锭杆开裂原因及解决方法

高玉楼

(无锡宏大纺织机械专件有限公司，江苏 无锡　214000)



锭杆开裂原因及解决方法

高玉楼

(无锡宏大纺织机械专件有限公司，江苏 无锡214000)

为了提高加工锭杆的成品率，降低加工成本，介绍了锭杆开裂的类型即材料裂纹、淬火裂纹(淬火应力裂纹、淬火不完全导致的断裂纹)和磨削裂纹产生的原因、特征等，重点分析锭杆开裂的原因以及解决方法。指出，材料裂纹是钢材本身引起的开裂，淬火应力裂纹是组织应力和淬火热应力叠加作用的结果，淬火不完全导致的断裂是因为表面淬火引起的淬硬层与心部软组织之间产生的拉应力集中导致的结果，磨削裂纹是因为零件温度升高、冷却不及时而产生；正确分析锭杆开裂的类型及原因是解决开裂问题的前提。

锭杆开裂；淬火；退火；材料裂纹；淬火裂纹；磨削裂纹；应力

为了使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除了合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺必不可少。本公司选用45钢作为锭杆原材料，在生产过程中出现了锭杆开裂问题。为了提高加工锭杆的成品率，降低加工成本，笔者对锭杆开裂原因及解决办法逐一分析，供同仁参考。

1　材料裂纹

钢材本身引起的开裂即是材料裂纹，产生材料裂纹的主要原因有：① 由于钢材内的显微孔隙、皮下气泡、严重的非金属夹杂物、过高的加热温度和锻、轧后冷却速度过快及钢材终锻、终轧的温度过低等原因都会使钢材的内部及表面产生裂纹；② 对于冷拔的钢材而言，由于其退火组织不均匀、退火的硬度偏高、钢材表面质量较差、滑润状态不良、变形量大、孔径选择不合理、模具损伤等原因，钢材在冷拔过程当中容易产生拉裂或划伤[1]。

材料裂纹、划伤的特征是沿着钢材的轧制、拉拔方向呈直线分布，少则一条、多者数条。从钢材的外径、横向断口或热酸洗的低倍试样上都很容易观察到，见图1所示。

由于材料裂纹几乎难以避免，故而只能在采购钢材时严格流程，谨慎筛选。

2　淬火裂纹

本公司现在所用的锭杆原材料45钢，在淬火过程中出现淬火裂纹与传统的淬火加热方式以及冷却介质有极大的关系。

锭杆淬火采用的是45钢冷拔料，高频感应淬火，加热温度是860℃，瞬时加热，瞬时保温，瞬时冷却，冷却介质为水基溶液(可称水基冷却液)。

2.1淬火应力裂纹

由于锭杆钢件在淬火时瞬时加热到860℃，又瞬间急冷到常温，极易产生淬火内应力超过材料断裂极限，易在淬火的过程中产生淬火裂纹。所谓内应力导致的淬火裂纹即是组织应力和淬火热应力叠加作用而产生的裂纹[2]。

组织应力是由于淬火时内外冷却的不同时性而引起相变的不同时性，马氏体相变的不同时性总是开始于表面然后向心部发展。发生了马氏体相变的表面因其体积膨胀对心部未转变奥氏体施加拉应力，而表面组织本身因心部的限制受压应力，应力的峰值随相变进行向心部移动。

45钢马氏体转变的起始温度(Ms)点约为330℃，在一定的条件下，材料的Ms点越高马氏体转变的速度越快，组织应力也越大[3]。

由于锭杆零件外径尺寸为13.2 mm，属截面尺寸不太大的零件，未完全淬透零件，组织应力大，热应力小，二者叠加之后，表面为压应力，心部受拉应力， 45钢淬火裂纹最敏感尺寸为5 mm～8 mm[4]，说明在这个截面尺寸的零件组织应力与热应力叠加之后，应力最大已超过钢材断裂抗力而产生裂纹。另外，45钢为非淬透零件，在零件的淬硬区与非淬硬区之间过渡处有较大的轴向拉应力，在这个区域容易形成过渡区裂纹，当应力发生变化或钢的断裂强度降低时，裂纹就会受应力的影响而扩展到零件表面。45钢本身淬透性不大，随着直径的增大，中心拉应力变大，且轴向应力比切向应力更大，更易导致开裂。

