改善金属部件的物理特性往往需要精细的处理,将它们带到毁灭的边缘。这是冶金热处理者经常要解决的问题。
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。热处理这些部件复杂。即使是最轻微的超出规范条件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。
在我们严格的调查期间监测无数变量后,我们突破了一些基本规则,以便改进热处理过程并提高频段的质量。

严重服务环境中的内在风险

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。”
恒定的张力带我们的客户制造的旨在确保汽车和卡车中的橡胶软管保持紧密贴合。它们由6150簧钢制成,默认合金用于本申请。
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钢易受压力腐蚀开裂的影响。
  • 存在腐蚀源。
  • 部分是压力。

不稳定的6150恒定张力带

零件规格要求固定张力带奥氏体回火进而在熔盐浴中淬火瞄准50 HRC约50小时的硬度。
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。
它是螺纹针的冶金等同物,所以我们在部件上进行了频繁的压力测试。如果恒定的张力带不按预期执行,软管可以从它们的连接中松开,导致引擎问题严重。
在这种情况下,测试揭示了比顾客能够容忍的重新处理所需的更多批次。没有安全关键的测试作为失败回来,汽车制造商或司机没有任何问题,但仍然是我们的客户仍然迫在眉睫的恐惧。

传感器有故障,故意的规则破坏和解决问题

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,在将零件被规定进行热处理之后,将它们放置在塑料芯架上,施加载荷率靠近其产率应力水平。
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。
这是一个批判性细节。冶金学教学指出,为了实现我们使用的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。部分和大气之间的平衡确保了部分的碳含量在治疗过程中不会改变。
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。
我们的冶金主义者疑惑。在本申请中的脱碳是一个否 - 因为它改变了马氏体起点,增加了马氏体将形成的机会。回想一下,这种申请的马氏体的形成被理解为坏。
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。
我们也做了更多的过程调整,包括高于指定的1,550华氏度的尊敬。这导致部分碳化物的溶解。
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机械特性是这种事件序列的结果:

  1. 当炉中的较低碳设定点引起略微脱碳时,它设定了在淬火期间形成马氏体的阶段。
  2. 马氏体在形成并占用比贝氏体的空间更多时膨胀。
  3. 马氏体的形成可能使零件表面产生压应力。
  4. 这种增加的压缩应力将降低部分表面上的操作应力,减轻了已知的三种条件中的一种,以引起应力腐蚀裂缝。

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汽车恒张力带表面结构
接下来,在不同温度的零件表面附近的400x放大视图:
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汽车恒压带的核心结构
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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