45钢淬火开裂控制毕业设计.doc

西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 45钢淬火开裂控制 所属系部： 航空材料工程学院指导教师： 学生姓名： 学号: 11806123 专业： 金属材料与热处理西安航空职业技术学院制2013.10.21 摘 要 45钢件在淬火处理时易出现淬裂现象。研究表明:ø4mmø12mm的45钢件在830850×1.1min/mm1.2min/mm的加热和保温条件下淬入清水或10%的盐水中易出现裂而采取加大工艺预留量(13mm14mm)、避开危险尺寸(4mm12mm)、低温(750760 )淬火、控制加热温度(780790)以及保温时间和回火时间等措施,可有效防止45钢件淬火时出现裂纹现象.对于截面尺寸在4mm12mm的零件,采用低温淬火其淬火合格率>99%. 本文分析了45钢材料热处理特性，改变了传统45钢热处理淬火加热方式及冷却介质，有效控制了45钢热处理淬火裂纹，提高了45钢热处理质量。关键词：淬火、45钢、裂纹、回火Abstract : The 45 steel parts easily come out the quenching crack phenomenon during quenching treatment. The research shows :45 steel parts of ø4 mm ø 12 mm easily appears the quenching cracks in clear water or 10 % salt water under the condition of heating at 830 85 ×1.1min/mm1.2min/mm and keeping warm. However it can take some measures to enlarge the technological allowance amount (13 mm 14mm ) ,avoiding the dangerous dimensions ( 4 mm 12 mm ) by quenching at low temperature ( 750 760 ) then controlling the tem perature ( 780 790 ) of heating ,the time of keeping warm and the time of tem pering and so on .All these can be effective to prevent the 45 steel parts from the crack phenomenon as quenching Re 2 garding the parts sf the section dimension at 4 mm 12 mm,the quenching qualified rate of the parts is over 99% by adopting the low tem perature quenching. This paper analyzes the characteristics of heat-treated steel 45 , 45 steel has changed the traditional way of heat treatment and quenching cooling medium, the effective control of 45 steel heat treatment and quenching cracks, an increase of 45 steel heat treatment quality.Key Words : 45 steel parts ;quenching crack ;dangerous dimension 目录1.绪言12. 45钢材料特性12.1 化学成分和属性 12.2 材料性能 12.3 材料用途 13.裂纹分类34.1纵向裂纹形成原因4 4.2横向裂纹形成原因.44. 45钢淬火过程中出现的问题及原因23.1热处理特性23.2 淬火裂纹原因分析23.2.1 组织应力23.2.2 热应力33.2.3淬火介质选择不当35. 45钢淬火裂纹改善措施54.1淬火方法5 4.1.1临界温度淬火64.2.2高频淬火64.2淬火介质74.2.1使用水溶性合成淬火剂74.2.2使用32机油淬火介质84.2.3采用水油双液淬火介质84.2.4采用亚稳淬火工艺84.3其他因素84.3.1小截面零件84.3.2 保证工件受热的均匀性84.3.3 选用适当的淬火温度9 结束语10 致 谢11 1.