淬火冷却条件不良造成的淬火裂纹

上海恒精机电设备有限公司（201707）江国清 林信智

感应淬火的冷却速度和冷却均匀性是十分重要的参数，如果淬火冷却介质的冷却性能不良或冷却方式不佳，也能造成淬火裂纹或其他缺陷。感应淬火一般是零件的表面层淬火，淬火冷却速度应该很快，否则达不到表面淬火的目的。为此多采用喷射冷却方式。但冷却也不能过分剧烈，否则要产生淬火裂纹和变形。现在我国的一些工厂感应淬火冷却介质是自来水，自来水不是理想的淬火冷却介质，其冷却速度太大，尤其是在Ms点以下时，由于冷却速度大，时常造成零件的淬火裂纹。尽管如此，自来水的清洁、廉价、环保等优点仍然为人们青睐。感应淬火的理想淬火冷却介质是在钢的“S”曲线的“鼻子”附近有大的冷却速度（要大于或等于临界冷却速度）。而在Ms点以下具有小的冷却速度（接近于淬火油的冷却速度）。为了满足这一要求，国内外多家公司开发并生产多种有着优良冷却性能的淬火冷却介质。例如Houghton、PETROFER、科润、华立等。下面介绍几例由于冷却不良造成的淬火裂纹。

1.冷却速度太快造成的淬火裂纹—半轴花键淬火裂纹

花键形状复杂，在连续（扫描）感应淬火时（用水淬火）容易产生淬火裂纹。

中型、重型载货汽车的半轴花键都是渐开线花键，如果模数大（m≥3），齿形高（≥4mm），在中频淬火时，使用自来水喷射冷却淬火，时常出现淬火裂纹，当淬火水温低于20℃时，淬火裂纹会相当严重。图1展示了水喷射冷却和浸液冷却的冷却能力情况，喷射冷却速度约是浸液冷却速度的4倍（水温28℃，喷射流量220mL/s）。

半轴花键的模数较小，齿形不高（≤3mm）时喷水淬火，花键裂纹的危险性会大为减小，甚至不产生裂纹。

汽车半轴是传递扭矩的零件，要求有高的静扭强度和扭转疲劳强度，因此，要求有较深的硬化层（中型、重型货车半轴的轴杆硬化层多为4～7mm和7～12mm），材料多为中碳合金钢（40Cr或42CrMo等）。应该说明，随着材料合金化的上升和淬火层深度的加大，半轴的淬火变形和花键淬火裂纹的倾向也加大了。这种裂纹使用适当浓度的淬火冷却介质是可以消除或减轻的。

图1 水的喷射冷却和浸液冷却的冷却能力比较

2.提高淬火水温度可以消除冷轧花键轴的淬火裂纹

某种汽车的传动轴花键是用40MnB钢制造、花键冷轧（或冷挤）成形，留下很大的残留应力，这种残留应力能够引发淬火裂纹，尤其以自来水为淬火冷却介质并喷射淬火时，水温低时出现严重的花键淬火裂纹。试验证明，淬火水的温度对淬火裂纹情况有明显影响，见表1。

表1 淬火水温度对冷轧花键淬火裂纹的影响

各种淬火水温度在喷射冷却的情况下，200～350℃区间（马氏体转变温度）的冷却能力数据见表2。

由表2可以看出，当水温为50℃时，其喷射冷却的最大冷却速度已经略低于静水浸液冷却速度，于是当水温升到68℃（实际生产时多用58℃），对冷轧花键轴连续淬火，可以消除其淬火裂纹的诱因。

表2 在200～350℃区间各种温度水的最大冷却能力

冷轧花键轴中频连续淬火时，产生淬火裂纹的影响因素较多，如前面已介绍了花键底径的圆角半径的影响，现在又介绍了淬火水温度的影响，以后还将介绍淬火前残留应力大小对淬火裂纹的影响等，然而在诸多的影响因素中，淬火水温度的影响显然是主导因素。

