日照市技師學(xué)院 (山東 276826) 劉招安
在熱處理的過(guò)程中,由于熱處理工藝控制不當(dāng),使工件產(chǎn)生某些缺陷,如氧化、脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒、硬度不足、變形與開(kāi)裂等。對(duì)熱處理質(zhì)量影響很大,甚至造成工件報(bào)廢。其中氧化與脫碳、變形與開(kāi)裂是最常見(jiàn)的熱處理缺陷。
氧化與脫碳是工件在加熱時(shí),由于加熱爐中介質(zhì)控制不好而出現(xiàn)的缺陷。
鋼在氧化介質(zhì)中加熱時(shí),會(huì)發(fā)生氧化而在表面形成一層Fe2O3、Fe3O4、FeO。加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng),其氧化作用也越強(qiáng)。
鋼在某些含有O2、CO2、H2及H2O的介質(zhì)中加熱時(shí),會(huì)使表層含碳量下降,這種現(xiàn)象稱之為“脫碳”。表層脫碳后,內(nèi)層的碳原子便向表層擴(kuò)散,使脫碳層逐漸加深。加熱時(shí)間越長(zhǎng),脫碳層越深。
氧化與脫碳使模具零件的質(zhì)量與使用壽命大大降低。如氧化嚴(yán)重可使零件淬火達(dá)不到硬度要求。脫碳后零件表層含碳量降低,使臨界冷卻速度增大,淬火后影響表層硬度與耐磨性,還可以造成工件表面質(zhì)量差,從而降低疲勞極限等。減少或防止工件在淬火中氧化與脫碳的措施有:
(1)正確控制淬火加熱溫度及保溫時(shí)間 在保證奧氏體化的前提下,其加熱溫度要盡可能的低。保溫時(shí)間要盡可能短。
(2)采用脫氧良好的鹽浴爐加熱 如果在以空氣為介質(zhì)的電爐中加熱,應(yīng)采取保護(hù)措施,如工件表面涂上一層保護(hù)涂料或向爐內(nèi)加入適量木炭、滴入煤油等進(jìn)行保護(hù)。
(3)應(yīng)用可控氣氛爐加熱 根據(jù)工件的含碳量和加熱溫度不同,向爐內(nèi)送入可以控制的保護(hù)氣氛,使工件表面不氧化、脫碳,也不滲碳。
(4)采用真空爐加熱 它不但能防止氧化與脫碳,還能使工件凈化,提高性能。但設(shè)備復(fù)雜,應(yīng)用較少。
淬火中變形與開(kāi)裂主要是淬火時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力引起的。形成內(nèi)應(yīng)力的原因主要是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于工件在加熱和冷卻時(shí)內(nèi)外溫度不一致,使工件截面熱脹冷縮先后不一致造成的。相變應(yīng)力是由于加熱時(shí)獲得奧氏體和冷卻時(shí)獲得馬氏體的比體積不同,以及零件淬火時(shí)其轉(zhuǎn)變先后不一致,造成工件體積膨脹不均勻的結(jié)果。熱應(yīng)力和相變應(yīng)力是不可分割的,是淬火中同時(shí)產(chǎn)生,因而變形與開(kāi)裂是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力復(fù)合的結(jié)果。當(dāng)這種復(fù)合應(yīng)力超過(guò)工件材料的屈服強(qiáng)度時(shí),便產(chǎn)生變形;當(dāng)超過(guò)工件材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),便產(chǎn)生開(kāi)裂。
淬火中的內(nèi)應(yīng)力是不可避免的。為了控制和減少變形,防止開(kāi)裂,一般采取以下措施。
(1)合理的鍛造工藝 合理的鍛造工藝可使網(wǎng)狀、帶狀及大塊的碳化物,呈彌散均勻地分布,減小內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生而減小變形與開(kāi)裂。
(2)合理的預(yù)備熱處理 淬火前預(yù)備熱處理,如退火與正火等。這種方法不但可以為淬火作好組織準(zhǔn)備,而且還可以消除工件在前面加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,在淬火中減小變形與開(kāi)裂。
(3)合理的淬火工藝 如正確選用加熱溫度與時(shí)間,避免奧氏體晶粒粗大;對(duì)形狀復(fù)雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄?,?yīng)緩慢多次加熱,以減小加熱中的熱應(yīng)力。工件在爐中安放要保證受熱均勻,防止加熱時(shí)變形。選擇淬火冷卻介質(zhì)和淬火方法要合適,以減小冷卻中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力等,對(duì)減小變形和防止開(kāi)裂有著重要的作用。
(4)淬火后及時(shí)回火 淬火后的工件如不及時(shí)回火,消除淬火應(yīng)力,對(duì)某些形狀復(fù)雜或含碳量較高的工件,在等待回火過(guò)程中就會(huì)發(fā)生變形與開(kāi)裂。因此,淬火后的工件應(yīng)及時(shí)回火。
(5)采用正確的浸入淬火冷卻介質(zhì)方式 工件浸入方式的選擇因工件形狀、尺寸不同而不同,總之,以保證工件各部位盡可能均勻冷卻為原則。如桿類工件浸入時(shí),應(yīng)使軸向中心線與液面垂直,盤(pán)、環(huán)類工件應(yīng)使徑向中心線與液面垂直等。
設(shè)計(jì)模具零件時(shí),如果只考慮結(jié)構(gòu)形狀適合機(jī)構(gòu)應(yīng)用的需要,而忽視了零件結(jié)構(gòu)的熱處理工藝性,會(huì)造成零件結(jié)構(gòu)形狀不合理而增大了淬火時(shí)變形與開(kāi)裂的傾向。一般應(yīng)遵循的原則及改善工藝性的措施如下:
(1)為防止淬火時(shí)應(yīng)力集中,應(yīng)避免零件上尖角、棱角。一般設(shè)計(jì)成圓角或倒角。
(2)厚薄懸殊的截面,在淬火過(guò)程中,由于冷卻不均勻會(huì)引起變形與開(kāi)裂。一般對(duì)該類零件要在結(jié)構(gòu)上采取措施:如開(kāi)工藝孔,合理安排孔、槽位置,在厚度大的截面切除不影響結(jié)構(gòu)的材料等,使厚度基本均勻,減小變形與開(kāi)裂。
(3)為避免應(yīng)力分布不均而產(chǎn)生變形,零件盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)以減小變形。
(4)對(duì)結(jié)構(gòu)上需要制成開(kāi)口形的零件,加工時(shí)先加工成封閉結(jié)構(gòu)。淬火、回火后再切斷為開(kāi)口形狀,以減小變形。
(5)某些整體結(jié)構(gòu)的零件,可采用組合結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行淬火,則可以減小變形,防止開(kāi)裂。
(20131121)