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链轮渗碳淬火出现托氏体的原因与控制

更新时间:2009-03-28

0 引言

低碳钢渗碳淬火后在次表层易出现托氏体层,这将导致渗层与基体结合力下降,以至于链轮在使用过程中齿部发生断裂和脱落现象。表层的比体积大,而托氏体层比体积小,在体积变化差最大处组织应力达到最大,此处易萌生裂纹源。在冲击载荷的长期作用下,裂纹源横向和纵向扩展、长大,直至与基体分离、脱落。消除托氏体层,确保有效硬化层的深度[1],能够提高链轮的性能。

近年来,关于秦始皇“会稽刻石”的立碑地点成为史学界和书法界争论的一个焦点。综合各家观点,有秦望山说、鹅鼻山(刻石山)说、何山说三种,其中鹅鼻山(刻石山)说流行最广,似乎已成定论。但是在去年,诸暨民间人士忽然在枫桥镇“发现了”秦始皇“会稽刻石”的立碑之处,并抢先在此重立刻石,一时间,争论的风烟又起。绍兴县平水镇组织了十余位学者召开专题学术研讨会,出版了论文集,坚持原碑立于鹅鼻山(刻石山)说。笔者通过文献梳理和实地考证,认为双方所据资料都缺乏原始真实性,所下结论值得商榷。

1 次表层出现托氏体层的热处理过程

本文研究对象为型号428-15链轮,材质Q235B。其热处理过程为:930 ℃渗碳4 h,Cp1.1~1.2,降温到850 ℃渗碳,保温4 h,油淬,230 ℃回火3 h。淬火油选快速淬火油。

工艺流程及用时如表1所示。

 

1 工艺流程及用时

  

操作流程装炉进炉内室门关闭渗碳及保温内室门开启工件由内室到外室再到淬火清洗回火时间/min3020.54800.525180

2 金相及硬度分析

2.1 硬度及硬度梯度

从链轮表面开始测量硬度梯度,结果如图1及表2所示。

 

2 硬度梯度数据

  

距表面距离/mm0.100.200.300.400.500.600.700.80维氏硬度(0.2 kg)/HV655.4628.7621.6568.2553.3510.4320.8317.6距表面距离/mm0.901.001.201.401.601.802.003.00维氏硬度(0.2kg)/HV451.7455.4378.4305.7298.7298.6293.4311.8

由表2可以看出,在托氏体层区域,硬度明显降低。

  

图1 硬度梯度曲线

2.2 金相分析

新模板通过分辨投影宽度确定各圆柱投影,采用拟合投影数据确定旋转中心。这种方法充分使用了全部的数据,减小了对部分离散数据的依赖,且不存在标定盲区,最大限度地减小了误差。

  

图2 链轮渗层100倍下金相组织

  

图3 a层500倍金相组织图4 b层500倍金相组织图5 c层500倍金相组织图6 d层500倍金相组织

验证1:提升淬火温度到890 ℃进行淬火。此时金相组织如图9所示。

3 产生托氏体层的原因分析

验证2:淬火850 ℃温度不变,把淬火剂改为10%NaCl进行淬火,此时金相组织如图10所示。

如图2所示,把链轮从表及里划分为4层,第1层为表层,第2层为次表层,第3层为内表层,第4层为基体,分别标号为a层、b层、c层、d层。对应的金相组织如下:a表层——高碳马氏体+残余奥氏体;b次表层——托氏体+小块状铁素体;c内表层——马氏体;d基体——先共析铁素体+马氏体+贝氏体。由a到d含碳量依次降低。图3~图6分别为a层、b层、c层、d层的500倍金相组织图片。

那么次表层淬火时形成托氏体原因是什么?为什么b层托氏体层里面c层又出现马氏体?从CCT曲线得知,是b层的冷却速度低于临界冷却速度,经过了珠光体的相变区形成了极细的珠光体——托氏体;从CCT曲线还可以看出,托氏体相变的温度在“鼻尖”区,即500~600 ℃。如果按上述情况推论,因为b层的冷却速度小于临界冷却速度,c层在b层里面,c层冷却速度肯定也低于临界冷却速度,既然c层低于临界冷却速度,就不可能产生全马氏体层,但c层出现了近乎完全的马氏体层,这是为什么呢?

