工具钢的过热和过烧淬火缺陷

来源:热处理工程师手册作者:樊东黎

    过热和过烧是指淬火加热温度高于工艺规定的上限温度,造成晶粒的过分粗大、甚至出现晶界的部分熔化等,丧失工具钢的特性,这是热处理过程中不允许出现的致命缺陷。其产生的原因如下。

    淬火加热时温度高于工艺温度,保温时间长。

    ②仪表测温误差大,热电偶线接触不良,辐射高温计镜头与盐浴面距离太近。

    ③仪表控温失灵,控制柜磁力开关黏合失去控制。

    ④夹具或刀具距离电极太近或与电极接触,加热过程中碰到电极等,将导致刀具局部过热或过烧。

    ⑤盐浴炉底部盐渣和其他沉积物太多,电极插入其中,造成炉内温度升高,刀具过热或过烧。

    ⑥盐浴炉的电极分布和布局不合理,造成炉温不均匀,出现局部温度过高。

    ⑦温度的控制不严,没有对刀具进行正确的金相检验。

    ⑧原材料碳化物偏析严重,造成局部区域含碳量过高。

    针对上述原因在热处理过程中一要严格按热处理工艺操作,二是夹具的设计要合理,能满足刀具等零件的加热要求,三是每班进行仪表和热电偶进行校温,定期进行鉴定,最后是对大型刀具出炉淬火时,应断电后进行,可有效避免刀具的过热或过烧,同时也有助于减少变形。关于过热的返修应进行退火处理,首先要求退火前作喷砂处理,以清除表面的氧化皮,防止在盐浴炉退火过程中造成氧化物的提高,出现脱碳和腐蚀麻点;刀具应合理摆放;退火盐浴要彻底脱氧;退火后校直。其次选用较低的淬火温度,适当延长加热时间,并借助于金相组织检查,确保变形和组织合格。

    以上列出了高速工具钢常见的热处理缺陷,可以看出淬火加热温度对其影响最大,关于高速工具钢淬火温度的选择应考虑以下几个方面的因素。

    ①淬火后的硬度和韧性的合理匹配。不同刀具的工作受力状态和技术要求存在很大的差别,应根据其特点作具体分析,如需要高硬度和高的热硬性则采用较高的加热温度(如车刀等),对要求具有高的冲击韧性,减少崩刃的概率则采用较低的加热温度(如中心钻等),因此要充分考虑选择合理的加热温度,是获得理想组织和性能的前提。

    ②原材料的内部组织中碳化物对淬火温度有重要的影响。事实证明碳化物的偏析增大,将造成奥氏体晶粒的长大,在碳化物的堆积处出现过热现象,刀具容易出现变形和开裂,故必须采用较低的加热温度,表3-38为常见高速钢淬火组织与淬火加热温度的关系。

    ③淬火加热温度的高低对淬火晶粒度的大小有直接的影响。不同的高速钢材料淬火温度有一定的差距,一般同钢中合金元素的含量和形成的碳化物的多少有关,在原材料正常的情况下,淬火的晶粒度可作为判断淬火温度高低的主要参考依据。

    ④刀具的形状和复杂程度对淬火温度有一定的影响。对容易变形的刀具(例如薄片状和细长零件锯片铣刀、铰刀、拉刀等),厚薄悬殊、存在尖角棱边、钻孔、凹槽以及其他不规则的刀具(例如三面刃铣刀、无心磨床支片等)应采用较低的淬火加热温度,可明显减小零件的变形和开裂。

    3-38    高速钢零件淬火组织与淬火加热温度的关系

高速钢零件淬火组织与淬火加热温度的关系

    另外刀具的加热时间在热处理过程中也有重要的作用,高速钢加热时,碳化物的溶解程度取决于加热温度和时间,在温度一定的前提下,应有最佳的加热时间,时间过长和过短均会对刀具产生不良的作用。这需要进行工艺试验,选择要求的加热时间,应当注意影响加热时间的因素较多,主要有淬火温度、装炉方式和装炉量、炉子的功率和炉膛大小、刀具的几何形状和尺寸大小、控温手段、预热温度以及原材料的碳化物的形态和分布等。通常推荐的加热系数一般为815s/mm,一般大型刀具选小的加热系数,小型刀具采用大的加热系数。应当注意最短的加热时间不少于30s

    实际热处理生产过程中,加热时间的确定应通过试验得到适宜的加热时间,刀具在淬火后得到高的硬度和热硬性,最好的力学性能和切削加工性能,经验表明在刀具的整个加热过程中,保温时间应占1/31/2,这有利于达到刀具的性能技术要求。

    对于工具钢的重复淬火是由于热处理过程中未能达到技术要求而进行的修复,但只有采取比较妥善的方法才可减少因重复淬火后出现废品的概率,重复淬火一种是零件未经退火处理直接重复淬火,另一种是将不合格零件退火后再进行重复淬火。将已经淬火的零件经过退火后,可以使钢在上一次淬火过程中对奥氏体已固溶的碳化物再次析出凝聚,故重复淬火后的晶粒不会过分长大,否则钢组织中的碳化物因重复淬火加热而使奥氏体固溶,造成晶粒更加粗大,对钢的韧性有极坏的影响。

    需要注意的是零件经过重复淬火后,产生了新的内应力,如果不经退火处理直接进行二次淬火常会出现淬火裂纹;另外由于零件经过多次加热和淬火,将造成表面脱碳层的增加,即降低了表层的含碳量,零件淬火后不会形成马氏体而是珠光体组织,内部的马氏体和外部的珠光体比容不同,致使零件表面受到强烈的拉应力而促使表层发生开裂。因此针对上述有可能出现的缺陷,应对需重复淬火的零件进行退火处理,同时要确保表面无氧化和脱碳现象,控制淬火温度和合理的加热时间是确保晶粒度合格的基础和前提,这一点务必引起热处理工作者的高度重视。经过处理的零件重复淬火后既可确保韧性、硬度符合技术要求,同时也可有效防止淬火开裂。