淬火冷卻條件不良造成的淬火裂紋

上海恒精機電設(shè)備有限公司（201707）江國清 林信智

感應(yīng)淬火的冷卻速度和冷卻均勻性是十分重要的參數(shù)，如果淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能不良或冷卻方式不佳，也能造成淬火裂紋或其他缺陷。感應(yīng)淬火一般是零件的表面層淬火，淬火冷卻速度應(yīng)該很快，否則達不到表面淬火的目的。為此多采用噴射冷卻方式。但冷卻也不能過分劇烈，否則要產(chǎn)生淬火裂紋和變形。現(xiàn)在我國的一些工廠感應(yīng)淬火冷卻介質(zhì)是自來水，自來水不是理想的淬火冷卻介質(zhì)，其冷卻速度太大，尤其是在Ms點以下時，由于冷卻速度大，時常造成零件的淬火裂紋。盡管如此，自來水的清潔、廉價、環(huán)保等優(yōu)點仍然為人們青睞。感應(yīng)淬火的理想淬火冷卻介質(zhì)是在鋼的“S”曲線的“鼻子”附近有大的冷卻速度（要大于或等于臨界冷卻速度）。而在Ms點以下具有小的冷卻速度（接近于淬火油的冷卻速度）。為了滿足這一要求，國內(nèi)外多家公司開發(fā)并生產(chǎn)多種有著優(yōu)良冷卻性能的淬火冷卻介質(zhì)。例如Houghton、PETROFER、科潤、華立等。下面介紹幾例由于冷卻不良造成的淬火裂紋。

1.冷卻速度太快造成的淬火裂紋—半軸花鍵淬火裂紋

花鍵形狀復(fù)雜，在連續(xù)（掃描）感應(yīng)淬火時（用水淬火）容易產(chǎn)生淬火裂紋。

中型、重型載貨汽車的半軸花鍵都是漸開線花鍵，如果模數(shù)大（m≥3），齒形高（≥4mm），在中頻淬火時，使用自來水噴射冷卻淬火，時常出現(xiàn)淬火裂紋，當淬火水溫低于20℃時，淬火裂紋會相當嚴重。圖1展示了水噴射冷卻和浸液冷卻的冷卻能力情況，噴射冷卻速度約是浸液冷卻速度的4倍（水溫28℃，噴射流量220mL/s）。

半軸花鍵的模數(shù)較小，齒形不高（≤3mm）時噴水淬火，花鍵裂紋的危險性會大為減小，甚至不產(chǎn)生裂紋。

汽車半軸是傳遞扭矩的零件，要求有高的靜扭強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度，因此，要求有較深的硬化層（中型、重型貨車半軸的軸桿硬化層多為4～7mm和7～12mm），材料多為中碳合金鋼（40Cr或42CrMo等）。應(yīng)該說明，隨著材料合金化的上升和淬火層深度的加大，半軸的淬火變形和花鍵淬火裂紋的傾向也加大了。這種裂紋使用適當濃度的淬火冷卻介質(zhì)是可以消除或減輕的。

圖1 水的噴射冷卻和浸液冷卻的冷卻能力比較

2.提高淬火水溫度可以消除冷軋花鍵軸的淬火裂紋

某種汽車的傳動軸花鍵是用40MnB鋼制造、花鍵冷軋（或冷擠）成形，留下很大的殘留應(yīng)力，這種殘留應(yīng)力能夠引發(fā)淬火裂紋，尤其以自來水為淬火冷卻介質(zhì)并噴射淬火時，水溫低時出現(xiàn)嚴重的花鍵淬火裂紋。試驗證明，淬火水的溫度對淬火裂紋情況有明顯影響，見表1。

表1 淬火水溫度對冷軋花鍵淬火裂紋的影響

各種淬火水溫度在噴射冷卻的情況下，200～350℃區(qū)間（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度）的冷卻能力數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出，當水溫為50℃時，其噴射冷卻的最大冷卻速度已經(jīng)略低于靜水浸液冷卻速度，于是當水溫升到68℃（實際生產(chǎn)時多用58℃），對冷軋花鍵軸連續(xù)淬火，可以消除其淬火裂紋的誘因。

表2 在200～350℃區(qū)間各種溫度水的最大冷卻能力

冷軋花鍵軸中頻連續(xù)淬火時，產(chǎn)生淬火裂紋的影響因素較多，如前面已介紹了花鍵底徑的圓角半徑的影響，現(xiàn)在又介紹了淬火水溫度的影響，以后還將介紹淬火前殘留應(yīng)力大小對淬火裂紋的影響等，然而在諸多的影響因素中，淬火水溫度的影響顯然是主導(dǎo)因素。

實踐證明，硬化層要求較薄（2～3mm）的花鍵軸及一些形狀簡單的零件，感應(yīng)淬火時可以使用自來水為淬火冷卻介質(zhì)，提高水的溫度，能夠有效地減少或消除淬火裂紋。

