45钢淬火后出现表面裂纹原因分析及对策
毛喆;李亚龙;刘建悟;王洲
【摘要】针对公司45钢淬火后出现表面裂纹的现象,通过金相组织和热处理后的应力分析,确定制件表面存在脱碳层是导致淬火开裂的主要原因.从产生脱碳的环节进行查找,通过热处理前机加工余量去除的控制,结合热处理加热方式和防氧化的措施,成功解决了这一问题.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2018(039)002
【总页数】3页(P58-60)
【关键词】表面裂纹;热处理应力;脱碳
【作者】毛喆;李亚龙;刘建悟;王洲
【作者单位】保定向阳航空精密机械有限公司热表厂,河北保定 071000;保定向阳航空精密机械有限公司热表厂,河北保定 071000;保定向阳航空精密机械有限公司热表厂,河北保定 071000;保定向阳航空机械有限公司理化计量中心,河北保定071000
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.44
我公司的45钢制件在淬火后经常出现表面肉眼可见的裂纹，经磁粉探伤后，裂纹显现裂纹深度一度在0.5 mm左右，个别达到1 mm，超出了制件后期的加工余
量，导致制件报废。

这类问题主要出现在板材制件上，并且板材厚度在5～15
mm范围内都存在。

因此，分析裂纹产生原因及制定相应措施成为了我们思考的
问题。

1 制件加工流程简介
加工流程为：供料→正火→铣加工板材上下两面→淬火、回火→后续加工。

工序说明：1)材料为热轧退火状态；2)公司没有盐浴炉，正火和淬火均采用箱式电阻炉。

供应板材单边的余量比最终制件的尺寸大1.5 mm左右；3)正火是为了细化晶粒，防止后期淬火产生贯穿性裂纹。

同时提高制件硬度，便于铣加工；4)铣加工要求正火后板材的上下表面各去除1 mm；5)热处理淬火前，制件单面余量有0.5 mm；
6)正火和淬火温度都为840±10 ℃，保温时间也相同，正火采用空冷，淬火采用
水-油分级淬火。

2 金相组织分析
原材料投入生产前，均按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》
进行了夹杂物分析，均符合要求。

对淬火、回火后的板材裂纹处进行金相分析，经4%硝酸酒精腐蚀后，在200倍目镜下观察，显微组织为回火索氏体。

裂纹开裂于零件表面，零件表面铁素体基体上弥散分布的细粒状渗碳体明显少于心部组织，在显微镜下表现为颜色稍浅，其深度约为0.1 mm(如图1)。

图1 制件表层显微组织Fig.1 Surface microstructure of part
观察裂纹状况，裂纹由表面向内部扩展深度约为1 mm，裂纹开口大，内部小，
呈撕裂状，如图2。

扩展裂纹两侧无脱碳情况。

由此可见，表层脱碳层处是裂纹的起始点。

图2 裂纹的显微状况×200Fig.2 Microscopic state of crack ×200
3 开裂原因分析
热处理后制件开裂主要出现在淬火工序，造成开裂的原因是热处理淬火时产生的应
力大于材料的断裂强度，造成开裂。

热处理应力主要分组织应力和热应力两大类。

45钢热处理所产生的组织应力来源有两个方面：一方面，45钢加热时为奥氏体，淬火冷却后组织为马氏体，马氏体比奥氏体体积大，会产生体积膨胀，产生组织应力；另一方面，马氏体转变的不同时性。

在淬火冷却过程中，制件表层和心部的马氏体相变不同时进行，45钢加热到奥氏体，在冷却过程中，过冷奥氏体在Ms点
发生马氏体相变，表层先发生，此时制件心部仍为过冷奥氏体，表面为压应力，心部为拉应力。

待心部降温到Ms点以下后，发生马氏体转变，产生体积膨胀，受制件表层已转变为高强度的马氏体的阻碍，这样在制件心部产生压应力，表层产生拉应力。

热应力是由于表层和心部温差引起金属零件的体积收缩不均匀而产生的内应力。

在不考虑相变的情况下，制件表面先冷却，产生体积收缩，心部还没冷却，此时表面表现为拉应力，心部为压应力。

制件冷却后期，表面已冷却，心部要继续降温和体积收缩，而表层则阻碍心部收缩，这样心部产生拉应力，表层产生压应力。

由于制件热应力从淬火冷却开始就产生，而组织应力则是在制件冷至Ms点时发生马氏体相变后才产生。

热应力和组织应力在淬火金属截面内处于相同部位，但作用力相反，两者相互作用后，应力降低或消失。

组织应力的切向应力明显大于轴向应力，而热应力则相反，即轴向应力大于切向应力。

可见两者同时作用有致裂和抑制裂纹形成的双重性。

组织应力和热应力是在热处理淬火冷却中形成，应力的形成是产生和传递的过程，上述分析也表明在整个冷却过程中，两种应力所产生的拉应力和压应力也是不同转换的，最终所表现的应力分布只是残余应力，而导致开裂的主要因素是瞬时应力过大。

