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    金屬熱處理過程中的硬度、力學性能及組織不合格問題解析

    1. 硬度不合格


    金屬材料的硬度與其靜拉伸強度和疲勞強度存在一定的經驗關系,并與金屬的冷成形性、切削加工性和焊接性能等加工工藝性能存在某種程度的關系;硬度試驗不損壞工件,測試簡單,數據直觀,故而被廣泛用作熱處理工件的最重要的質量檢驗指標,不少工件還是其唯一的技術要求。


    硬度不合格是最常見的熱處理缺陷之一。主要表現為硬度不足、淬火冷卻速度不夠、表面脫碳、鋼材淬透性不夠、淬火后殘余奧氏體過多、回火不足等因素造成的。淬火工件在局部區域出現硬度偏低的現象叫做軟點。


    軟點區域的圍觀組織多為馬氏體和沿原奧氏體晶界分布的托氏體混合組織。軟點或硬度不均勻通常是由于淬火加熱不均勻或淬火冷卻不均勻所引起。加熱時爐溫不均勻,加熱溫度或保溫時間不足是造成加熱不均勻的主要原因。


    冷卻不均勻主要由于淬火冷時工件表面附著著淬火介質的氣泡、淬火介質被污染(例如水中有油懸浮珠) 或淬火介質攪動不充分所造成的。此外,鋼材組織過于粗大,存在嚴重偏析,大塊碳化物或大塊自由鐵素體也會造成淬火不均勻形成軟點。


    1.1 軟點


     淬火加熱的目的是使工件在淬火過程中完成組織轉變。為此,必須加熱到適當溫度并有足夠保溫時間。加熱溫度偏低和保溫時間不足使得原珠光體組織未能完全轉變為奧氏體和轉變的奧氏體成分不均勻,淬火后得不到完全馬氏體組織,結果使工件淬火后形成軟點。  


    圖1為T12鋼制造的手用絲錐因加熱不足形成的顯微組織:細針馬氏體+淬火托氏體+珠光體。性能上表現為硬度不均勻。 


    ▲圖1 T12A鋼加熱不足的顯微組織

    1-細針馬氏體  2-淬火托氏體  3-珠光體


    淬火介質攪拌不充分,工件在淬火介質中移動不夠或者工件進入介質方向不對時,往往延遲了工件表面某些部位的蒸汽膜破裂,導致該處冷卻速度降低,從而出現高溫分解產物,形成軟點或局部硬度下降。水蒸氣膜比鹽水穩定,因此軟點更易在水淬的工件上形成。水和水溶液的溫度越高越容易產生軟點。


    淬透性較差的碳鋼,工件截面較大時容易出現軟點。工件表面不清潔,如有鐵銹、碳黑等,也會造成淬火后出現硬度偏低的現象。


    1.2 硬度不足


    加熱不足往往會導致淬火件硬度不足。但冷卻不當卻是工件硬度不足的常見原因。工件出爐后至淬火前預冷時間過長,冷卻介質選擇不當或冷卻介質溫度控制偏高,導致冷卻能力不夠,工件表面有氧化皮或附著鹽液,淬火后工件從淬火介質中提出時溫度過高,均可能導致過冷奧氏體在 C 曲線的珠光體轉變區域發生分解,形成索氏體和托氏體等非馬氏體組織使工件硬度不足。


    淬火組織中存在大量殘余奧氏體是淬火工件硬度不足的重要原因。殘余奧氏體量與奧氏體化學成分有關,含碳量大于 0.5%~0.6% 時,淬火組織中即可明顯的觀察到殘余奧氏體的存在,繼續增加碳含量,殘余奧氏體量急劇上升,碳的質量分數為1.4%時,殘余奧氏體量(體積分數)達 30%。


    凡是以置換方式固溶于奧氏體的合金元素皆引起殘余奧氏體量的增多。殘余奧氏體量較少時,對硬度沒有明顯影響,殘余奧氏體量較多時,將導致硬度下降,體積分數 20% 的殘余奧氏體將使淬火硬度下降約 6.5HRC 。