钢的CCT曲线是在一系列恒定的冷却速度下测定的,但是现实条件的热处理过程中冷却速度是在不停变化的。冷却过程中冷却速度的变化将直接导致过冷奥氏体相变的变化,故而不能用CCT曲线对转变直接做出判断。珠光体的转变行为取决于低于A1点的孕育期的消耗量和冷却速度发生变化的温度以及过冷度。由表1可以看到,链轮由850 ℃从内室取出到外室再到淬入油中所用时间为2 min,此过程中链轮热量的传递是由内到外,表层降温,次表层及基体不断地把热量传送外表面,入油时从表及里的温度如图7所示。

对于验证1,由于提高淬火温度到890 ℃,在从内室到外室再到淬火的过程中,表层及次表层的温度一直远高于A1线,孕育期没有消耗,在随后的淬火中,冷却速度大于临界冷却速度,所以形成全马氏体层;由a到d的组织依次为a层马氏体+残余奥氏体、b层马氏体、c层马氏体、d层马氏体+先共析铁素体+贝氏体,如图8所示。

  

图7 淬火时从表及里的大致温度

  

图8 冷却示意图(鼻尖以下的延伸线不代表 鼻尖以下的冷却速度)

4 消除托氏体层的验证与分析

4.1 验证

在表层和次表层的交界处,存在显微裂纹,如图3所示。钢中各组织的比体积[2]是不同的,从小到大依次是奥氏体、珠光体(包含托氏体和索氏体)、贝氏体、马氏体。在a层高碳马氏体与b层托氏体层的交界处,比体积变化最大,硬度变化最大,见表2,产生组织应力最大,在组织应力的作用下,在交界处萌生微裂纹,即裂纹源。使用过程中,微裂纹不断向两端长大,托氏体层与马氏体层的交界面应力大,与交界面平行的裂纹在组织应力、冲击载荷和交变载荷的长期作用下,裂纹迅速扩展,直至横贯整个交界面,从而与基体分离、脱落。

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分析认为,托氏体层是在淬火时形成的。原因有两个:首先,链轮的回火温度为230 ℃,属于低温回火,高碳钢、中碳钢、低碳钢经此温度回火都不会产生托氏体;其次,回火托氏体是由马氏体转化而来的,马氏体属于亚稳定相,中温加热后,原子扩散能力加强,会自发地向稳定相铁素体和渗碳体转变,进而形成回火托氏体,其ε相与母相存在共格关系(惯习面{100}m)并保持结晶位向学关系[3],在金相显微镜下可以观察到,回火托氏体保持了原有的马氏体位向,而淬火托氏体没有此种位相关系。从图3可以看出,此种托氏体没有保持和马氏体的位相关系。所以托氏体属于淬火托氏体。

蒙古族的整个篇章中,也基本是在一个固定的场景里——蒙古包,此处用逆光位置上的传统成像切割灯,将蒙古包中的八个坐席用光斑切割出长方形来拼成“八”字,一是将演区突出,二是从视觉的角度上,用长方形拼合而成的“八”字形刚好形成了一个室内场景的区域,让观众一看到此场景立刻就能有一种身临其境被包裹在其中的感觉。随着篇章的进行,“八”字形区域时而强调时而弱化,在情节以及时间转换上都很好地起到了锦上添花的作用。

  