绪言 钢铁材料具有悠久的历史，它的出现推动力社会的大跨步发展，并且每一次钢铁材料的改进都会对社会进步作出重大的贡献。钢铁材料在国民经济中占有十分重要的地位，它们的应用非常广泛。在实际使用或生产加工过程中，人们对钢铁材料提出了各种不同的性能要求，单凭原始材料的性能已经满足不了工程技术上的要求。例如：为了便于切削加工就要求材料的硬度适当降低，以节约机械加工时的刀具消耗和提高劳动生产率；为使零件耐磨损，延长使用寿命，就要求其具有较高的硬度；为使零件能在有腐蚀性气体的环境中长期工作，就要求其具有一定的耐腐蚀性等。为满足这些性能要求，除了合理地选用材料外，还要进行热处理，如此才能充分发挥钢铁材料的性能特点。由此可知，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。 纵观钢铁的发展历史，钢铁性能的提升与热处理工艺息息相关。45钢是最为重要的钢铁材料之一，通过热处理工艺提升其性能是现在也是将来的必经之路。（1）45钢在工业、生活中的应用（重要性、广泛性）（2）45钢在使用性能要求2. 45钢材料特性 2.1 化学成分和属性  45钢含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量<=0.25%，Ni含量<=0.30%。抗拉强度Mpa600，屈服强度Mpa355，伸长率16%。 2.2 材料性能  45钢虽焊接性能一般，但它是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能。通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，有一定程度上的的韧性。但进行热处理时，却会出现淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感等问题，尤以40左右水淬时更为明显。 2.3 材料用途  45钢可制造强度要求较高的零件，如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火等。45钢经低温球化退火后，它可冷挤压为成形零件，如球头销、推力杆等。45钢是轴类零件的常用材料，淬火后表面硬度可达4552HRC 它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。45钢还广泛用于机械制造等，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度钢的用途。 45钢可制造强度要求较高的零件，如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火等。45钢经低温球化退火后，它可冷挤压为成形零件，如球头销、推力杆等。45钢是轴类零件的常用材料，淬火后表面硬度可达4552HRC 它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。45钢还广泛用于机械制造等，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。3.裂纹分类 45号钢在调质淬火过程中容易出现裂纹而报废。裂纹主要有2种:一种为纵向裂纹；另一种为横向裂纹。 纵向裂纹(见图2)经常发生在直径为8mm左右的工件上,且多出现在完全淬透的情况下。 图2 45号钢轴类零件的纵向裂纹横向裂纹(见图3)经常发生在直径为50mm以上的45钢件调质时的淬火过程中。 图3 45钢轴类零件的横向裂纹3.1纵向裂纹形成原因 纵向裂纹是在淬火过程中产生的切向拉应力大于该材料断裂抗力时而发生的。对于直径在8mm左右且要求高硬度的工件,车间采用45kW箱式电阻炉加热,淬火介质为50%(质量分数,下同)的火碱溶液。50%火碱溶液在500800冷却很快,在400以下冷却较慢,是比较理想的冷却介质。从实际生产的工艺条件看,分析产生裂纹的原因如下:首先,因装炉方式不合理,造成工件受热不均;其次,淬火温度较高,工件内外应力较大,也是造成裂纹的原因;另外,把产生纵向裂纹的工件沿纵向截取试样,分析其夹杂物,常可发现带状夹杂物存在,因此原材料的冶金质量也是影响淬火裂纹的一个重要因素。3.2横向裂纹形成原因 横向裂纹垂直于轴线方向,由内往外断裂,往往在未淬透情况下形成,属于热应力引起的。工件在淬火没有淬透时,表面呈压应力,心部呈拉应力,在淬硬层至非淬硬层的过渡区,出现最大拉应力,拉应力超过材料的抗拉强度时,就会产生横向裂纹。车间45号钢轴类调质淬火时,淬火介质通常选用水。水的冷却特性曲线见图4 图4 淬火介质的冷却能力由图4可以看出,水作为淬火介质有以下特点。