淬火冷卻條件不良造成的淬火裂紋

上海恒精機電設備有限公司（201707）江國清 林信智

感應淬火的冷卻速度和冷卻均勻性是十分重要的參數，如果淬火冷卻介質的冷卻性能不良或冷卻方式不佳，也能造成淬火裂紋或其他缺陷。感應淬火一般是零件的表面層淬火，淬火冷卻速度應該很快，否則達不到表面淬火的目的。為此多采用噴射冷卻方式。但冷卻也不能過分劇烈，否則要產生淬火裂紋和變形。現在我國的一些工廠感應淬火冷卻介質是自來水，自來水不是理想的淬火冷卻介質，其冷卻速度太大，尤其是在Ms點以下時，由于冷卻速度大，時常造成零件的淬火裂紋。盡管如此，自來水的清潔、廉價、環保等優點仍然為人們青睞。感應淬火的理想淬火冷卻介質是在鋼的“S”曲線的“鼻子”附近有大的冷卻速度（要大于或等于臨界冷卻速度）。而在Ms點以下具有小的冷卻速度（接近于淬火油的冷卻速度）。為了滿足這一要求，國內外多家公司開發并生產多種有著優良冷卻性能的淬火冷卻介質。例如Houghton、PETROFER、科潤、華立等。下面介紹幾例由于冷卻不良造成的淬火裂紋。

1.冷卻速度太快造成的淬火裂紋—半軸花鍵淬火裂紋

花鍵形狀復雜，在連續（掃描）感應淬火時（用水淬火）容易產生淬火裂紋。

中型、重型載貨汽車的半軸花鍵都是漸開線花鍵，如果模數大（m≥3），齒形高（≥4mm），在中頻淬火時，使用自來水噴射冷卻淬火，時常出現淬火裂紋，當淬火水溫低于20℃時，淬火裂紋會相當嚴重。圖1展示了水噴射冷卻和浸液冷卻的冷卻能力情況，噴射冷卻速度約是浸液冷卻速度的4倍（水溫28℃，噴射流量220mL/s）。

半軸花鍵的模數較小，齒形不高（≤3mm）時噴水淬火，花鍵裂紋的危險性會大為減小，甚至不產生裂紋。

汽車半軸是傳遞扭矩的零件，要求有高的靜扭強度和扭轉疲勞強度，因此，要求有較深的硬化層（中型、重型貨車半軸的軸桿硬化層多為4～7mm和7～12mm），材料多為中碳合金鋼（40Cr或42CrMo等）。應該說明，隨著材料合金化的上升和淬火層深度的加大，半軸的淬火變形和花鍵淬火裂紋的傾向也加大了。這種裂紋使用適當濃度的淬火冷卻介質是可以消除或減輕的。

圖1 水的噴射冷卻和浸液冷卻的冷卻能力比較

2.提高淬火水溫度可以消除冷軋花鍵軸的淬火裂紋

某種汽車的傳動軸花鍵是用40MnB鋼制造、花鍵冷軋（或冷擠）成形，留下很大的殘留應力，這種殘留應力能夠引發淬火裂紋，尤其以自來水為淬火冷卻介質并噴射淬火時，水溫低時出現嚴重的花鍵淬火裂紋。試驗證明，淬火水的溫度對淬火裂紋情況有明顯影響，見表1。

表1 淬火水溫度對冷軋花鍵淬火裂紋的影響

各種淬火水溫度在噴射冷卻的情況下，200～350℃區間（馬氏體轉變溫度）的冷卻能力數據見表2。

由表2可以看出，當水溫為50℃時，其噴射冷卻的最大冷卻速度已經略低于靜水浸液冷卻速度，于是當水溫升到68℃（實際生產時多用58℃），對冷軋花鍵軸連續淬火，可以消除其淬火裂紋的誘因。

表2 在200～350℃區間各種溫度水的最大冷卻能力

冷軋花鍵軸中頻連續淬火時，產生淬火裂紋的影響因素較多，如前面已介紹了花鍵底徑的圓角半徑的影響，現在又介紹了淬火水溫度的影響，以后還將介紹淬火前殘留應力大小對淬火裂紋的影響等，然而在諸多的影響因素中，淬火水溫度的影響顯然是主導因素。