无论何种裂纹，都是在拉应力作用下产生的[1]。

而出现
开裂必定存在应力梯度，即应力集中[2]。

因此，瞬时拉应力过大，造成应力集中，超过材料自身的断裂强度σb，是裂纹的产生根本原因。

制件表面存在的脱碳层使制件表面碳浓度比心部低，在冷却转变的Ms点比正常
45钢的Ms点高，也就是说冷却时表层先发生马氏体转变，而脱碳层下还没冷却
到马氏体转变温度，此时表层受热应力所产生的拉应力，在组织应力下为压应力。

脱碳层一般较浅，在0.2 mm以内，当进一步冷却达到45钢正常Ms点温度(330 ℃)时，脱碳层下的组织发生马氏体转变，马氏体是无扩散转变，体积膨胀会形成较大的瞬时应力，对已发生转变的脱碳层表现为拉应力。

而此时制件心部还继续降温，故此时热应力仍使制件表面表现为拉应力。

由此可见，此时脱碳层所受的瞬时应力全部表现为拉应力。

同时，材料的淬硬性主要决定于自身的含碳量，制件表面碳含量低，淬火后自身的强度也比正常的45钢的低，在瞬时拉应力的作用下，出现开裂现象。

表面裂纹一般深度为0.01～1.5 mm[3]，深度的深浅决定瞬时拉应力的大小，瞬时拉应力大
会使裂纹沿晶界发生撕裂，向制件内部延伸，导致裂纹深度增加。

45钢属于中碳钢，淬火时形成的马氏体比容较大，产生的应力也大，容易使表面裂纹向内部撕裂。

若在Ms点以下的冷速快，这点表现的更为明显。

4 脱碳产生的原因
1)制件本身存在脱碳层。

钢件有热轧和冷轧的，冷轧脱碳层浅，热轧则有一定深度的脱碳层，在这方面板材表现得更为明显。

2)热处理前机加未均匀去除余量。

对于热轧制件，表面有一层较厚的氧化皮，氧化皮下有一定深度的脱碳层，热处理前机加进行去除。

对于轴类制件，是回转体加工，能够保证制件整体去除均匀。

而板材制件，机加采取铣削的加工方式，需两面分别加工，有时操作者则一面见光，另一面加工到工艺规定尺寸，造成制件有一面脱碳层没能完全去除。

3)热处理加热方式。

热处理加热保温过程中也会产生氧化、脱碳现象。

由于公司热处理淬火时，使用箱式电阻炉。

加热时45钢表层的铁与空气中的氧发生反应生成氧化膜。

氧化膜由Fe2O3、Fe3O4、FeO三种组成。

随着加热温度的升高，不仅
氧化程度增加，而且氧化膜厚度也增加，达到一定厚度就形成氧化皮，它与钢的膨胀系数不同，会使氧化皮产生机械剥离，进一步加速钢件的氧化。

高温下，溶解在奥氏体中的碳和碳化物中的化合碳被空气中的氧烧损，造成脱碳。

反应方程式如下：
C(γ-Fe)+O2=CO2
(1)
Fe3C+O2=3Fe+CO2
(2)
45钢是在600 ℃以上氧化比较明显，在氧化的过程中也伴随着脱碳，在加热到800 ℃以上时，制件的脱碳现象更为明显。

氧化脱碳的现象不仅跟温度有关，和加热时间也有很大关系，温度高、时间长都会使氧化脱碳加剧。

5 解决措施
1)热处理前均匀去除余量。

对于板材制件，尤其是热轧板材，应保证热处理前脱碳层去除彻底。

一方面要在选材时在厚度上应考虑脱碳层厚度，另一方面，机加工艺应明确对板材制件均匀去除余量，并结合检验控制保证。

2)加热。

工艺规程只标明了45钢淬火加热温度和保温时间，对加热方式并没有进行严格规定。

HB/Z136—2000《航空结构钢热处理工艺》中“6.4.2热处理时，制件一般是到温后装炉”。

在日常生产中，操作者有时是到温装炉，有时是随炉升温。

为防止在加热升温过程中的氧化脱碳，采取到温装炉的方式。

即将电阻炉升温至840 ℃后，打开炉门装入制件，等炉温回升至840 ℃后再开始计算保温时间。

3)防氧化。

为减少45钢制件在淬火保温过程中的氧化脱碳，在装入制件的同时，放入一定量的木炭。

木炭和电阻炉中的空气进行反应，生成还原性气氛CO。

CO 可进一步与氧气反应，消耗空气中的氧气，可减少45钢制件的氧化脱碳。

6 结论
通过上述前期加工均匀去除余量，结合对加热方式的明确和采用加热过程用木炭防氧化保护措施，在后续生产中，45钢淬火后没有再出现表面裂纹的现象。

参考文献
[1] 钢的热处理裂纹和变形编写组. 钢的热处理裂纹和变形[M].北京：机械工业出版社，1978:56
[2] 陈锐，罗新民. 钢件的热处理淬火变形与控制[J].热处理技术与装备，2006,27(1):18-22.
[3] 钟群鹏，周煜，张峥. 裂纹学[M].北京：高等教育出版社，2014:271。