淺析導向滑靴中頻感應淬火裂紋產(chǎn)生的原因及預防措施

■ 劉冰，王維發(fā)，王培科，王宏偉

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1. 概述

導向滑靴是采煤機的主要零件之一，其質量穩(wěn)定性直接決定著采煤機的綜合質量。導向滑靴導向槽隨著采煤工作面的上下起伏，溜槽的左右彎曲，承受較大的彎曲載荷，載荷位置與方向具有不確定性。采煤工作面作業(yè)條件極為苛刻，煤塵會作為磨料，增加磨損，且隨著采煤機的行走，其導向面會產(chǎn)生嚴重磨損（見其圖1中黃色部分）。導向滑靴的材質為Z G40C r與ZG35CrMoV，為提高導向滑靴的使用壽命，圖樣要求對導向面進行中頻感應表面淬火（見圖2），表面硬度要求為45.0～50.0HRC，其制造工藝為：鑄造→退火→機加工→調質（硬度240～280HBW）→導向面中頻感應淬火（噴水）→低溫回火，而導向滑靴在中頻感應淬火后，經(jīng)常有淬火裂紋，嚴重制約了導向滑靴內在質量的提升。為防止導向滑靴再次淬裂，筆者對已淬裂導向滑靴的裂紋進行統(tǒng)計，并與未淬裂件進行對比分析研究，為企業(yè)改進生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質量提供參考。

2. 問題的提出

圖1 導向滑靴宏觀形貌

圖2 導向滑靴淬火部位

回顧過去，導向滑靴導向面中頻感應淬火裂紋一直是我公司技術上的疑難病癥，每年淬裂近百件，不僅嚴重制約我公司產(chǎn)品質量的提高，而且對我公司造成了較大的經(jīng)濟損失，影響生產(chǎn)進度及交貨期。為提高導向滑靴產(chǎn)品的質量，防止導向面的多次淬裂，筆者對裂紋形態(tài)進行了統(tǒng)計與分析（見附表），發(fā)現(xiàn)滑靴表面淬火裂紋可分為以下兩種：

（1）幾何形狀所引起的裂紋，主要有邊廓-表面裂紋與尖角弧裂，如圖3、圖4所示。

（2）鑄造缺陷所引起的裂紋，形狀多樣，常見的缺陷主要有氣孔、疏松、砂眼及毛刺等，在中頻感應淬火時，這些冶金缺陷就成為應力集中處，易引起裂紋的產(chǎn)生，如圖5所示。

圖3 淬火部位邊廓-表面裂紋

導向滑靴表面淬裂統(tǒng)計表

3. 理化檢測與分析

圖4 淬火部位尖角弧裂

圖5 淬火部位起于鑄造缺陷的裂紋

對已裂件進行解剖，對其進行磨制、拋光，用4%（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液侵蝕后，采用現(xiàn)場金相顯微鏡SY-01進行觀察，發(fā)現(xiàn)在截面突變處易出現(xiàn)邊廓-表面裂紋，裂紋兩邊的組織差異較大，裂紋靠薄壁側金相組織為細小的中碳馬氏體，靠厚壁側金相組織為屈氏體加中碳馬氏體；鑄造缺陷處出現(xiàn)無規(guī)則的裂紋，組織為中碳馬氏體；鑄造倒角部位出現(xiàn)尖角弧裂，尖角部位組織為屈氏體，尖角兩邊的組織為中碳馬氏體。

我公司所用的中頻感應設備的頻率為2.0～2.5kHz，其對應的淬硬層深度為7.0～10.0 mm，導向滑靴的淬火部位較薄，在中頻感應淬火時均已淬透，轉變成中碳馬氏體，淬火應力以組織應力為主，而壁厚處未加熱透，形成屈氏體＋馬氏體，當溫度降低到一定程度時，壁厚處發(fā)生體積收縮，而薄壁處因均已形成馬氏體，無法收縮，在薄壁處與厚壁處就會產(chǎn)生拉應力，當拉應力大于鋼的抗拉強度時，會形成表面邊廓裂紋；鑄造缺陷處形成了應力集中，降低了鋼的強度，在表面淬火時形成無規(guī)則的淬火裂紋；淬火發(fā)生尖角弧裂的部位，因倒角太小，致使在夾角部位淬火時冷卻較緩，不易淬透，可能形成屈氏體，而夾角的兩邊冷卻較快，會形成馬氏體，結果造成在夾角部位形成拉應力，致使淬裂。

4. 滑靴結構及表面淬火工藝分析

（1）圖樣要求導向滑靴導向面壁厚處δ≥5 m m、R≥10mm，從結構上看，發(fā)生邊廓-表面裂紋的壁厚均小于10mm，發(fā)生尖角弧裂的鑄造倒圓角均小于15mm。根據(jù)統(tǒng)計結果，鑄造圓角大于15m m時未發(fā)生尖角弧裂現(xiàn)象，壁厚超過20mm的導向滑靴也未發(fā)生邊廓-表面裂紋。

（2）導向滑靴表面淬火所用的頻率為2.5kHz、電壓750V、電流50A，功率30k W、速度1.1mm/s、延時3s，采用噴水冷卻，噴水壓力為0.5MPa。頻率較高，表面溫升速度較快，內外溫差變化大，導向滑靴在表面淬火加熱時壁薄，厚位置熱應力差異大；采用水為淬火冷卻介質，淬冷烈度H大，也是致使導向滑靴淬裂的主要原因之一；淬火噴射壓力為0.5MPa，冷速快，易淬裂。

5. 改進措施

（1）改進鑄造工藝，減少鑄造缺陷，降低因鑄造缺陷產(chǎn)生裂紋的概率。

（2）調整圖樣尺寸，使導向滑靴的表淬部位的壁厚加至25mm以上，以防止邊廓-表面裂紋的產(chǎn)生，同時加大表淬部位的圓角，使其R≥15mm，以防尖角弧裂的產(chǎn)生。

（3）在表面淬火前，打磨表淬部位的棱角及圓角部位，以去除毛刺，防止因毛刺成為淬火裂紋源。

（4）在表面淬火時，采用2.2 kHz 的淬火電源頻率，降低表面溫升速度，減少壁薄、厚位置處的熱應力；采用10%的PAG水基淬火冷卻介質，并降低淬火冷卻介質的噴射速度，壓力降為0.35MPa，從而降低淬火冷卻速度，有效減少淬火應力。

（5）中頻感應淬火后及時回火。

6. 效果

對導向滑靴的結構、表面質量及中頻感應淬火方式進行優(yōu)化，經(jīng)過近一年的生產(chǎn)驗證，導向滑靴再未發(fā)生過淬裂。