1．改善结构设计、合理选材和确定技术条件

(1)改善结构设计与合理选材 零件和工模具的优良设计，除了在结构和选材方面必须满足其使用过程所需要的各种性能外，同时要考虑到各种加工的工艺性。其中包括：

1)热处理时产生裂纹的敏感性。从设计结构考虑，采取的措施有：尽量减少应力集中，相邻截面减少突变，孔位分布要匀称，增加各种孔距及孔与边缘的距离，台阶避免不必要的清根和尖角等。

在选材方面，众所周知用水冷却淬火的碳素钢，特别是高碳钢，极易产生裂纹。随着钢中合金元素增加，其淬透性亦增加，这样可以采用冷却速度稍慢的油作淬火冷却介质。特别是含合金元素量较多的钢，还可以采用更缓慢的方法进行淬火冷却。这样可大大减少淬火开裂倾向。不言而喻，对于易产生裂纹的、形状复杂的工件，选择合金钢制作，可以有效地防止淬火裂纹。

图4-34 产生裂纹试样的百分数与马氏体区冷却条件的关系

l-W6MoCr4V2 2-9SiC.r

实例 图4-35所示的滑阀，原设计要求用20钢制作，渗碳后淬火、回火硬度为58-64HRC。该工件渗碳后淬火时，极易在薄壁或多孔处开裂。当采用20Cr或20CrMnTi钢制作时，渗碳后用油作淬火冷却介质，则减少了开裂倾向。

2)淬硬性是热处理另一个重要的工艺性能。淬硬性是钢淬火后所能达到的最高硬化程度。淬硬性大小主要取决于钢的碳含量。

图4-35 滑阀

实例 图4-36所示为钢的淬硬性与碳含量的关系。从图中看出，随碳含量提高，其淬硬性相应亦增加。然而，碳含量越高，淬火后马氏体的晶格畸变程度越严重，组织应力越大，因此，就越容易产生裂纹。因此设计选材时，应当在满足力学性能前提下，尽量使用碳含量较低的钢。

3)钢加热时的过热敏感性是与形成淬火裂纹密切相关的另一热处理工艺性能。除了锰和碳增加过热倾向外，大多数合金元素对过热敏感性均有降低倾向。加热过程中组织粗大是热处理的一大忌。因为粗大的组织不仅产生强大的内应力，而且严重降低其力学性能，是产生淬火裂纹的最大危险。

4)钢的脱碳敏感性也是热处理的重要工艺性能之一。工件加热过程脱碳，不仅影响淬火后表面硬度，而且使表面处于拉应力状态，容易产生表面裂纹。合金元素中仅硅能增加其脱碳敏感性。这是因为加热过程，硅能促成碳的石墨化。

(2)合理确定技术条件 合理确定技术条件是完善设计的重要内容之一，是减轻淬火开裂的另一重要途径。

实例1 图4-37所示为花键塞规柄部的裂纹。设计时，如果局部硬化或表面硬化可以满足使用要求，尽量不要求整体淬火。该花键塞规材质为Tl0钢，要求58-62HRC，整体淬火在满足塞规测量段所需要的冷却时间，对柄部来说时间相对偏长。因此，导致沿柄部花纹产生裂纹。如果改为塞规测量段局部淬火，则可避免这种裂纹。

实例2 图4-38所示为柴油机顶杆座。设计要求45钢制作，硬度为52-56HRC。淬火后有50%—7000的工件在薄厚交界处产生裂纹。当改用20钢渗碳后淬火，不仅提高了使用性能，同时解决了淬火裂纹问题。

图4-36 钢的淬硬性与碳含量的关系

1-碳钢退火后硬度 2一铬钢退火后硬度 3-碳钢淬火后（加热到Ac，以上：780—800℃）硬度 4碳钢淬火（加热到Ac。，以上）后硬度 5-碳钢淬火（加热到Ac。，以上）并冷处理以后的硬度

图4-37 花键塞规柄部裂纹

图4-38 柴油机顶杆座淬火时产生裂纹

在确定硬度时，对于所选用的钢种，不能以其可达到的最高硬度值作为图样上规定的技术条件。因为最高硬度值往往是用尺寸有限的小试样测得的，这与实际尺寸较大的各种工件所能达到的硬度相差很大。因此，需要合理地确定切实可行的技术条件。例如，45钢淬火后，虽然最高硬度值可以达到55～58HRC，但是生产实践中的45钢工件硬度值往往限于48HRC以下。

表4-2是几种常用钢整体淬火后的硬度值与工件截面有效尺寸的关系。

表4-2 几种常用钢整体淬火后的硬度值与工件截面有效尺寸的关系

最后还应指出，对所选定的钢种确定其硬度要求时，应当避开其产生第一类回火脆性的回火温度范围。对于w（C）为35％以上钢，硬度要求为53～57HRC时，所需的回火温度范围恰是产生第一类回火脆性的温度（250～350℃）范围。在该温度范围内回火，尽管硬度有所降低，但并不能增加韧性。因此，一般不把这个硬度范围作为机械零件或工模具的技术要求。

