改善金属部件的物理特性通常需要对其进行微调处理,使其处于破坏边缘。这是冶金热处理厂经常遇到的一个怪癖。
几年前,一个老客户要求我们调查其供应给美国主要公司的恒张力带的热加工汽车制造商。热处理这些零件比较复杂。即使是最轻微的不符合规格的情况也可能导致质量测试失败。
在这种情况下,我们需要弄清楚如何降低恒定张力带因应力腐蚀开裂而失效的风险。
在严格的调查过程中,我们监测了无数的变量,在精炼热处理过程和提高带的质量的过程中,我们打破了一些基本规则。

在恶劣的服务环境中存在固有风险

ASM国际将应力腐蚀开裂定义为“由于同时存在拉应力、环境和易感材料而发生的失效过程。”这些失效通常表现为深入金属内部的细小裂纹,附近表面几乎没有腐蚀或周围结构变形的迹象。”
我们的客户生产的持续张力带是为了确保汽车和卡车的橡胶软管保持一个舒适的适合。它们由6150弹簧钢制成,这是用于这种应用的默认合金。
但在引擎盖或底盘下面是一个粗糙的服务环境,具有腐蚀性,如道路盐和水。在此环境中满足提高应力腐蚀开裂风险的标准:

  • 6150钢易发生应力腐蚀开裂。
  • 存在腐蚀源。
  • 这部分受到了压力。

等温淬火6150恒张力带

零件规格要求固定张力带奥氏体回火然后在熔盐浴中淬火目标硬度在50 HRC左右。
奥氏体淬火产生贝氏体,这是钢的一种结构特征,较不容易产生应力腐蚀开裂。为了确保零件在达到目标硬度的同时保持这种结构,我们必须将盐浴的温度设置为仅比6150钢的马氏体起始点高10度。马氏体起始点是冷却钢组织开始由贝氏体向马氏体转变的温度。我们必须避免这种转变,因为马氏体与更大的应力腐蚀开裂风险有关。
换句话说,成功的热处理所要求的工艺参数与可能导致质量测试失败和零件故障的环境极为接近。
这相当于冶金学上的穿针引线,所以我们经常对零件进行应力测试。如果恒张力带不能像预期的那样发挥作用,软管可能会从连接处滑脱,导致严重的发动机问题。
在这种情况下,测试显示需要再处理的批次比客户能容忍的多。没有任何安全关键测试被认为是失败的,汽车制造商或司机也没有发现任何问题,但我们的客户仍然感到恐惧。

一个有缺陷的传感器,故意破坏规则,问题解决了

OEM规范要求我们的客户开发一个实验,以查明发生了什么。应该由我们来进行这些试验。要想让它正确,就需要监控和记录数千个过程变量。
首先,在零件按照规定进行热处理后,将它们放在塑料芯棒上,施加接近其屈服应力水平的负载。
接下来,将这些部件浸入浓盐酸溶液中。如果在8分钟过去之前,零件没有断裂,那就是成功的。
测试进展正常,直到有一天,没有出现任何问题。
我们如此密切关注工艺参数是一件好事。仔细研究我们在热处理和应力腐蚀开裂试验期间收集的所有数据,我们发现了一个异常情况:在等温回火过程中,炉内实际存在的碳量小于指示量。尽管我们的团队将炉子校准到正确的设定值,但还是有一个错误的传感器导致了碳赤字。
这是一个关键的细节。冶金学理论指出,为了达到我们所用的6150弹簧钢的目标特性,炉中的碳设定点必须与钢的碳含量相匹配。工件与大气之间的平衡确保了工件的碳含量在处理过程中不会发生变化。
低实际碳设定点造成了不匹配,导致钢轻微脱碳,一些碳已经从部件中抽出。
我们的冶金学家很困惑。脱碳在这种应用中是不允许的,因为它改变了马氏体的起始点,增加了马氏体形成的机会。回想一下,对于这种应用,马氏体的形成被认为是不好的。
事实上,它看起来很不错。我们开始在“不正确的”处理条件下进行实验,故意降低碳的设定值。该部件没有通过应力腐蚀开裂试验。
我们还做了更多的工艺调整,包括超过指定的1550华氏度的等温淬火。这改善了零件中初生碳化物的溶解。
为了确认我们发现了一种可以大大减少应力腐蚀开裂测试失败的方法,我们加强了内部测试的参数。我们没有在盐酸溶液中浸泡8分钟后监测故障,而是将其提高到12分钟。
仍然没有失败。

为什么我们认为它有效

我们怀疑我们观察到的改进的机械特性是以下事件序列的结果:

  1. 当炉内较低的碳设定点导致工件轻微脱碳时,为淬火过程中马氏体的形成奠定了基础。
  2. 马氏体形成时膨胀,比贝氏体占据更多的空间。
  3. 马氏体的形成可能使零件表面产生压应力。
  4. 增加的压应力将降低零件表面的操作应力,缓解已知的三种应力腐蚀开裂条件之一。

下面是在显微镜下拍摄的照片,显示了在不同温度下处理的恒张力带的结构。
首先,在1690,1650和1600华氏度下进行热处理的零件的50倍放大表面视图:
6150汽车恒张力带的表面结构
接下来,在不同温度下进行等温处理的零件的表面附近进行400x放大观察:
6150汽车恒张力带近表面结构
最后,放大1000倍的等温淬火部件的核心视图:
6150汽车恒张力带核心结构
在确定了新的热处理配方后,我们把它带给了客户。他们根据我们收集的令人信服的数据批准了我们的更改。他们的业务在两个方面得到了改善。
首先,由于压力测试失败少得多,需要返工的批次也少得多,最终降低了制造成本。第二,客户不再生活在一种持续的恐惧状态中。

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