一般淬火裂纹是组织应力和热应力共同作用的结果。热应力是由于淬火零件在加热或冷却的过程中存在温度差、产生热胀冷缩的不一致性造成；由于高频感应淬火把锭杆零件热应力产生的危害进一步放大，45钢零件在冷却前期受到较大的热应力作用，产生了塑性变形，而大量的塑性变形使奥氏体在Ms点以上发生马氏体转变，这部分硬而脆的马氏体不仅数量少，而且容易分布在应力集中的缺陷和晶界上[5]。这在以后的应力转换及加工过程中极易与组织应力叠加，使材料产生裂纹。

淬火后的锭杆由于长时间放置，其内部淬火时产生的组织应力及热应力不能及时消除，极易导致锭杆在淬火后至回火前的这段时间里产生开裂，而且在这段时间锭杆有校直工艺，在校直的过程中，锭杆受到外部敲击时极易出现应力叠加而引起开裂。

淬火应力裂纹主要由于淬火而产生，要解决在淬火过程中产生这类裂纹，需要：① 修改工艺，利用双介质淬火；② 更改冷却介质，适当提高冷却水基溶液的温度；③ 保证足够的加热温度，用冷却速度小的淬火介质；④ 淬火后要及时回火，防止应力集中而导致裂纹。

2.2淬火不完全导致断裂

除淬火时由于淬火应力产生的裂纹外，锭杆在实际生产中还出现另一种断裂方式，即塑性断裂。

本公司生产的锭杆零件具有一定阶梯形状的，如图2所示。

因为有阶梯形状，所以在淬火时需要有不同的感应加热频率以及不同的进料速率，由于控制不良，在锭杆的阶梯处容易形成淬火不良或未淬到的情况，如图3。这种情况在后续加工中受到力的作用易导致锭杆在阶梯处的塑性断裂，如图4。

如图4所示，塑性断裂的断口处有明显的拉伸及塑性变形，又因为表面淬火引起的淬硬层与心部软组织之间产生的拉应力集中而导致锭杆断裂。

解决这类锭杆断裂的问题必须：① 制定严格的工艺规范；② 在淬火前保证淬火设备的良好运行；③ 淬火后及时检验产品淬火质量防止零件后流造成报废。

3　磨削裂纹

零件在磨削加工过程中由于砂轮进给量太大、砂轮较硬、砂轮磨粒变钝、磨削机床未调整好、砂轮轴跳动太大、冷却液供给量不足、操作不当等原因导致零件温度升高、冷却不及时而产生磨削裂纹[6]。

避免这类裂纹的方法很简单，主要有：① 控制磨削时的进给量；② 提前检验砂轮硬度，及时清理砂轮；③ 磨削前调整好机床；④ 保证零件磨削过程中的冷却；⑤ 严格按照工艺卡片执行操作。

4　结语

正确分析锭杆开裂的类型及原因，是解决开裂问题的前提。按照本文理论及工艺改进方法，在生产实践中灵活运用各方面的理论知识，使45钢锭杆的裂纹得到有效控制，但在生产中，要结合实际情况去分析解决问题。

[1] 王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 丁建生.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 任颂赞，张静江.钢铁金相图谱[M].上海：上海科学技术文献出版社，2003.

[4] 王广生.金属热处理缺陷分析及案例[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5] 李泉华.热处理技术400问解析[M].北京：机械工业出版社，2002．

[6] 雷建中，杨晓蔚.滚动轴承零件废品分析及图谱[M].河南：洛阳轴承研究所，2001.

Factors Resulting in Cracking of the Spindle Blade and the Solution to the Problem

GAO Yulou

(Wuxi Hongda Texparts Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

In order to increase the yield with less cost,introduction is made to the cracking vaieties of the spindle blade including material crack,quench crack including quench stress crack and half quench crack,and wear crack regarding the cause and the crack characteristics,highlight is given to the solution of the cracks.It is pointed out that the material crack is the cracking of the steel itself.The crack from the quenching stress is the combined result of the structure stress and the hot stress of quenching.The half quench crack results from the surface hardening and the tension from the soft structure in the center.The wear crack results from late cooling of the hot parts.Correct analysis of the crack varieties and the cause is essential to the solution to the problem.

crack of the spindle blade;quenching;annealing；material crack；quench crack；wear crack；stress

2015-06-10

高玉楼(1989—)，男，江苏沛县人，助理工程师，主要从事金属材料热处理质量、热处理缺陷及热处理工艺研究。

TS103.81+1

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1001-9634(2016)01-0031-03