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浅谈锻后余热淬火中的质量控制 |
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作者：李志义 李晓澎 |
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前言：在世界各国大力提倡，减排、降耗的方针下：国内不少学者、企业从各方面采取措施，而锻后余热淬火是其中的重要措施之一。
锻后余热淬火是形变热处理中属高温形变热处理。资料[1、2、3]有详细的讲述。至今为此，锻后余热淬火国内不少厂家均已应用，也有少数厂家因为质量控制措施欠妥而上马→下马→再上马或上马→下马→继续下马。
与常规热处理相比，由于高温加热锻造形变，使钢件的马氏体小角晶界的增多，位错密度增加，原始氢部分逸出，原始裂纹愈合和减少，以及碳化物的弥散析出等使钢件淬火硬度显著提高（一般提高 10%左右）在回火时，钢件具有很高的回火抗力（回火温度较常规提高，一般提高20℃-30℃）。
在参加各兄弟厂锻热淬火时，不少厂技术人员询问质量控制问题，今撰写此文，示以交流，避免走弯路……。
1、当我们因各种原因去热处理厂时，很多工程技术人员提出原材料等各方面均好，一个另件看后怎样预策其淬火断裂现象呢？这就是总结的三大效应(此三大效应同样对表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象有参考价值)。
1.1化学成分效应：例如：碳钢：同样尺寸ф6、同样淬盐水：35钢、40钢、45钢、50钢、55钢、60钢、65钢，结果45钢~60钢很容易断裂。因马氏体含碳量越高应力越大，最高含碳量约0.6%左右。而钢种含碳量很高时0.6%以上，有残A产生，缓减了马氏体应力的择放不易断裂。一般讲：合金钢最易淬裂。例如：42CrM。在尺寸很大ф100时淬水不裂。这就是下述讲的尺寸效应。
1.2尺寸效应：例如：45钢：ф1、ф2、ф3……ф10淬火结果发现ф6最易淬裂。因为ф6以下一般能全部淬成马氏体。而ф6总体转变成马氏体应力最大，所以最易断裂。
同理：合金钢总体应力最大的尺寸是淬透性指标（淬透性为半马氏体区）略为2/3左右。因此，某合金钢先查淬透性指标，然后看工件。就知最危险的尺寸大约是多少？
1.3形状效应：截面突变，R角太小，相邻尖角凸出、边缘有深沟槽，冲制标记尖棱，盲孔、底部开孔、阶梯式开孔、孔距不当、孔径大小不等、截面积不对称等。
２、预冷温度的选择
大家都知道锻后未预冷直接淬火马氏体组织晶粒较小。能达到目前国内通用的金相标准要求，而且性能也不错，但对大型、复杂的零件，淬油，不能满足要求的情况下，采取水或水溶液淬火介质淬火、容易引起开裂。就是淬油，为防污染，节约成本，也应尽可能改为水基淬火介质。
重庆某公司生产的斯太尔重型汽车总成中的42CrM。钢；前轴梁、平衡轴锻件，就是在该公司某技术人员片面地将预冷≈800℃，改为≥850℃直接淬火，引起了大型淬火裂纹约占80%。当然断裂的原因经分析，原材料含B达到重庆建设集团检测报告0.0022%，兵器部西南地区理化检测中心长安集团报告0.0042%。注：（1）.国军标GJB2720-1996，硼钢含硼标准为0.0005~0.0035%；（2）.含金结构钢技术条件GB3077-88中硼钢含硼标准为0.0005~0.0035%。带状偏析到Ⅰ级……也是原因之一。
原材料带状偏析严重达Ⅰ级的问题为产生裂纹的重要因素（偏析较重则引起化学成分和热处理淬火应力分布不均匀，易引起淬火裂纹的产生）
利用X射线能谱分析：
将制成的金相试样组织中晶界和基体用Vantage型X－射线能谱分析仪进行定性半定量成分分析，其分析结果见图1、图2及表1。
图1
图2
表1
 但是另一炉钢含硼也高，偏析也较大采取降低预冷温度调整PAG的浓度，也就没有产生裂纹了。
预冷温度的选择：首先，根据前面讲的三大效应，判断最易断裂的部位。应适当调整工艺参数。例如：
（1）“上述前轴梁”42CrM。我们预冷≈800℃淬PAG，HRC控制在48～52为易。
