛩厮斐傻摹?/span>
高頻淬火多用于中碳結(jié)構(gòu)鋼和低碳中合金結(jié)構(gòu)鋼,由于高頻淬火加熱是快速加熱,奧氏體中的碳來不及通過擴(kuò)散而未充分均勻化,因此,含有Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素的鋼,由于相變點(diǎn)較高,高頻感應(yīng)加熱淬火時(shí),易產(chǎn)生軟點(diǎn)和硬度不均勻,選擇高頻淬火用鋼時(shí),應(yīng)考慮上述元素不要超過一定含量。
鋼中碳化物類型、形態(tài)、尺寸及分布對(duì)高頻淬火工件的質(zhì)量有顯著影響。鋼中有網(wǎng)狀碳化物、碳化物尺寸過大并分布不均勻時(shí),易產(chǎn)生硬度不均勻和硬度不足等缺陷。因此高頻淬火受預(yù)先熱處理的影響很大,高頻淬火最佳原始組織是調(diào)質(zhì)處理的回火索氏體。
高頻感應(yīng)圈不均勻時(shí),也會(huì)導(dǎo)致淬火硬度不足,噴射角度不當(dāng),噴射孔大小、數(shù)量位置不合理或噴孔被堵塞時(shí),往往導(dǎo)致高頻淬火工件硬度不足或形成軟點(diǎn)。
滲碳工件硬度不足和軟點(diǎn)多由滲碳不足、淬火時(shí)脫碳、淬火溫度過低、淬火冷卻速度不足、表面殘余奧氏體量過多、回火過度、工件表面不清潔、滲碳不均勻或冷卻不均勻造成。
2. 有色金屬合金力學(xué)性能不合格
工業(yè)上用的最廣泛的有色金屬是鋁、銅、鎂、鈦及其合金。有色金屬與鋼鐵的熱處理原理相同,但是有其自身的特點(diǎn)。例如,共析轉(zhuǎn)變對(duì)鋼的熱處理有重要作用,但在有色金屬中就很少遇到;馬氏體轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料賴以強(qiáng)化的主要手段,但除了少數(shù)銅合金和鈦合金外,其他有色金屬一般不能通過馬氏體轉(zhuǎn)變強(qiáng)化。
有色金屬常用的熱處理工藝是均勻化退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火、固溶處理和時(shí)效處理。固溶時(shí)效是有色金屬最常用的也是最重要的熱處理強(qiáng)化工藝。
有色金屬熱處理應(yīng)特別注意以下問題:
1)有色金屬活潑,對(duì)加熱環(huán)境要求嚴(yán)格。例如,鈦合金的加熱環(huán)境一般應(yīng)為真空或微氧化氣氛;為避免氧化,鎂合金常在二氧化硫或二氧化碳保護(hù)氣氛中加熱;為避免氫脆,紫銅需要在中性或弱氧化性氣氛下熱處理。
2)為了達(dá)到最大的固溶效果,許多有色金屬合金的固溶溫度接近固相線的溫度,為了防止發(fā)生過熱過燒,必須嚴(yán)格控制爐溫和加熱保溫時(shí)間。
有色金屬因?yàn)闊崽幚聿划?dāng),引起力學(xué)性能不合格的常見原因及防止方法見表3。
▼表3 有色金屬熱處理常見力學(xué)性能缺陷及防止方法
3. 過熱與過燒
金屬或合金在熱處理加熱時(shí),由于溫度過高,晶粒長(zhǎng)得很大,以致性能顯著降低的現(xiàn)象,稱之為過熱;加熱溫度接近其固相線時(shí),晶界氧化和開始部分熔化的現(xiàn)象,稱之為過燒。
3.1 過熱
過熱組織包括結(jié)構(gòu)鋼的晶粒粗大,馬氏體粗大、殘余奧氏體過多、魏氏組織,高速鋼的網(wǎng)狀碳化物、共晶組織(萊氏體組織)、萘狀斷口、馬氏體不銹鋼的鐵素體過多、黃銅合金脫鋅使表面出現(xiàn)白灰,酸洗后呈麻面等。
典型的過熱組織如圖7 所示 。過熱組織按正常熱處理工藝消除的難易程度,可分為穩(wěn)定過熱和不穩(wěn)定過熱兩類,一般過熱組織可通過正常熱處理消除,稱之為不穩(wěn)定過熱組織。穩(wěn)定過熱組織是指經(jīng)一般正火、退火和淬火不能完全消除的過熱組織。
▲圖7 典型過熱組織形貌
過熱的重要特征是晶粒粗大,它將降低鋼的屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度,提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。參見圖8、圖9 ,表5、表6 。
▲圖8 晶粒大小對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度的影響
▲圖9 晶粒大小對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響