2.妥善安排加工工序和正确应用预备热处理

在设计结构、技术条件和材料选择等确定之后，生产前的工艺分析过程，就要充分顾及工件淬火时产生裂纹的可能性。生产实践经验证明，妥善安排冷、热加工工序是减少或消除淬火开裂倾向的有效途径之一。

（1）几个合理安排工件加工工序的实例

实例1 图4-39所示为45钢制作的齿轮传动轴要求硬度为30～35HRC。如果在热处理前将键槽铣出来，淬火时极易在键槽端部的薄壁处产生裂纹。由于硬度要求不高，可以在热处理后再铣出键槽。这样可以避免淬火裂纹。

图4-39 齿轮传动轴

实例2 图4-40所示为45钢制作的结合子，要求硬度为33～38HRC。对于12H9和10mm宽的6个槽口最好在淬火后再加工出来；12H11和φ60mm处淬火后再进行磨削加工

实例3 图4-41所示为20钢制作的套筒，要求渗碳层深度为0.8～1.2mm，淬火后硬度为58～62HRC。如果将φ101mm×5mm槽在热处理前加工出来，5mm的槽壁处渗碳淬火时极易开裂。如果将φ101mm×5mm槽渗碳后再加工出来，然后淬火，可以避免该处的淬火裂纹。虽然槽内没有渗碳层，但槽两侧0.8～1.2mm深的渗碳层淬火后形成硬化层，可以增加槽的耐磨性。

图4-40 结合子

图4-41 套筒

实例4 图4-42所示为45钢柴油机摆臂轴，要求硬度为50～55HRC。由于冷轧原料有严重的残余内应力，加工后淬火时在肩角处产生剥离裂纹。在淬火前进行一次550～600℃×3h的去应力退火，从而避免了出现这种裂纹。

图4-42 45钢柴油机摆臂轴(www.daowen.com)

（2）正确应用预备热处理 为了避免产生淬火裂纹，对于不同尺寸的零件和工模具，根据其易产生的裂纹特点，可以在淬火前进行适当的预备热处理。

实例1 淬透性较差且截面尺寸较大（直径或厚度大于50mm）的高碳钢制作的工模具，往往由于表面淬透深度较浅，硬化层内产生很大拉应力导致形成弧形裂纹。对于这类工模具，应当通过增加硬化层厚度，即用提高淬透性的办法来防止弧形裂纹。为此，经常在淬火前进行一次正火处理。特别是当原始组织中有网状碳化物时，淬火前的正火处理显得更加重要。

实例2 对于截面尺寸较小的工模具，预备热处理应为最终热处理提供球状珠光体组织。图4-43所示为T10A钢拉深模，要求硬度为58～62HRC。最终热处理工艺如下（正火＋快速加热相结合，增加硬化层厚度）：

1）正火：820～840℃，保温后空冷。

2）淬火：960～980℃，在箱式炉中加热40min后在10％（质量分数）盐水中冷却5s，立即提出非淬火部分，继续冷却19～21s，转入油冷至出油时已不冒浓烟只是热油往下流为止，并及时回火。

图4-43 T10A钢拉深模

3）回火：180℃，在硝盐浴炉中停留1.5h后空冷。

4）检验：工作端硬度为58～60HRC；变形量合格

实例3 对于高铬钢和高速钢，淬火前应对原始组织进行检验。如果原材料碳化物偏析严重，应改锻合格后再投产。未经改锻的工模具淬火时，绝不能将碳化物偏析5级以上的与一般较好的混在一起淬火加热。对于碳化物偏析严重（5级以上）者，采用降低淬火温度的办法可以避免淬火裂纹。图4-44所示为W18Cr4V钢制作的三面刃铣刀（原始组织碳化物偏析为7～8级），要求硬度为63～66HRC。经正常加热温度（1270～1280℃）淬火后，发现铣刀内孔不仅有熔化现象，而且有裂纹。改为1250～1260℃加热淬火后，硬度为63～64HRC，不再有熔化和裂纹现象。

图4-44 三面刃铣刀

应当指出，虽然硬度达到了要求，但因加热温度偏低其热硬性相应有所降低。因此，一般情况下不宜采取这样的措施。特别是精密刀具和模具，如螺纹刀具和精密模具等不应将劣质原材料投入生产。否则，不仅容易产生淬火裂纹而且会降低使用寿命。很可能在未达到预期使用寿命前发生早期崩刃或脆断。对Cr12型高合金钢的碳化物的要求与高速钢相类似。