    1.3 高頻淬火和滲碳工件的軟點和硬度不足


    高頻淬火工件的軟點包括表層局部沒有淬硬的殘留軟點和硬化層深度不均勻的深度軟點兩種。這些硬度缺陷由于材料選擇不當,原始組織不良,高頻淬火加熱的電參數、感應器和冷卻裝置不當等因素所造成的。


    高頻淬火多用于中碳結構鋼和低碳中合金結構鋼,由于高頻淬火加熱是快速加熱,奧氏體中的碳來不及通過擴散而未充分均勻化,因此,含有Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素的鋼,由于相變點較高,高頻感應加熱淬火時,易產生軟點和硬度不均勻,選擇高頻淬火用鋼時,應考慮上述元素不要超過一定含量。


    鋼中碳化物類型、形態、尺寸及分布對高頻淬火工件的質量有顯著影響。鋼中有網狀碳化物、碳化物尺寸過大并分布不均勻時,易產生硬度不均勻和硬度不足等缺陷。因此高頻淬火受預先熱處理的影響很大,高頻淬火最佳原始組織是調質處理的回火索氏體。


    高頻感應圈不均勻時,也會導致淬火硬度不足,噴射角度不當,噴射孔大小、數量位置不合理或噴孔被堵塞時,往往導致高頻淬火工件硬度不足或形成軟點。


    滲碳工件硬度不足和軟點多由滲碳不足、淬火時脫碳、淬火溫度過低、淬火冷卻速度不足、表面殘余奧氏體量過多、回火過度、工件表面不清潔、滲碳不均勻或冷卻不均勻造成。


    2. 有色金屬合金力學性能不合格


    工業上用的最廣泛的有色金屬是鋁、銅、鎂、鈦及其合金。有色金屬與鋼鐵的熱處理原理相同,但是有其自身的特點。例如,共析轉變對鋼的熱處理有重要作用,但在有色金屬中就很少遇到;馬氏體轉變是鋼鐵材料賴以強化的主要手段,但除了少數銅合金和鈦合金外,其他有色金屬一般不能通過馬氏體轉變強化。


    有色金屬常用的熱處理工藝是均勻化退火、再結晶退火、去應力退火、固溶處理和時效處理。固溶時效是有色金屬最常用的也是最重要的熱處理強化工藝。



    有色金屬熱處理應特別注意以下問題:


    1)有色金屬活潑,對加熱環境要求嚴格。例如,鈦合金的加熱環境一般應為真空或微氧化氣氛;為避免氧化,鎂合金常在二氧化硫或二氧化碳保護氣氛中加熱;為避免氫脆,紫銅需要在中性或弱氧化性氣氛下熱處理。


    2)為了達到最大的固溶效果,許多有色金屬合金的固溶溫度接近固相線的溫度,為了防止發生過熱過燒,必須嚴格控制爐溫和加熱保溫時間。


    有色金屬因為熱處理不當,引起力學性能不合格的常見原因及防止方法見表3。


    ▼表3 有色金屬熱處理常見力學性能缺陷及防止方法



    3. 過熱與過燒


    金屬或合金在熱處理加熱時,由于溫度過高,晶粒長得很大,以致性能顯著降低的現象,稱之為過熱;加熱溫度接近其固相線時,晶界氧化和開始部分熔化的現象,稱之為過燒。


    3.1 過熱


    過熱組織包括結構鋼的晶粒粗大,馬氏體粗大、殘余奧氏體過多、魏氏組織,高速鋼的網狀碳化物、共晶組織(萊氏體組織)、萘狀斷口、馬氏體不銹鋼的鐵素體過多、黃銅合金脫鋅使表面出現白灰,酸洗后呈麻面等。


    典型的過熱組織如圖7 所示 。過熱組織按正常熱處理工藝消除的難易程度,可分為穩定過熱和不穩定過熱兩類,一般過熱組織可通過正常熱處理消除,稱之為不穩定過熱組織。穩定過熱組織是指經一般正火、退火和淬火不能完全消除的過熱組織。