1) 水温对冷却特性影响很大,随着水温的提高,水的冷却速度降低,特别是蒸气膜阶段延长,特性温度降低;2) 水的冷却速度快,特别是在100400温度范围内的冷却速度特别快;3)循环水的的冷却能力大于静止水的冷却能力,特别是在蒸气膜阶段的冷却能力提高得更多。 水作为淬火介质有来源广、价格低、无污染等优点,但也因水存在上述特点,易造成工件有软点、淬火后硬度不均匀、易产生裂纹的缺点。另外,原工艺为840保温后出炉,预冷后入水冷却,其设备为100kW的台车式箱式电阻炉。装炉方式见图5 图5 轴类零件常用的装炉方式图5所示的装炉方式造成淬火预冷时只有外面的工件能预冷到适当温度,里面的工件温度降不下来,淬火时易产生裂纹。4. 45钢淬火过程中出现的问题及原因 4.1热处理特性 一般碳钢淬火冷却到Ac1至650以前，奥氏体比较稳定，冷却速度可以缓慢，以减少较大的热应力和变形；当冷却至650400时，应具有足够的冷却速度，以防止奥氏体向珠光体转变；在400以下进入马氏体区，其冷却速度应尽量缓慢，以降低过大的组织应力和防止变形开裂；而45钢本身淬透性低（45钢过冷奥氏体CCT曲线见图1），点约为330，马氏体转变快，易产生较大的组织应力和热应力。因此，当淬火介质为水时，45钢难以达到这种理想的冷却条件。4.2 淬火裂纹原因分析4.2.1 组织应力 45钢在淬火时，由于内外冷却速度的不同时性而引起相变的不同时性，马氏体相变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处于末转变奥氏体施加于拉应力，而其本身则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。随后心部发生马氏体相变时，伴随着体积膨胀，由于受到已转变的马氏体坚硬的表层阻碍，发生与前相反的组织应力，最终形成表面拉应力。一般来说，对于相对截面尺寸不太大45钢零件，其可全部淬透，组织应力小，热应力较大，二者叠加之后的表面为拉应力，心部为压应力，45钢淬火裂纹最敏感的尺寸为。这说明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钢零件截面较大未淬透，在零件的淬硬区和非淬硬区之间过渡处有一较大的轴向拉应力，形成过渡区裂纹，当应力发生变化，钢的断裂强度降低时裂纹扩展到表面。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，易于裂纹。 4.2.2 热应力 45钢在加热或冷却过程中由于存在温差和热胀冷缩的不一致性而产生热应力。45钢零件在冷却前期受到较大的热应力作用，产生大量的塑性变形，而大量的塑性变形使奥氏体在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，而且分布在应力集中的缺陷和晶界上，在以后的塑性变形及应力转换过程中极易与组织应力叠加，易使材料发生裂纹。 4.2.3淬火介质选择不当45钢的传统淬火介质为水，45钢Ms点约为330，在一定的条件下，材料的Ms点越高，马氏体转变速度越快，组织应力也越大。5. 45钢淬火裂纹的改善措施 5.1淬火方法 45钢的奥氏体稳定性差，加热后需快速淬火冷却才能获得高硬度的马氏体组织。同时45钢的导热性良好，淬火时不需预热而直接入炉加热。 加热温度820860,温度高低的选择，视工件具体情况确定，比如重要工件，要求变形严格的选用下限温度，碱浴、硝盐浴分级时选用偏高温度，而较大工件调质时，为提高淬透深度和心部性能，选用840860的温度等。5.1.1临界温度淬火 780临界温度淬火，可得到极细小的奥氏体晶粒，淬火后显著提高钢的韧性，裂纹敏感性大大降低。截面尺寸相差悬殊而易产生裂纹的工件，临界温度淬火可收到良好效果。也可视工件的不同要求,在724摄氏度一780摄氏度之间的临界区淬火。 5.2.2高频淬火 高频加热速度可达200-1000/S,临界温度相应提高，故淬火加热温度较常规淬火高出80-100，即880-920，甚至更高一些。因为加热速度快，组织细小，应力大,高频淬火有“超硬度”现象,可达6266HRC,所以高频淬火件耐磨性高，疲劳抗力显著增大，而缺口敏感性较小。 从上可看出以往按一些热处理工艺标准选取的45号钢840的淬火温度偏高，加热时间稍长,就容易造成轻微过热，在奥氏体化时，易使奥氏体晶粒粗大。淬火时,钢本身的冷却速度慢。在相同冷却条件下，过热工件冷速加大,使工件淬火时热应力、组织应力都增大。在正常情况下,热应力与组织应力的作用相反，大小几乎能抵消，然而对于小直径零件,淬火时热应力几乎不存在,所以只有组织应力单方面增加,加大了工件的变形及开裂的可能性。同时一般工厂生产的标准件多数采用45号钢冷拔料，按上述常规的热处理规范，火温度为810°C，冷却介质为水或10%盐水，水温为室温，但这样在实际生产中会经常出现不同程度的淬火裂纹，因此造成许多的废品，而且也浪费了材料。