实例4 对于w（C）低于0.6％的碳钢，加热时因过热而产生粗大的奥氏体晶粒在适当的冷却条件下珠光体转变前先析出粗大的铁素体。除一部分沿奥氏体晶界呈粗大网状分布外，还有一部分铁素体以片状在奥氏体晶间出现。这种过热组织给产生淬火裂纹带来极大危险。因此，钢的过热组织未得到改善不宜进行淬火。由此可见，工厂经常使用的45钢板经氧乙炔焰切割后，应进行充分正火或退火，以消除切口处的过热组织为了消除中碳钢（35、40、45和50钢等）的过热组织，往往在比普通正火温度稍高的温度下加热，然后快速冷却（风冷或雾冷），以阻止铁素体成网或片状析出。具体加热温度视过热程度而定。一般来说，过热的温度越高，所需的正火温度越高。

3.正确选择加热介质、加热温度和加热时间

首先应当明确，从一般技术性手册中查得的某种钢的淬火加热温度和保温时间，仅是推荐的参考数据。对于某特定使用条件下的、某种钢制作的零件或工模具，确定其淬火加热温度应通过验证、调整后确定。热处理工艺编制者至少应当考虑以下几方面因素作为依据：

1）零件或工模具使用条件下的受力状态及所需的相关性能。

2）设计者对热处理提出的要求及使用时对性能的隐含需要。

3）制作时选用的原材料特性及其实际质量状况。

4）零件或工模具的结构、形状特点及其热处理的工艺性。

5）热处理前各工序对实施淬火时的影响及应采取的措施。

6）现场所具备的条件（如技术能力、操作水平、设备情况，以及对外委托的可能性等）。

加热介质的重要性缘于加热时对工件表面化学成分，特别是碳含量的保护。如前所述，表面脱碳不仅影响表面硬度和疲劳强度，更重要的是因脱碳后淬火拉应力会导致表面产生裂纹。

为了防止氧化脱碳，需采用能起保护作用的介质进行加热。其中，包括在专用炉中使用的保护气氛、可控气氛，以及真空加热等。

4．合理选用冷却方法和冷却介质

淬火的冷却速度是决定能否淬硬的关键，然而，快速冷却也是产生淬火裂纹的主要原因。两者构成一对矛盾。解决这对矛盾，必须设法在钢的等温转变图的过冷奥氏体临界冷却区域(650—550℃)进行快冷，以避免发生非马氏体转变和抵消一部分组织应力；而在钢的Ms点附近危险区域(300—200℃)进行缓冷，以尽量减小组织应力。图445所示为防止淬火裂纹的冷却方法示意图。图446所示为几种淬火方法的比较示意图。

图445 防止淬火裂纹的冷却方法示意图

图4-46 几种淬火方法的比较示意图

1-普通淬火 2一双液淬火 3-断续淬火 4-分级淬火 5马氏体等温淬火 6-复合淬火 7-半贝氏体淬火 8-全贝氏体淬火 9-淬火自回火

5．防止淬火裂纹的其他方法

有时淬火工件的裂纹不是在淬火冷却之后立即出现的，而是淬火后停放一段时间才显现出来的，甚至开裂时有声响或碎片飞出很远。这种裂纹即所谓的时效裂纹。这种时效裂纹是由更加强大的内应力造成的。

(1)淬火后及时回火 淬火后及时回火可使应力得以消除或降低，从而使开裂倾向大大减弱。因此，淬火后及时回火已成为防止淬火裂纹的重要措施。

图447 淬火后未及时回火产生的裂纹

a)CrWMn钢塞规 h）Cr5MolV钢凹模

实例 图4-47a所示CrWMn钢制作的中35mm塞规，采用正常温度加热，油冷淬火后没有裂纹。由于未及时回火，第二天发现了纵向裂纹。图4-47b所示Cr5MolV钢凹模的裂纹，也是因淬火后没有及时回火造成的。这些合金工具钢，淬火后不仅组织应力很大，而且残留奥氏体数量较多。淬火刚完成时，一部分组织应力通过塑性较好的残留奥氏体得到松弛，暂时不会产生裂纹。但是，不稳定的残留奥氏体，在室温下自发地向马氏体转变，组织应力重新增加，且得不到松弛和消减，在长时间作用下，导致淬火工件开裂。

形状简单的工件在单件或小批生产时，可以采取淬火—自回火方法。这样既节约了能源，又达到了及时回火目的。

（2）局部包扎法 在工件不重要的薄壁处，加热前用铁皮、石棉绳或耐火泥等物质包裹，使这些部位缓慢加热或加热后达不到淬火温度。冷却时一起投入淬火冷却介质中，该包扎部位可获得较低硬度或不被淬硬。

实例 图4-48所示为用铁皮包裹淬火的凹模。用局部包扎法加热时，应根据实际情况确定包扎程度。如关键部位的包扎应既能实现缓慢加热，又能达到预期的淬火加热温度，使其获得良好的淬火效果。不关键部位可以获得稍低的硬度，甚至不被淬硬。另外，冷却时是否需要将包扎物去掉，应根据实际情况确定，以有利防止其开裂为原则

图4-48 用铁皮包裹淬火的凹模