    ▲圖7 典型過熱組織形貌


    過熱的重要特征是晶粒粗大,它將降低鋼的屈服強度、塑性、沖擊韌度和疲勞強度,提高鋼的脆性轉變溫度。參見圖8、圖9 ,表5、表6 。


    ▲圖8 晶粒大小對鋼的屈服強度的影響


    ▲圖9 晶粒大小對鋼的脆性轉變溫度的影響

    1-C0.02%  Ni0.03%  2-C0.02%  Ni3.64%


    ▼表5 晶粒度對工業純鐵力學性能的影響


    ▼表5 晶粒度對2135合金疲勞性能的影響


    過熱的另一個重要特征是淬火馬氏體粗大,它將降低沖擊韌度和耐磨性,增加淬火變形傾向和淬火開裂傾向,如圖10、圖11、和表7、表8 所示 。中碳鋼馬上按其形態和尺寸分為8級,7、8級即為過熱組織。


    ▲圖10 馬氏體等級對沖擊韌度的影響


    ▲圖11 馬氏體等級對耐磨性的影響


    ▼表7 45鋼及40Cr鋼淬火變形的尺寸變化(0.01mm)


    ▼表8 45鋼淬裂實驗結果


    鋼的過熱缺陷還有魏氏組織、萘狀斷口、石狀斷口等,不僅能大大降低鋼的力學性能而且很容易產生淬火開裂。


    各種過熱組織的特征和預防措施建表9 。為了防止產生過熱,應正確的制定并實施合理的熱處理工藝,嚴格控制爐溫和保溫時間一般過熱組織可以通過多次退火或正火消除,對于較嚴重的過熱組織,如石狀斷口,不能用熱處理消除,必須采用高溫形變和退火聯合作用才能消除。   


    ▼表8 國組織特征及預防挽救措施


    3.2 過燒 


    過燒組織包括晶界局部熔化、纖維空洞,鋁合金表面發黑、起泡、斷口灰色無光澤,鎂合金表面氧化瘤等。典型的過燒組織見圖12 。  



    圖12 典型的過燒組織(50A鋼) 150X

                 
    過燒組織使性能嚴重惡化,極易產生熱處理裂紋,所以過燒是不允許產生的熱處理缺陷,一旦出現過燒,珍貴零件只能報廢,因此熱處理生產中要嚴格防止出現過燒。


    4. 球化級別不合格


    汽車、拖拉機及其他各種機器都大量使用標準件和緊固件,軸、銷、桿等標準件大多數使用自動車床車削加工,而螺栓、螺母、鉚釘等緊固件大多數采用冷鐓加工,為了提高生產率,適應自動切削和冷鐓加工,其鋼料的預備熱處理是退火或球化退火,應該對球化程度予以控制。   


     自動車削加工要求鋼材具有良好的車削性能,塑性不能太高,  否則容易“粘刀”  車屑不斷,希望鋼材組織為片狀珠光體;而冷鐓加工要求鋼材具有良好的冷鐓性能,塑性要好,以保證冷鐓時不開裂,希望鋼材金相組織為球狀珠光體。


    為此有行業標準JB/T5074-91《低、中碳鋼球化率級別 》來評定球化級別。  以碳化物球化程度評級,1級球化率為0,即珠光體完全是片狀,6級球化率為100%,即碳化物為完全球化狀態。冷鐓用中碳鋼一般要求4~6級,自動機床加工用低、中碳鋼一般要求1~3級。


     低、中碳鋼預備熱處理的球化不合格將嚴重影響其冷鐓和自動切削性能,球化級別對冷鐓性能影響如表10 所示 ,由此可以看出,球化1~3級冷鐓量大時,將會產生開裂,而在4~6級則冷鐓時無開裂,所以冷鐓用鋼球化率控制在4~6級為合格。大量生產實踐表明,自動化車削加工用鋼球化率控制在1~3級時,零件表面粗糙度合適,帶鋸磨損正常,生產率高;如果球化率超過3級,很難進行自動化機床加工。    


    表10 不同級別金相組織對預頂鍛結果的影響

    -END-

    ?來源:應審指揮部


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