實踐證明，硬化層要求較薄（2～3mm）的花鍵軸及一些形狀簡單的零件，感應淬火時可以使用自來水為淬火冷卻介質，提高水的溫度，能夠有效地減少或消除淬火裂紋。

3.淬火冷卻條件的不均勻造成的淬火裂紋

某種汽車的轉向節主銷是直徑38mm的圓柱形零件，用45鋼制造，分兩次用圓筒式感應器進行中頻同時加熱淬火（工藝參數：8kHz、180kW、加熱4.6s、冷卻9s），硬化層為2～3mm。以水為淬火冷卻介質，噴射壓力為0.2MPa，淬火時零件不旋轉。曾發生嚴重的滿圓柱面分布的點狀裂紋。裂紋長度3～6mm，深度0.2～0.34mm，少則一條，多則三條（擠在一起），一堆一堆分布，遠距離觀察時似乎是一個個黑點（磁粉檢測顯示），故有時稱為點狀裂紋。這種裂紋與感應器的噴水孔完全對應（感應器噴水孔分布見圖2）。

圖2 主銷感應器上噴水孔分布

在探索裂紋原因的過程中偶然發現，淬火后的零件在無心磨床上輕輕刮一下，表面有規律地分布著白點（見圖3），這些白點是局部凸起，經過計算和測量，局部凸起的高度為0.01～0.015mm。經磁粉檢測，看到每個凸起的白點上均有裂紋。這個偶然發現說明，光滑圓柱面的零件中頻淬火后不再光滑，而是出現了若干個小凸起，而小凸起與噴水孔一一對應，顯然在零件不旋轉的情況下，對應噴射孔的零件表面被水柱強烈噴射冷卻，而其他地方冷卻相對是緩和的，這些點狀裂紋是淬火冷卻不均勻造成的。從噴水孔噴出的高壓水柱，是局部凸起的始作俑者。因此，我們可以推斷，任何增加冷卻均勻性的措施，都是減少局部凸起的措施，也肯定是減少或消除淬火裂紋的措施。

圖3 主銷淬火后表面的局部突起

為了減小局部凸起，進而減輕淬火裂紋，我們采取了幾項措施，均收到較滿意的效果。采取某些措施后，零件表面的局部變形情況有明顯好轉，如圖4所示（圖4a為間隙2.8mm，零件淬火不旋轉；圖4b為間隙4.3mm，零件淬火旋轉；圖4c為間隙4.3mm，零件淬火不旋轉）。

圖4 淬火主銷磨去0.005mm后表面斑痕情況

為了消除淬火裂紋，我們進行了多種試驗（圓筒式感應器，同時加熱淬火）。

（1）間隙大小對淬火裂紋的影響 零件表面到感應器有效圈內表面之間的距離稱為間隙，間隙大小對淬火裂紋有明顯影響，見表3。

分析表3可知，間隙增加能顯著地減少淬火裂紋，間隙由1.8mm增加至4.3mm，淬火裂紋由100%下降到8%。間隙增大，使間隙中的存水層或流水層加厚了，從而大大緩沖了噴射水柱的冷卻強度，也使水柱分散的面積更大，增加了淬火冷卻的均勻性，自然也就減少了零件表面的局部變形，這一分析從圖4可以得到證明，比較圖4a和圖4c，可以看到由于間隙增大，斑點直徑增加了，大部地方已經連成一片，說明局部變形已經減小，因而減小了淬火裂紋。

從表中還可以分析出在相同間隙（2.8mm）的情況下，適當減少加熱功率，也能減輕淬火裂紋，這也許是加熱緩和一些對熱應力的減小有好處。

（2）噴射壓力對淬火裂紋的影響 淬火水的噴射壓力對裂紋情況也有明顯影響，見表4。

表3 間隙大小對淬火裂紋的影響

表4 淬火水噴射壓力對淬火裂紋的影響

表4說明淬火水噴射壓力越大，淬火裂紋情況越嚴重，這大概是隨著噴射壓力的提高，噴出的水柱越強勁，冷卻的均勻性越差，淬火裂紋自然也越多。

（3）零件旋轉可以消除淬火裂紋 零件在感應加熱和淬火冷卻過程中，一直旋轉，能夠根除這種裂紋。從圖4b可以看到，由于零件的旋轉，完全消除了零件表面的局部凸起變形，說明淬火冷卻是均勻。因此，根除了點狀分布的淬火裂紋。同樣形態的點狀淬火裂紋在剎車凸輪軸的軸頸及剎車蹄片軸的軸頸上均有發生，采用增大間隙，減少功率及零件旋轉等措施，均能收到減少裂紋或根除裂紋的效果。