影响工件淬裂的主要原因,大多是工件热处理工艺的不完善。热处理工艺参数主要包括加热温度、保温时间、冷却介质等,其中最主要原因的是淬火温度对钢金相组织、硬度及变形、开裂造成的影响。5.2淬火介质综上所述，45钢淬火裂纹的主要原因是淬火的组织应力和热应力共同作用的内应力超过其材料断裂极限所致，而这些应力是由于冷却介质水所致，当其在300马氏体转变时，冷却速度过快，没有达到较为理想的淬火冷却速度。在实际生产中，45钢淬火热处理改进后的工艺要点有以下4个方面：5.2.1使用水溶性合成淬火剂国内外近几年研究开发了新型价廉、热处理变形小和裂纹少的淬火剂，如快速淬火油、合成淬火剂和高压冷气（如惰性气体）等。其中如图6所示的水溶性合成淬火剂，冷却性能介于传统淬火介质水和油之间，其除具有传统淬火介质的特性外，还具有改变淬火液浓度和调整淬火液冷却速度（尤其是在低温区300左右更为理想）的特性。水冷却速度较快（Vmax200/），油（如32机油）冷却速度较慢（Vmax70/），而合成淬火液根据其浓度的不同可使冷却速度调整在10/90/之间，可有利于防止或减少45钢热处理淬火裂纹。 图6 几种淬火介质冷却特性图 5.2.2使用32机油淬火介质 按照一般淬火原则，应尽可能采用冷却速度小的淬火介质以降低淬火零件的内应力，尤其是小截面的45钢零件，应采用冷却速度小的冷却介质（如32机油），提高加热温度，加大过冷度和提高临界冷却速度，也可防止和减小45钢淬火裂纹。 5.2.3采用水油双液淬火介质 即将加热好的零件先在水中停留一定时间，约冷却至600左右，迅速转移至32机油中冷却至室温。水冷却可使过冷奥氏体不发生珠光体转变，油冷却可在300左右使其减慢向马氏体转变的速度，以接近理想的冷却速度，从而防止或减少45钢淬火裂纹.。 5.2.4采用亚稳淬火工艺 亚稳淬火即不完全淬火，在保证性能的前提下，保证淬火后组织中存在一部分铁素体，塑性好的铁素体的存在能防止应力集中和阻止裂纹扩展（铁素体的比容比马氏体小），铁素体的存在也能减小淬火冷却中奥氏体转变为马氏体所产生的组织应力，从而减小45钢零件的变形开裂；亚稳淬火时，零件从两相区冷却温度远低于完全淬火的单相区加热温度，因而淬火冷却时零件表面和内部的温差和热应力小，可减小热应力引起45钢变形裂纹的倾向。 5.3其他因素5.3.1小截面零件 采用提高加热温度淬32机油，按照淬火一般原则，在达到淬火目的情况下，应尽可能用冷却速度小的淬火介质，这样能有效降低内应力，因零件较小通过提高加热温度，加大过冷度提高临界冷却速度，用较慢的冷却介质也能防止淬裂。 5.3.2 保证工件受热的均匀性 为使工件在炉中受热均匀,专门做了一些胎具,把工件放到胎具上加热,不让工件直接放在炉底板上加热,使工件受热更均匀。 图7 自制胎具示意图调整后,工件淬火后出现裂纹的几率大大降低,质量有很大的提高。（1）对于不同尺寸的工件,选用适当的淬火介质。对于直径在8mm左右的工件,淬火介质选用50%的火碱溶液;对于直径在50mm以上的45号钢轴类零件,淬火介质选用40以下的循环水冷却。（2）对于直径在50mm以上的工件,要采取措施提高预冷效果。笔者对工装设备进行了改进:在淬火槽上做了一个可以旋转的平台,工件从炉中出来后,倒盘在平台上,所有的工件预冷到适当的温度后再入水冷却。（3）根据工件采取合适的装炉方式,可以避免或减小淬火变形。对于直径较小的细长轴,采用吊装的方式垂直装炉,既能防止加热时变形,又能保证淬火时垂直入水,从而减少因热应力和组织应力而引起进一步变形。（4）控制材质的冶金质量,可以避免很多热处理缺陷。加强与铸造车间、锻造车间的联系和协调,减少夹杂、折叠、裂纹等热加工缺陷,也是保证热处理质量的必要措施。 5.3.3 选用适当的淬火温度 原工艺为840保温后淬火,现在把工艺调为810淬火,出火碱溶液的温度控制在200左右。另外,随季节对淬火温度进行调整,冬季淬火温度稍低,夏季淬火温度正常。 结束语完成情况：本文在苗老师和同学们的热心帮助下圆满完成。所得收获：通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 致 谢 在整个毕业设计中，我得到了指导老师苗高蕾老师的热心指导和帮助，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。 参考文献1 常明,朱穗东,刘智勇,等.45钢Ac3点的突变与开裂J.金属热处理,1986,(3):161812 程羽,卢馥.45钢热处理新工艺J.新技术新工艺,1991,(6):1013 田白玉.预防45钢淬火裂纹J.金属热处理,1998,(4):3414李泉华热处理技术400问解析M北京：机械工业出版社，20025刘宗昌钢件的淬火开裂及防止办法M北京：冶金工业出版社，1991