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絲錐柄部淬火開裂分析及防止措施

2021-01-13 1821

  機用M10絲錐采用兩種材料對焊而成,其柄部材料為45鋼,刃部材料為W6Mo5Cr4V2鋼。柄部技術要求為:硬度(35~45)HRC,并在1/2~2/3柄長范圍內保持(35~45)HRC。當柄部采用850℃鹽浴加熱,在8%CaCl2(質量分數)的水溶液冷卻的常規工藝淬火時,柄部方尾處產生淬火裂紋,批次裂紋發生率平均為2%,嚴重影響了正常生產。為此,對絲錐柄部淬火時出現的淬火裂紋予以分析,從而提出防止淬火裂紋產生的工藝措施,以解決生產難題。
  1 裂紋產生的原因分析
  絲錐柄部經化學成分分析,平均含碳量為0.48%,含錳量為0.79%,其余Si、P、S為正常。由于碳、錳含量均為45鋼上限,導致Ms點降低,使鋼的淬裂傾向性增加。尤其是錳含量處于上限范圍,鋼的相變點Ac3、Ar3陡然下降。若按常規溫度淬火,奧氏體晶粒必然粗大,淬透性提高,很容易產生淬火裂紋。另據文獻介紹,含碳量在0.48%左右中碳鋼的Ac3、Ar3點存在著個陡降的小值,分別為750℃和720℃,若按常規工藝淬火,很可能造成材料過熱,以致淬火開裂。其次,淬火開裂與工件形狀有密切關系,工件上的缺口、棱角、尖角、溝槽和斷面急劇變化的部位都是淬火內應力集中的地方,是淬裂的危險部位,而絲錐方尾出現裂紋的地方正是此種部位。絲錐的尖角、棱角等部位在淬火劑中先被冷卻,得到馬氏體組織,而后冷卻的心部也形成馬氏體時,體積膨脹,使尖角、棱角部位受到很大的拉應力,且為三向體積應力。加上應力集中因素可使尖角、棱角部位的應力達到平滑部位的10倍,易產生裂紋。
  據文獻介紹,45鋼易淬裂的尺寸范圍為5~11mm,截面尺寸過小或過大均不易淬裂。由于絲錐柄部尺寸6.3mm×φ8mm處于45鋼的臨界淬裂尺寸范圍之內,方尾處又帶有棱角、尖角,且碳、錳含量處于規定含量上限,淬火溫度偏高而冷卻劑又為CaCl2水溶液,故絲錐柄部淬火時,方尾處的棱角、尖角部位很容易產生淬火裂紋。
  為了防止柄部方尾處淬火裂紋的出現,進行了多次淬火試驗,采取了有措施,成功地解決了柄部方尾處淬火裂紋的問題。
  雙液淬火試驗
  考慮到碳、錳含量偏上限及Ac3點陡降點,將淬火加熱溫度由850℃ 降至820℃。工藝:820℃加熱、保溫(30~40)s/mm,鹽水-油冷卻。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工藝,批次裂紋發生率為5%。掌握好水中停留時間是此工藝的關鍵,否則柄部方尾處仍產生淬火裂紋。
  馬氏體等溫淬火試驗
  工藝:820℃加熱、保溫(30~40)s/mm,150℃堿浴等溫,隨后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工藝柄部方尾處無淬火裂紋出現。
  零保溫馬氏體等溫淬火試驗
  工藝:820℃加熱、零保溫,150℃堿浴等溫,隨后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。使用此工藝,柄部方尾處不產生淬火裂紋。
  亞溫馬氏體等溫淬火試驗
  工藝:780℃加熱、保溫(30~40)s/mm,150℃堿浴等溫,隨后空冷。淬火后硬度保持在50HRC以上。采用此工藝,柄部方尾處無淬火裂紋出現。
  分析上述4種試驗,試驗(1)在高溫區采用鹽水的快速冷卻抑制過冷奧氏體的分解,在溫度低于400℃時,立即轉入油中緩慢冷卻以減少淬火內應力,防止淬火裂紋。嚴格控制零件在鹽水中的停留時間是該工藝的關鍵,若停留時間過長,即為單液淬火,就會導致淬火裂紋。試驗(2)、(3)和(4)盡管加熱溫度、保溫時間不相同,但在奧氏體化時都避免晶粒粗大,減少淬裂傾向。同時淬火加熱溫度低,冷卻又都在150℃堿浴中停留并空冷,這大地降低了淬火內應力,防止了淬火裂紋的產生。在150℃堿浴中等溫停留,在消除熱應力的同時,過冷奧氏體發生馬氏體轉變,馬氏體隨即被回火轉變成回火馬氏體,消除部分相變應力。停留時間越長,被消除的相變應力就愈多。隨后空冷,殘留奧氏體發生馬氏體轉變的量小,相變應力小。這樣柄部殘存的淬火應力較小,不足以引起淬火裂紋。因此馬氏體等溫淬火能有防止絲錐柄部淬火開裂。試驗(4)雖然確定的加熱溫度接近Ac3線,但因錳含量偏上限,會使Ac3線下移,所以淬火加熱時仍會得到單的奧氏體組織。
  2 結論
  生產實踐證明,采用馬氏體等溫淬火或零保溫馬氏體等溫淬火或亞溫馬氏體等溫淬火,可以有防止M10絲錐柄部淬火出現的裂紋現象,并且能滿足硬度要求。從節能角度講,零保溫馬氏體等溫淬火果,自采用該工藝以來,柄部無淬裂現象,生產正常,產量增加。

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