1-C0.02% Ni0.03% 2-C0.02% Ni3.64%
▼表5 晶粒度對(duì)工業(yè)純鐵力學(xué)性能的影響
▼表5 晶粒度對(duì)2135合金疲勞性能的影響
過熱的另一個(gè)重要特征是淬火馬氏體粗大,它將降低沖擊韌度和耐磨性,增加淬火變形傾向和淬火開裂傾向,如圖10、圖11、和表7、表8 所示 。中碳鋼馬上按其形態(tài)和尺寸分為8級(jí),7、8級(jí)即為過熱組織。
▲圖10 馬氏體等級(jí)對(duì)沖擊韌度的影響
▲圖11 馬氏體等級(jí)對(duì)耐磨性的影響
▼表7 45鋼及40Cr鋼淬火變形的尺寸變化(0.01mm)
▼表8 45鋼淬裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果
鋼的過熱缺陷還有魏氏組織、萘狀斷口、石狀斷口等,不僅能大大降低鋼的力學(xué)性能而且很容易產(chǎn)生淬火開裂。
各種過熱組織的特征和預(yù)防措施建表9 。為了防止產(chǎn)生過熱,應(yīng)正確的制定并實(shí)施合理的熱處理工藝,嚴(yán)格控制爐溫和保溫時(shí)間一般過熱組織可以通過多次退火或正火消除,對(duì)于較嚴(yán)重的過熱組織,如石狀斷口,不能用熱處理消除,必須采用高溫形變和退火聯(lián)合作用才能消除。
▼表8 國(guó)組織特征及預(yù)防挽救措施
3.2 過燒
過燒組織包括晶界局部熔化、纖維空洞,鋁合金表面發(fā)黑、起泡、斷口灰色無光澤,鎂合金表面氧化瘤等。典型的過燒組織見圖12 。
圖12 典型的過燒組織(50A鋼) 150X
過燒組織使性能嚴(yán)重惡化,極易產(chǎn)生熱處理裂紋,所以過燒是不允許產(chǎn)生的熱處理缺陷,一旦出現(xiàn)過燒,珍貴零件只能報(bào)廢,因此熱處理生產(chǎn)中要嚴(yán)格防止出現(xiàn)過燒。
4. 球化級(jí)別不合格
汽車、拖拉機(jī)及其他各種機(jī)器都大量使用標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件,軸、銷、桿等標(biāo)準(zhǔn)件大多數(shù)使用自動(dòng)車床車削加工,而螺栓、螺母、鉚釘?shù)染o固件大多數(shù)采用冷鐓加工,為了提高生產(chǎn)率,適應(yīng)自動(dòng)切削和冷鐓加工,其鋼料的預(yù)備熱處理是退火或球化退火,應(yīng)該對(duì)球化程度予以控制。
自動(dòng)車削加工要求鋼材具有良好的車削性能,塑性不能太高, 否則容易“粘刀” 車屑不斷,希望鋼材組織為片狀珠光體;而冷鐓加工要求鋼材具有良好的冷鐓性能,塑性要好,以保證冷鐓時(shí)不開裂,希望鋼材金相組織為球狀珠光體。
為此有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5074-91《低、中碳鋼球化率級(jí)別 》來評(píng)定球化級(jí)別。 以碳化物球化程度評(píng)級(jí),1級(jí)球化率為0,即珠光體完全是片狀,6級(jí)球化率為100%,即碳化物為完全球化狀態(tài)。冷鐓用中碳鋼一般要求4~6級(jí),自動(dòng)機(jī)床加工用低、中碳鋼一般要求1~3級(jí)。
低、中碳鋼預(yù)備熱處理的球化不合格將嚴(yán)重影響其冷鐓和自動(dòng)切削性能,球化級(jí)別對(duì)冷鐓性能影響如表10 所示 ,由此可以看出,球化1~3級(jí)冷鐓量大時(shí),將會(huì)產(chǎn)生開裂,而在4~6級(jí)則冷鐓時(shí)無開裂,所以冷鐓用鋼球化率控制在4~6級(jí)為合格。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,自動(dòng)化車削加工用鋼球化率控制在1~3級(jí)時(shí),零件表面粗糙度合適,帶鋸磨損正常,生產(chǎn)率高;如果球化率超過3級(jí),很難進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)床加工。
表10 不同級(jí)別金相組織對(duì)預(yù)頂鍛結(jié)果的影響
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?來源:應(yīng)審指揮部
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