（2）、重庆某大型摩托车曲轴厂：采用锻后排队预冷的办法达到预冷≈770℃淬PAG，采用网带提升机构使不冷透就离开液面并稍带自回火，目前落料后的45钢和40Cr预冷温度相似，PAG浓度不同。
（3）、重庆某曲轴厂：采用锻后进入恒温炉的装置，使其保持预冷在≈770℃淬入水基溶液……
3、淬火介质的选择：依据於世界各国最新的研究，所谓硬壳效应。要求：珠光体转度的第一冷却速度要快，形成具有压应力的硬壳效应。而马氏体转度要缓慢，这样不易产生裂纹，并采用程控喷冷控速等一系列的研究成果，值得推广应用。
我们研制的PAG－ⅢA、PAG－ⅢB型淬火液是依据目前市场上急需一种珠光体转变速度类似盐水和碱水，而马氏体转变速度类似于油，真正代替水淬、油冷的新型淬火液，而且防锈能力保持5天以上。要使珠光体转变类似盐和碱水，必须使淬火工作入液时形成的气泡膜很快破裂，从而使冷却速度加快。例如在3%浓度下，第一冷却速度均不如盐水和碱水，也就是必须要添加某一种或多种混合添加剂来达到上述要求。实际上PAG-ⅢA该浓度达到第一速度比水、聚乙稀醇快而第二速度又比其它厂家在同一浓度下的PAG要慢……。在网带炉渗碳淬火上：PAG－ⅢA的研发和应用多……目前，全国共有20多条网带炉在应用；特别是网带炉渗碳解决了软点、硬度不足、变形大……。防锈能力5天以上，PAG的消耗下降20%。
图 3 淬火介质冷却性能测试报告
重庆地区就有6家应用PAG－ⅢA，因有些厂家采用该型号，使某些特殊的产品解决了其它介质很难解决的问题、产量日增，为保密起见恕不一一介绍。在高频；中频淬汽车半轴上均广范应用。
4、淬火液浓度、温度和搅拌
我们所服务的单位：淬火液的PAG浓度，根据钢种，另件尺寸，形状尺寸依据理论加经验来调整其浓度……。
液温控制在30-50℃，采用厂房外大型循环池，循环换热。搅拌和循环是合一的整体。
5、淬火后的硬度控制
淬火后的硬度是一个防止开裂的非常重要的指标：特别是采用水基淬火液时，硬度越高，易产生裂纹，易增大变形。以42CrMo。前轴梁为例控制在HRC48～52为宜。
6、淬火后应即时回火
淬火回火的间隔时间：≤30分钟（重庆建设集团的军民品要求水基液淬火至回水间隔时间超过30分钟则报废）小件生产可用连续回火生产线。
7、锻热淬火后的金相组织及性能
锻热淬火，若要预冷，一般晶粒较大，资料［１、２、３］由于当年同学们毕业论文的试验，一般采用的小型试样未预冷直接淬火，给出了很重要的理论依据。
随着人们的创新发展：现行生产工艺，目前均采用预冷淬火，晶粒一般在2-3级，但性能均有上乘的反映，就上述前轴梁为例：开始未锻热淬火，晶粒小，标准疲劳循环资料为90万次后允许断裂而采用锻后预冷淬火疲劳循环达130万次还未发生断裂。
为什么锻热预冷淬火晶粒粗大而试验性能好呢？主要是小角晶界增多、位错密度增加，而在一般的金相显微镜下是看不到的。因此不少锻热淬火单位，不得不与上家检验单位“攻关疏通”为此，目前搞金相标准的工程技术人员，应火速制定锻热淬火金相标准，是很紧急的事情……。
8、结论
8.1 锻后余热淬火应用预冷方式 预冷温度的选择依据需要的组织及使用性能，只需达到要求就越低越好。
8.2 锻后余热淬火的淬火介质选择尽可能采用第一冷却速度快（珠光体转变速度）形成硬壳效应。第二冷却速度慢(马氏体转变速度慢)的淬火液。
8.3 原材料等各方面都好的情况下，预策是否是产生裂纹应了解三大效应。
8.4 原材料的化学成份和偏析、特别易产生裂纹，建议更换炉号时，必须小批试生产并100%磁化检验。以利找措施杜绝大批报废的现象发生。
参考文献
[1] 雷廷权、傅家骐，热处理工艺方法300种[M]北京机械工业出版社1982：30
[2] 雷廷权、姚忠凯等，钢的形变热处理[M]北京机械工业出版社1979
[3] 戚正风，锻造余热热处理[M]北京机械工业出版社 1987
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(12/24/2008) |
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