机械产品脱碳及其裂纹的分析

张永友

摘要:本文对钢铁进行热处理时脱碳及其裂纹进行了分析,也列举了若干个实例,以及避免缺陷出现的措施.

关键词:脱碳 淬火 开裂

产品在进行热处理时,由于各种原因会导致零件的缺陷甚至失效,比如过热,过烧,氧化,脱碳,变形,裂纹等,下面就一些实例进行列举和分析.

某调质钢制成的圆环外径1015毫米,内径830毫米,高50毫米,圆环内侧发现不完全淬火组织,圆环是由外径385毫米,内径355毫米的圆形毛坯经过镦粗,模锻,钻孔以及压延加工制造而成.分析缺陷的类型及其产生的原因:对送来的圆弧试样进行切片,并对它的内外表面分别车削15毫米,可以看到横向研磨面有大小不一的多个孔洞,从空洞所处的位置来看,不是收缩孔,半径方向的研磨面上,也没有发现往往和收缩孔同时出现的偏析和脱碳,在另一个断面上,有些贝壳状组织,经过盐酸水溶液腐蚀,孔与孔之间有沟槽,用显微镜观察,是奥氏体晶界,且晶界上覆盖一层圆形的硅酸盐夹杂物,由此判断,损坏事故的原因是制造过程中过热引起的锻造裂纹所致.

在钢铁产品中,有鳞片组织生成的同时,多数时候会有脱碳伴随.与鳞片组织一样,脱碳也是由氧气和水蒸气引起的.某些特殊情况下,也会由氢气引起.根源是氧化性气氛,脱碳往往在钢铁表面进行,消耗的碳会由内部向表面扩散补充,含湿气的弱氧化性气氛中脱碳会困难一些,原因是生成的鳞片状组织,阻碍了脱碳反应的生成物co向外排除.所以脱碳不明显,消耗的碳与时间的平方根成正比.与温度之间的关系较为复杂,不能一言以蔽之.虽然碳在γ-铁中扩散系数小于同一温度下α-铁中扩散系数,800度时扩散系数与浓度梯度的乘积最大,脱碳反应达到最大,超过800度之后,进入γ区域,扩散逐渐减少,不久,随着温度的继续攀升,原子间隙加大,脱碳及其扩散会再次上升.

在空气,氧气这些强氧化性气氛中,脱碳量与时间的关系,与弱氧化性气氛是不一样的.

脱碳的轻重程度,还与组织的类型及其形态大有关系.柱状晶的铁素体一般情况下很难出现.因为常见的强氧化性气氛中,鳞片状组织在低温下不发生脱碳,在平衡状态图中γ区域小的合金钢的表面难以生成鳞片状组织.

从以上叙述的事例中可以看出,在弱氧化性气氛中进行低温加热时,鳞片状组织阻碍了脱碳,我们不希望脱碳,箱式炉退火或保护性气氛中退火可以达到这个效果.

裂纹引起的损伤事故,对之进行调查和研究发发现,何时发生裂纹,在何种工作过程中发生裂纹,是相当重要的.一般情况下,处于裂纹边缘的组织可以给我们以一定的启示.比如,整个裂纹上都有脱碳,这个裂纹就可以排除淬火裂纹,应该在更早的时候就产生了,最迟是淬火前加热保温初期就形成了裂纹.另外,在调质或淬火产品中,如果从很宽的外部一直扩展到封闭的内部都有严重的脱碳,这往往是淬火裂纹.但是也不绝对.也有如下的情况,即先产生了裂纹,在淬火及其回火时裂纹扩展,同时,裂纹的边缘发生了脱碳.

表面脱碳其实也算一种事故,因为,脱碳后,材料的表面硬度,疲劳性能,淬火性能,耐磨性,尤其是弯曲强度,扭转疲劳强度,都会明显降低.因为:脱碳导致淬火时,脱碳层内奥氏体向马氏体的转变提前发生,产生内应力,从而可能导致变形和裂纹.比如,奥氏体系列的锰钢表面脱碳后,形成局部的马氏体,产生组织应力,材料脆性增加,往往发生破裂损坏.

某汽车板弹簧调质后抗拉强度达1270兆帕,在负荷不大的情况下,由于很多疲劳裂纹造成了破坏,大部分疲劳裂纹从板弹簧的上侧开始产生,板弹簧的心部全是细小均匀的针状组织,没有一点铁素体,就是表面有脱碳,没有其它的缺陷.破断面很小,是脱碳造成的损坏.

    某铅浴淬火拉制的弹簧钢丝制成的往复干草递送机的拨叉,试机时工作了15000次就破坏了,正常情况下,试验条件相同的情况下,应该工作40000次以上,所有的破坏都发生在第二批.断口由两个部分组成,疲劳断口和终断口,疲劳断口光滑,从受力最大的内侧表面开始扩展,终断口呈撕裂状的延性断裂,.去除拨叉表面油漆,发现断面附近有许多裂纹,这些裂纹同疲劳裂纹一样.对拨叉进行金相分析,拨叉表面有明显的脱碳,这也印证了上述的分析.

钢丝的拉拔性能与其组织有密切关系,球状珠光体的塑性比层片状珠光体的塑性好,对过共析钢进行软化退火处理时,要在临界温度以下反复进行加热,从γ+Fe3C冷却到临界温度以下时,碳往往以未熔碳化物为晶核,在其周围形成新的Fe3C,这样,原始的Fe3C很快球化,这样的钢如果要脱碳,要经过Fe3C的脱落才能实现,这是很困难的.例如,某轴承钢拉拔加工钢丝发生了破坏,断口上,表面组织比心部组织明亮,而且表面有许多的细小初期裂纹,通过显微镜观察发现,表面是层片状珠光体组织,心部是球状珠光体组织.正常情况下,这种钢的表层,应该有网状过共析Fe3C分布在粗大晶粒的晶界上.实际上却几乎完全没有,究其原因,表面发生了脱碳,使得钢丝的拉拔性能下降.

用40Cr钢制造调质螺栓,采用螺纹轧制法,部分螺丝有淬火裂纹,出现较多次品.为了找出原因,从次品螺栓中和合格的螺栓中各选30根进行检查,化学成分都符合标准,并且合格螺栓的铝及其氮的含量高些,是细晶粒钢.次品螺栓的铝及其氮含量低些,是粗晶粒钢,次品螺栓的脱碳层深得多.尤其完全不同的是合格品没有完全脱碳层.次品钢丝容易产生淬火裂纹的原因是由于它是粗晶粒钢,容易被强烈淬火.可以通过试验来进行比较.在钢丝上制造缺口进行淬火试验.一个用凿子制造缺口,另一个用刨削制造缺口,结果是,前者出现淬火裂纹,后者不出现.

除了脱碳,钢的表面增碳,也会引起损伤事故.某钢丝在拉丝之前没有除尽硬质酸盐,造成碳原子的逆扩散而形成增碳,加大了材料的脆性,导致拉丝时断裂.

热处理是工业生产中的一个重要环节,由加热,保温和冷却三个环节组成,过热,过烧,氧化,脱碳,变形,裂纹等都是常见的缺陷,必须加以高度的重视,最大程度地加以预防和消除.上面进行了一些列举和分析,供大家参考.