3.淬火冷卻條件的不均勻造成的淬火裂紋

某種汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)主銷是直徑38mm的圓柱形零件，用45鋼制造，分兩次用圓筒式感應(yīng)器進行中頻同時加熱淬火（工藝參數(shù)：8kHz、180kW、加熱4.6s、冷卻9s），硬化層為2～3mm。以水為淬火冷卻介質(zhì)，噴射壓力為0.2MPa，淬火時零件不旋轉(zhuǎn)。曾發(fā)生嚴重的滿圓柱面分布的點狀裂紋。裂紋長度3～6mm，深度0.2～0.34mm，少則一條，多則三條（擠在一起），一堆一堆分布，遠距離觀察時似乎是一個個黑點（磁粉檢測顯示），故有時稱為點狀裂紋。這種裂紋與感應(yīng)器的噴水孔完全對應(yīng)（感應(yīng)器噴水孔分布見圖2）。

圖2 主銷感應(yīng)器上噴水孔分布

在探索裂紋原因的過程中偶然發(fā)現(xiàn)，淬火后的零件在無心磨床上輕輕刮一下，表面有規(guī)律地分布著白點（見圖3），這些白點是局部凸起，經(jīng)過計算和測量，局部凸起的高度為0.01～0.015mm。經(jīng)磁粉檢測，看到每個凸起的白點上均有裂紋。這個偶然發(fā)現(xiàn)說明，光滑圓柱面的零件中頻淬火后不再光滑，而是出現(xiàn)了若干個小凸起，而小凸起與噴水孔一一對應(yīng)，顯然在零件不旋轉(zhuǎn)的情況下，對應(yīng)噴射孔的零件表面被水柱強烈噴射冷卻，而其他地方冷卻相對是緩和的，這些點狀裂紋是淬火冷卻不均勻造成的。從噴水孔噴出的高壓水柱，是局部凸起的始作俑者。因此，我們可以推斷，任何增加冷卻均勻性的措施，都是減少局部凸起的措施，也肯定是減少或消除淬火裂紋的措施。

圖3 主銷淬火后表面的局部突起

為了減小局部凸起，進而減輕淬火裂紋，我們采取了幾項措施，均收到較滿意的效果。采取某些措施后，零件表面的局部變形情況有明顯好轉(zhuǎn)，如圖4所示（圖4a為間隙2.8mm，零件淬火不旋轉(zhuǎn)；圖4b為間隙4.3mm，零件淬火旋轉(zhuǎn)；圖4c為間隙4.3mm，零件淬火不旋轉(zhuǎn)）。

圖4 淬火主銷磨去0.005mm后表面斑痕情況

為了消除淬火裂紋，我們進行了多種試驗（圓筒式感應(yīng)器，同時加熱淬火）。

（1）間隙大小對淬火裂紋的影響 零件表面到感應(yīng)器有效圈內(nèi)表面之間的距離稱為間隙，間隙大小對淬火裂紋有明顯影響，見表3。

分析表3可知，間隙增加能顯著地減少淬火裂紋，間隙由1.8mm增加至4.3mm，淬火裂紋由100%下降到8%。間隙增大，使間隙中的存水層或流水層加厚了，從而大大緩沖了噴射水柱的冷卻強度，也使水柱分散的面積更大，增加了淬火冷卻的均勻性，自然也就減少了零件表面的局部變形，這一分析從圖4可以得到證明，比較圖4a和圖4c，可以看到由于間隙增大，斑點直徑增加了，大部地方已經(jīng)連成一片，說明局部變形已經(jīng)減小，因而減小了淬火裂紋。

從表中還可以分析出在相同間隙（2.8mm）的情況下，適當減少加熱功率，也能減輕淬火裂紋，這也許是加熱緩和一些對熱應(yīng)力的減小有好處。

（2）噴射壓力對淬火裂紋的影響 淬火水的噴射壓力對裂紋情況也有明顯影響，見表4。

表3 間隙大小對淬火裂紋的影響

表4 淬火水噴射壓力對淬火裂紋的影響

表4說明淬火水噴射壓力越大，淬火裂紋情況越嚴重，這大概是隨著噴射壓力的提高，噴出的水柱越強勁，冷卻的均勻性越差，淬火裂紋自然也越多。

（3）零件旋轉(zhuǎn)可以消除淬火裂紋 零件在感應(yīng)加熱和淬火冷卻過程中，一直旋轉(zhuǎn)，能夠根除這種裂紋。從圖4b可以看到，由于零件的旋轉(zhuǎn)，完全消除了零件表面的局部凸起變形，說明淬火冷卻是均勻。因此，根除了點狀分布的淬火裂紋。同樣形態(tài)的點狀淬火裂紋在剎車凸輪軸的軸頸及剎車蹄片軸的軸頸上均有發(fā)生，采用增大間隙，減少功率及零件旋轉(zhuǎn)等措施，均能收到減少裂紋或根除裂紋的效果。