图9 提升淬火温度后500倍金相组织图10 采用10%NaCl溶液淬火500倍金相组织

4.2 分析

淬火过程中表面温度低于850 ℃,消耗了一部分孕育期,即从H点开始,冷却速度V表面远大于从H点开始的临界冷却速度Vc2,如图8所示,所以形成马氏体+残余奥氏体双相组织;b层即次表层由于孕育期的消耗,也从H点开始冷却,冷却速度V次表层低于V表面,也低于从H点开始的临界冷却速度Vc2(材料本身淬透性较差),经过了过冷奥氏体相变最不稳定的区域(即“鼻尖”区域),所以淬火时形成了托氏体;c层温度没有明显降低,没有孕育期的消耗,从开始温度即850 ℃开始,冷却曲线V内表层大于临界冷却速度Vc1,没有经过珠光体区域,如图8所示,所以淬火依然形成马氏体;基体同样没有孕育期的消耗,只是冷却速度低于临界冷却速度,所以形成先共析铁素体+马氏体+少量贝氏体的混合组织。冷却示意图如图8所示。

由图9、图10可以看出,两种淬火方式都没有托氏体层的出现;验证2出现显微裂纹。

对于验证2,20 ℃时Nacl10%水溶液对580 ℃工件最高冷却速度达到2 000 ℃/s; 而20 ℃淬火油最高冷速是在600 ℃最高冷速是180 ℃/s。 虽然次表层消耗了一部分孕育期,但是在随后的冷却过程中(即从P点开始),冷却速度非常大,以1 900 ℃/s平均冷却速度快速绕过了鼻尖,所以避免了托氏体层的出现,形成了全马氏体层;由a到d的组织依次为a层马氏体+残余奥氏体、b层马氏体、c层马氏体、d层马氏体+先共析铁素体+贝氏体。但是在300~200 ℃奥氏体向马氏体转变的相变区冷却剧烈,产生较大的组织应力和热应力,导致出现显微裂纹,如表3和图9所示。

快速淬火油和Nacl10%溶液在中温区的冷却能力[4] 如表3所示。

 

3 淬火油和10%NaCl溶液冷却特性温度下的冷却速度

  

名称所在温度/℃最大冷却速度/(℃/s)平均冷却速度/(℃/s)10%NaCl溶液,20 ℃快速淬火油,20 ℃5802 000650~5001 900300~2001 000600180650~500165300~20050

5 实际生产中的采用

验证2虽然不会产生托氏体层,但因为在400℃以下到冷却速度太快,产生很大热应力,在随后的相变过程中,产生很大的组织应力,两种应力产生时间集中,综合应力达到最大化,易导致链轮出现明显的横向以及纵向的微裂纹,如图9所示,所以不采用。

验证1既能保证链轮次表层不出现托氏体层,又能保证链轮在淬火过程中不开裂,如图8所示,所以采用验证1的方法应用到实际生产中。

反应堆压力容器算例模型如图5所示,因压力容器是对称的,取其1/4模型来分析法兰与压力容器之间的接触,该模型仅受螺栓预紧力的作用。材料参数为:弹性模量为200 GPa、泊松比为0.3。

6 结论

低碳钢渗碳淬火在次表层出现托氏体层的原因是由于原材料本身的淬透性不高,从内室到外室再到入油阶段表面及次表层降温,导致孕育期消耗,淬火介质的冷却能力不足以将孕育期消耗的次表层绕过“鼻尖”区域,次表层出现了极细的珠光体——淬火托氏体。采用升温到890 ℃保温再淬火,比原来保温温度高了40 ℃,在随后入油过程中,提高了H点,从而绕过了“鼻尖”区域,避免了托氏体的出现,提升了链轮的整体性能。

不得不说张恨水先生依旧是一个旧文人,章回体的目录与文中出现的格律诗以及骈文很好的诠释了这一点。除此之外,五行之说也若隐若现的在小说中漏出面目。

参考文献

[1] 李炯辉, 林德成. 金属材料金相图谱[M]. 北京:机械工业出版社, 2012:1392.

[2] 崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理[M]. 北京:机械工业出版社, 2007:5-284.

[3] 陆兴, 戚正风, 王传雅. 热处理工程基础[M]. 北京:机械工业出版社, 2006:9-69.

[4] 崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理[M]. 北京:机械工业出版社, 2007:5-286.

 
刘毅,张孟九,逄宁宁
《机械传动》 2018年第05期
《机械传动》2018年第05期文献

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