對(duì)于任何一個(gè)單位,只要經(jīng)過熱處理,出一點(diǎn)質(zhì)量問題實(shí)屬難免,缺陷分析應(yīng)該實(shí)事求是,但現(xiàn)實(shí)很不公平,沒有人給我們熱處理人當(dāng)裁判,只要出現(xiàn)質(zhì)量問題,總有人對(duì)你說三道四。積累了不少冤假錯(cuò)案,也許一輩子也不會(huì)“平反昭雪”。以下從設(shè)計(jì)、材料、鍛造、磨削4個(gè)方面闡述對(duì)熱處理的傷害。
1 設(shè)計(jì)不良造成的熱處理廢品
機(jī)械設(shè)計(jì)師應(yīng)該懂一點(diǎn)熱處理,但現(xiàn)實(shí)中由于設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致刀具、模具、量具等熱處理開裂比比皆是。由于重冷輕熱傳統(tǒng)觀念的影響,只要在熱處理中開裂的,罪過總是熱處理的。
先以模具設(shè)計(jì)為例,設(shè)計(jì)不僅要結(jié)構(gòu)合理,還應(yīng)根據(jù)模具的服役條件和受力狀態(tài)選擇材料,制定合理的熱加工工藝,以達(dá)到希望的硬度值和力學(xué)性能。此外,還要對(duì)鋼材料的纖維取向、模具的幾何形狀變化、圓角曲率半徑的大小給予周全的考慮, 有必要還要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐驗(yàn)證。
當(dāng)前模具設(shè)計(jì)對(duì)熱處理的危害主要表現(xiàn)在:模具結(jié)構(gòu)不盡合理(截面尺寸不均、多處不是圓角過渡);硬度要求不甚合理;選材錯(cuò)誤,比如用40Cr制作的工模具,尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其臨界淬火直徑,油淬不硬,水淬易裂。
刀具設(shè)計(jì)也有不合理的地方,比如用M42之類的高性能高速鋼,動(dòng)輒要求67~69HRC的高硬度, 造成刀具早期脆斷,有的根本就不能使用。我們要以現(xiàn)實(shí)為鏡,不能盲目追求高硬度,超硬高速鋼也不能超硬度。根據(jù)我們多年的經(jīng)驗(yàn),M42之類的高性能高速鋼制刀具,根據(jù)不同產(chǎn)品,將硬度控制在66~67.5HRC較妥。
2 原材料不良導(dǎo)致熱處理失誤
材料是基礎(chǔ),基礎(chǔ)不牢地動(dòng)山搖。原材料不良主要體現(xiàn)在以下10個(gè)方面。
(1)網(wǎng)狀碳化物
當(dāng)模具鋼存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物時(shí),使脆化增加,在沖切過程中易在應(yīng)力集中 部位形成微裂紋,隨著沖切次數(shù)的增加,微裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂,如圖1所示。
(2)帶狀組織
當(dāng)原材料存在帶狀組織時(shí),淬火組織也呈帶狀。這種組織不均勻狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加,嚴(yán)重降低工具的使用壽命。此外,球化退火不良或其他原因遺留的網(wǎng)狀、帶狀碳化物,也是工具早期脆裂的原因之一。
(3)碳化物偏析
高速鋼的碳化物偏析對(duì)刀具裂紋的形成傾向有很大的影響。研究表明,一旦碳化物偏析≥5級(jí)時(shí),按正常的溫度淬火,形成裂紋的敏感度激增。這是因?yàn)殇撝械奶己秃辖鹪剌^集中的區(qū)域在一定程度上降低鋼的熔點(diǎn),即使在正常的淬火溫度下,也易出現(xiàn)過熱和過燒組織。
(4)疏松
疏松是大規(guī)格材料常見的一種組織缺陷,它使鋼材料的強(qiáng)度下降,熱處理時(shí)易裂。
(5)表面裂紋
原材料的表面裂紋,在淬火前必須徹底清除,否則淬火后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
(6)碳化物液析
鋼材在凝固過程中,由于碳和合金元素的偏析,冷卻時(shí)使偏析處——液體中析出大塊碳化物,在隨后的熱加工冷卻過程中不易被除,它以大塊碳化物帶狀形式沿鋼的軋制方向存在于鋼材中,這種偏析稱為液析。液析使鋼的脆性增大,金屬基體被切割,淬火易裂。
(7)脫碳
脫碳不應(yīng)超過國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并且在淬火前要全部去除,如果有脫碳,由于相變的不一致性,易形成淬火開裂。
(8)夾雜物
夾雜物是鋼中常見的一種現(xiàn)象,依其性質(zhì)可分為金屬夾雜物和非金屬夾雜物。夾雜物對(duì) 鋼的質(zhì)量危害極大,對(duì)鋼的基體起破壞分割作用, 降低鋼的塑性和強(qiáng)度,使鋼在鍛造、熱處理時(shí)易在夾雜處形成裂紋。
(9)成分配比不合理
此問題在其他鋼中影響不明顯,很少人去研究,但在高速鋼中就敏感多了。比如當(dāng)M2鋼的C含量在下限(0.80%),而V含量在上限(2.2%)時(shí),致使鋼的碳飽和度低于 0.76,淬火回火后硬度達(dá)64HRC都難,刀具性能差、壽命短。
(10)熱處理工藝性能差
近年來,常發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的W18鋼扁條,用1220~1270℃淬火,金相、硬度基本一致,沒有二次硬化效應(yīng)。淬火時(shí)碳化物溶不進(jìn),回火時(shí)碳化物析不出,刀片質(zhì)量差,客戶反映不佳。
3 鍛造導(dǎo)致的熱處理失誤
鍛造與熱處理的關(guān)系非常密切,它對(duì)熱處理的傷害主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
(1)鍛造裂紋
有些單位在鍛造薄片車?yán)稐l時(shí),極易產(chǎn)生縱向表面裂紋,在淬火前若不能徹底清除,必會(huì)在淬火后重現(xiàn)且擴(kuò)大。
(2)脫碳
手工自由鍛或在反射爐中加熱的高合金鋼鍛件,脫碳是肯定的,但退火要保護(hù)好,且在加熱前應(yīng)該徹底清除掉。事實(shí)上,有些單位為了節(jié)約貴重的原材料,使加熱前留有0.1~0.15mm的脫碳層,給熱處理帶來難題。
(3)萘斷口
我們?cè)l(fā)現(xiàn)φ200mm×3mm鍛件M2鋼制中齒鋸刀片銑刀,淬火金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一邊有萘斷口,而對(duì)邊組織正常,萘斷口形貌如圖5所示。
4 磨削裂紋
滲碳鋼或高合金鋼件熱處理后一切正常,但在磨削表面出現(xiàn)垂直于磨削方向的龜裂,是典型的磨削裂紋。只要回火充分,不過熱,熱處理無過失。
結(jié)束語(yǔ)
從上述4種情況來看,設(shè)計(jì)、材料、鍛造、磨削等與熱處理關(guān)系密切。熱處理受制于人,一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題,熱處理即是罪人。應(yīng)該實(shí)事求是,找出真正原因,還熱處理一個(gè)清白,給熱處理一片沃土,讓其健康成長(zhǎng)。
(文章來源:作者:鄧振宇,趙步青,胡明,胡會(huì)峰,朱昌宏,蔣榮坤,劉小兵,朱建成;)
參考文獻(xiàn):
[1] 王廣生,等.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].2版.北 京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[2] 趙步青.工具用鋼熱處理手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出 版社,2014.
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