实践证明，硬化层要求较薄（2～3mm）的花键轴及一些形状简单的零件，感应淬火时可以使用自来水为淬火冷却介质，提高水的温度，能够有效地减少或消除淬火裂纹。

3.淬火冷却条件的不均匀造成的淬火裂纹

某种汽车的转向节主销是直径38mm的圆柱形零件，用45钢制造，分两次用圆筒式感应器进行中频同时加热淬火（工艺参数：8kHz、180kW、加热4.6s、冷却9s），硬化层为2～3mm。以水为淬火冷却介质，喷射压力为0.2MPa，淬火时零件不旋转。曾发生严重的满圆柱面分布的点状裂纹。裂纹长度3～6mm，深度0.2～0.34mm，少则一条，多则三条（挤在一起），一堆一堆分布，远距离观察时似乎是一个个黑点（磁粉检测显示），故有时称为点状裂纹。这种裂纹与感应器的喷水孔完全对应（感应器喷水孔分布见图2）。

图2 主销感应器上喷水孔分布

在探索裂纹原因的过程中偶然发现，淬火后的零件在无心磨床上轻轻刮一下，表面有规律地分布着白点（见图3），这些白点是局部凸起，经过计算和测量，局部凸起的高度为0.01～0.015mm。经磁粉检测，看到每个凸起的白点上均有裂纹。这个偶然发现说明，光滑圆柱面的零件中频淬火后不再光滑，而是出现了若干个小凸起，而小凸起与喷水孔一一对应，显然在零件不旋转的情况下，对应喷射孔的零件表面被水柱强烈喷射冷却，而其他地方冷却相对是缓和的，这些点状裂纹是淬火冷却不均匀造成的。从喷水孔喷出的高压水柱，是局部凸起的始作俑者。因此，我们可以推断，任何增加冷却均匀性的措施，都是减少局部凸起的措施，也肯定是减少或消除淬火裂纹的措施。

图3 主销淬火后表面的局部突起

为了减小局部凸起，进而减轻淬火裂纹，我们采取了几项措施，均收到较满意的效果。采取某些措施后，零件表面的局部变形情况有明显好转，如图4所示（图4a为间隙2.8mm，零件淬火不旋转；图4b为间隙4.3mm，零件淬火旋转；图4c为间隙4.3mm，零件淬火不旋转）。

图4 淬火主销磨去0.005mm后表面斑痕情况

为了消除淬火裂纹，我们进行了多种试验（圆筒式感应器，同时加热淬火）。

（1）间隙大小对淬火裂纹的影响 零件表面到感应器有效圈内表面之间的距离称为间隙，间隙大小对淬火裂纹有明显影响，见表3。

分析表3可知，间隙增加能显著地减少淬火裂纹，间隙由1.8mm增加至4.3mm，淬火裂纹由100%下降到8%。间隙增大，使间隙中的存水层或流水层加厚了，从而大大缓冲了喷射水柱的冷却强度，也使水柱分散的面积更大，增加了淬火冷却的均匀性，自然也就减少了零件表面的局部变形，这一分析从图4可以得到证明，比较图4a和图4c，可以看到由于间隙增大，斑点直径增加了，大部地方已经连成一片，说明局部变形已经减小，因而减小了淬火裂纹。

从表中还可以分析出在相同间隙（2.8mm）的情况下，适当减少加热功率，也能减轻淬火裂纹，这也许是加热缓和一些对热应力的减小有好处。

（2）喷射压力对淬火裂纹的影响 淬火水的喷射压力对裂纹情况也有明显影响，见表4。

表3 间隙大小对淬火裂纹的影响

表4 淬火水喷射压力对淬火裂纹的影响

表4说明淬火水喷射压力越大，淬火裂纹情况越严重，这大概是随着喷射压力的提高，喷出的水柱越强劲，冷却的均匀性越差，淬火裂纹自然也越多。

（3）零件旋转可以消除淬火裂纹 零件在感应加热和淬火冷却过程中，一直旋转，能够根除这种裂纹。从图4b可以看到，由于零件的旋转，完全消除了零件表面的局部凸起变形，说明淬火冷却是均匀。因此，根除了点状分布的淬火裂纹。同样形态的点状淬火裂纹在刹车凸轮轴的轴颈及刹车蹄片轴的轴颈上均有发生，采用增大间隙，减少功率及零件旋转等措施，均能收到减少裂纹或根除裂纹的效果。