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丝锥柄部淬火开裂分析及防止措施

2019-01-03 1076

  机用M10丝锥采用两种材料对焊而成,其柄部材料为45钢,刃部材料为W6Mo5Cr4V2钢。柄部技术要求为:硬度(35~45)HRC,并在1/2~2/3柄长范围内保持(35~45)HRC。当柄部采用850℃盐浴加热,在8%CaCl2(质量分数)的水溶液冷却的常规工艺淬火时,柄部方尾处产生淬火裂纹,批次裂纹发生率平均为2%,严重影响了正常生产。为此,对丝锥柄部淬火时出现的淬火裂纹予以分析,从而提出防止淬火裂纹产生的工艺措施,以解决生产难题。
  1 裂纹产生的原因分析
  丝锥柄部经化学成分分析,平均含碳量为0.48%,含锰量为0.79%,其余Si、P、S为正常。由于碳、锰含量均为45钢上限,导致Ms点降低,使钢的淬裂倾向性增加。尤其是锰含量处于上限范围,钢的相变点Ac3、Ar3陡然下降。若按常规温度淬火,奥氏体晶粒必然粗大,淬透性提高,很容易产生淬火裂纹。另据文献介绍,含碳量在0.48%左右中碳钢的Ac3、Ar3点存在着个陡降的小值,分别为750℃和720℃,若按常规工艺淬火,很可能造成材料过热,以致淬火开裂。其次,淬火开裂与工件形状有密切关系,工件上的缺口、棱角、尖角、沟槽和断面急剧变化的部位都是淬火内应力集中的地方,是淬裂的危险部位,而丝锥方尾出现裂纹的地方正是此种部位。丝锥的尖角、棱角等部位在淬火剂中先被冷却,得到马氏体组织,而后冷却的心部也形成马氏体时,体积膨胀,使尖角、棱角部位受到很大的拉应力,且为三向体积应力。加上应力集中因素可使尖角、棱角部位的应力达到平滑部位的10倍,易产生裂纹。
  据文献介绍,45钢易淬裂的尺寸范围为5~11mm,截面尺寸过小或过大均不易淬裂。由于丝锥柄部尺寸6.3mm×φ8mm处于45钢的临界淬裂尺寸范围之内,方尾处又带有棱角、尖角,且碳、锰含量处于规定含量上限,淬火温度偏高而冷却剂又为CaCl2水溶液,故丝锥柄部淬火时,方尾处的棱角、尖角部位很容易产生淬火裂纹。
  为了防止柄部方尾处淬火裂纹的出现,进行了多次淬火试验,采取了有措施,成功地解决了柄部方尾处淬火裂纹的问题。
  双液淬火试验
  考虑到碳、锰含量偏上限及Ac3点陡降点,将淬火加热温度由850℃ 降至820℃。工艺:820℃加热、保温(30~40)s/mm,盐水-油冷却。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工艺,批次裂纹发生率为5%。掌握好水中停留时间是此工艺的关键,否则柄部方尾处仍产生淬火裂纹。
  马氏体等温淬火试验
  工艺:820℃加热、保温(30~40)s/mm,150℃碱浴等温,随后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工艺柄部方尾处无淬火裂纹出现。
  零保温马氏体等温淬火试验
  工艺:820℃加热、零保温,150℃碱浴等温,随后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。使用此工艺,柄部方尾处不产生淬火裂纹。
  亚温马氏体等温淬火试验
  工艺:780℃加热、保温(30~40)s/mm,150℃碱浴等温,随后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工艺,柄部方尾处无淬火裂纹出现。
  分析上述4种试验,试验(1)在高温区采用盐水的快速冷却抑制过冷奥氏体的分解,在温度低于400℃时,立即转入油中缓慢冷却以减少淬火内应力,防止淬火裂纹。严格控制零件在盐水中的停留时间是该工艺的关键,若停留时间过长,即为单液淬火,就会导致淬火裂纹。试验(2)、(3)和(4)尽管加热温度、保温时间不相同,但在奥氏体化时都避免晶粒粗大,减少淬裂倾向。同时淬火加热温度低,冷却又都在150℃碱浴中停留并空冷,这大地降低了淬火内应力,防止了淬火裂纹的产生。在150℃碱浴中等温停留,在消除热应力的同时,过冷奥氏体发生马氏体转变,马氏体随即被回火转变成回火马氏体,消除部分相变应力。停留时间越长,被消除的相变应力就愈多。随后空冷,残留奥氏体发生马氏体转变的量小,相变应力小。这样柄部残存的淬火应力较小,不足以引起淬火裂纹。因此马氏体等温淬火能有防止丝锥柄部淬火开裂。试验(4)虽然确定的加热温度接近Ac3线,但因锰含量偏上限,会使Ac3线下移,所以淬火加热时仍会得到单的奥氏体组织。
  2 结论
  生产实践证明,采用马氏体等温淬火或零保温马氏体等温淬火或亚温马氏体等温淬火,可以有防止M10丝锥柄部淬火出现的裂纹现象,并且能满足硬度要求。从节能角度讲,零保温马氏体等温淬火果,自采用该工艺以来,柄部无淬裂现象,生产正常,产量增加。

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