盘状零件热处理防裂纹技术的应用

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【摘 要】本文对碳素结构钢调质时的结构形式进行了分析，根据盘状零件经热处理后的实际结果证实，零件所采用的材料与截面结构形式，在不同的热处理条件下产生的结果不同。针对零件在热处理过程中发生裂纹的原因进行了阐述。

【关键词】盘状零件；结构形式；热处理；裂纹

0.前言

碳素结构钢的零件，为了保证其具有良好的机械性能，同时改善材料的切削性能，常采用调质的方式获得。零件坯料的调质处理是热处理中最常用的一种形式，在调质过程中由于受到材料及零件结构的限制，同时也受到升温和降温（冷却介质）的影响。经热处理的零件坯料不同程度上发生不可避免的缺陷，既裂纹的产生。

1.实际案例

该零件为盘状形式，采用材料为45号圆钢；调质处理后布氏硬度为220～250之间；零件两端分别为内螺纹和外螺纹；内外螺纹中径尺寸一样。直径与厚度比为1.5～3：1。热处理后进行无损探伤，不得有裂纹等缺陷存在。

根据零件的技术要求，制定相应的工艺流程：备料——粗加工——调质——半精加工——探伤——精加工……。由于该零件起到与前后端的连接功能，必须保证零件不得有任何制造缺陷存在，故在全件加工结束后还要再增加一次探伤检查。

2.缺陷发生的原因与分析

根据该零件的结构特点，在坯料粗加工时，各尺寸留1.5～2毫米机加工余量，内直角处圆弧过渡。在调质过程中发现，当零件经过淬火后发生不同程度的裂纹，而且裂纹发生部位不规则存在随机性，环向横向均有裂纹存在，大部分裂纹发生在最大直径外圆处，成品率低于60%。检查调质时的升温速率及保温时间均在热处理工艺规定范围内，冷却介质为盐水，热处理工艺满足操作规范。

查阅相关资料得到产生裂纹的原因有以下几个方面：

a.材料的供货状态，由于各钢厂同一型号的产品存在差异，主要是钢材的淬透性与组织应力不一样，在淬火时产生的热应力与残余应力不一样，直接影响热处理的质量。

b.淬火时加热温度过高，材料在加热过程中直接受到热应力的影响，温度越高对材料越不利。

c.在Ms马氏体点处，材料组织在从奥氏体向马氏体转变时的温度范围在300℃～400℃之间。此时冷却速度对材料组织应力有直接因果关系。

d.零件的结构形式也对产生裂纹有一定的联系，若工件截面不均匀，有比较大的尺寸差异，同时伴有尖锐的角度等均会发生开裂现象。

e.零件淬火后不及时回火处理，零件内部的残余应力也会造成开裂现象的发生。

f.零件有效厚度的增加，在水中冷却时，淬火硬度缓慢下降，但到一定厚度时，淬火硬度下降较快，在油中冷却时的效果则相反，但到一定厚度时效果不明显或者无效果。冷却介质的选择对热处理质量也有一定的影响。

通过以上的分析，产生缺陷的重要原因是：当零件结构形式、材料、热处理工艺一定时，材料在加热与冷却过程中，受组织应力、热应力及残余应力的影响，影响质量的因素不是单一的，在综合因素的影响下，会不同程度的影响到热处理的质量。

3.措施与效果

根据上述分析，采取以下的预防措施：

a.在零件结构上尽可能的使零件截面尺寸一致，增大截面尺寸厚度，避免较大的差异，同时增大直角处的过渡圆弧。

零件经过改进后，按热处理工艺进行调质处理，成品率有所提高，达到80%左右。但是还是有开裂现象存在，开裂位置基本在同一位置，即在内螺纹一端环面上。

b.由于单独解决零件的结构形式，不能根本解决零件开裂问题。为了根本上解决该问题，采取了如下手段：

a）先从材料的供货状态控制，采购定点钢材生产厂家。若更换供货厂家，材料进厂后先对其进行工艺试验，当机械性能满足使用要求后再采用该批材料，从批次管理控制材料的质量。

b）零件的结构形式。根据减少截面尺寸差距的原则，同时考虑下道精加工的要求，留有相对合理的余量，各尺寸单面控制在2毫米左右，内直角处圆弧过渡，圆弧尺寸二倍余量以上。

c）调质温度进行控制。在满足零件硬度的前提下，淬火时加热温度尽可能低。避免热应力对零件材质的影响，但一定要将零件烧透，保证材料的淬透性能。

d）零件出炉淬火时，要尽快将零件放入冷却介质中，让零件快速冷却，增大表面的压缩内应力。同时零件要在冷却液中均匀晃动，使其表面产生的气泡破裂，达到均匀冷却效果。

e）采用二种冷却介质，快速冷却时的介质为水或盐水，当零件冷却到Ms点时，控制在300℃左右出水，迅速将零件放入油中进行2次冷却，零件在油中的冷却速度放缓，降低组织应力的影响。出水温度的控制较难，不可能每个零件测量温度范围，根据实践经验证明，当淬火件进入冷却液中会发生震动，手持时相当明显，当震动即将消失时，此时零件的温度基本就在300℃左右。这一点要经过实践才能控制准确，震动消失再出水发生裂纹的机遇增大。

采取上述的控制措施后，零件调质后的合格率大大提高，经过多批次，不同规格的零件实践，合格率基本达到100%。

4.结束语

在机械加工制造行业中，钢材进行热处理的工序，通常称为特殊工序。它的特殊性在于事后才能发现是否有质量问题的存在。为防止缺陷的发生，采取必要的预防措施。制订正确的热处理工艺，在热处理工艺实施前，进行必要的工艺试验和评审，减少风险的存在。

工艺设计阶段充分考虑到原材料零件结构形式及热处理等因素的影响，采用必要的防范措施，对可能发生的问题进行系统分析和探讨，采用合适的方式，成熟的理论。同时结合实际操作经验，就能较顺利的解决所发生的问题。 [科]

【参考文献】

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