热处理_热处理工艺_热处理论文设备-为中国热处理的崛起而努力

煤矿机械设备中的减速器齿轮、轴类零件,其原材料多为20CrMnMo钢。但在生产过程中常常出现渗碳出炉空冷后,部分零件会成批开裂而报废。其裂纹分布于零件表面,并与轴颈垂直纵向开裂,甚至沿齿轮齿顶处脱落。对此开裂零件,我们经检验分析并提出产生开裂的原因及采取的防止措施,现简述如下。

一、检验分析

1、化学成份(见下表)

2、硬度实验

(1)　表面硬度：47~50HRC

(2)　心部硬度：25~27HRC(非渗碳处)

3、金相分析

(1)渗碳层总深度：1.18mm(工艺要求0.8~1.2mm)

(2)渗碳层金相组织

①表层过共析层为托氏体+粒状碳化物

②次层共析层为马氏体

③第三层亚共析层为索氏体

二、产生裂纹的原因

由检验分析结果看,材料的化学成份、渗碳层的深度均符合技术要求,而渗碳层的金相组织为不平衡的异常产物。显然,零件表面形成的裂纹是由于共析层区马氏体相变时,零件表面受拉应力,当组织应力超过强度极限σ_b时,导致零件表面开裂。共析层形成马氏体的原因:

1、合金元素的影响

(1)20CrMnMo钢在渗碳后的空冷过程中,由于Mo、Cr和Mn三种合金元素的原子,在钢中的扩散速度极慢,奥氏体稳定性提高,C曲线右移,马氏体Ms点下降,从而降低了冷却速度。

(2)20CrMnMo钢在910~920℃温度加热,保温4~4.5h的条件下渗碳。在初期,零件表面C原子的渗入速度大于C向里的扩散速度,随着时间的延长,表面的碳量超过了渗碳温度下奥氏体的溶解度,C便与Mo、Cr和Mn原子(主要是Mo、Cr)形成碳化物。这样,导致表层过共析层的奥氏体中的碳和合金元素的浓度降低,使奥氏体稳定性下降。在共析层中的奥氏体碳浓度未超过其溶解度,便无条件形成合金碳化物。由此分析,过共析层中奥氏体的合金度低于共析层中奥氏体的合金度,其稳定性降低,C曲线偏离,移于共析层C曲线的左边。

2.奥氏体中碳浓度的影响

20CrMnMo钢经过渗碳后,其表面碳势增高,碳浓度由表向里递减。其渗碳层深度由过共析、共析、及亚共析成份组成。众所周知,奥氏体的稳定性与固溶度相关。当奥氏体中的碳浓度低于共析钢成份时(0.77%),C曲线随着碳量的增加而右移;相反,对碳浓度高于共析钢成份(0.77%)的过共析钢而言,C曲线是随着碳浓度增加而左移。根据碳和合金元素Mo、Cr、Mn的影响,可以判断:

(1)虽然过共析层的碳势是高的(0.85%~1.05%),但是,由于合金碳化物的形成,使此处的奥氏体合金浓度变化(<0.77%),稳定性降低,C曲线左移。在空冷时奥氏体转变为托氏体,合金碳化物被保留下来。

(2)共析层奥氏体中的碳和合金浓度都大于过共析处奥氏体的浓度,其组织最稳定,C曲线大大右移,Ms点下降,临界冷却速度降低,空冷中奥氏体转变为马氏体。

(3)亚共析层中碳浓度低,稳定性差而形

成索氏体。总之,过共析和亚共析处的奥氏体的稳定性低于共析奥氏体的稳定性,它们的C曲线都与共析层奥氏体C曲线偏离向左移,在空冷后将形成三种不同的组织产物。

三、防止裂纹措施

导致零件表面裂纹的原因,是由于共析层形成马氏体,受拉应力引起,而马氏体形成的原因是工艺冷却(空冷)不妥所造成的。由此看来,避免马氏体形成,只有在冷于空气的冷却速度下改变缓慢冷却方法,才能使共析层的过冷奥氏体转变为索氏体或珠光体。其具体措施如下:

1、渗碳出炉后,应立即将渗碳罐和零件置于渗碳保温坑中盖好盖子,与空气隔绝缓慢冷却。

2、若没有保温坑装置,可将渗碳罐和渗碳工件转入RJJ-36-6、RJJ-75-9、RJX-45等电炉内(不升温),盖上炉盖进行缓冷。采取了以上措施后,热处理质量得到明显提高,基本杜绝了开裂现象,大大降低了废品损失,确保了煤机配件的产品质量。

参考文献

1、热处理工作手册,新疆人民出版社

2、钢铁材料及热处理工艺,上海科学技术出版社

3、热处理工艺,1984.5