車輪感應(yīng)淬火開裂分析及改善

常州寶菱重工機(jī)械有限公司 江蘇常州 213019

1 序言

2019年，常州寶菱重工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的一批42CrMo鋼車輪，共152件，在成品MT檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)79件出現(xiàn)開裂，開裂位置主要為小外圓端面寬度55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)根部圓角處、沿減重孔孔口處和大外圓臺(tái)階根部圓角處。為查找開裂原因，對(duì)開裂車輪進(jìn)行理化檢測(cè)及分析。

2 產(chǎn)品信息

車輪材質(zhì)為42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，圖樣設(shè)計(jì)φ350mm外圓及踏邊感應(yīng)淬火處理，硬度55～61HRC，淬硬層深度2～4mm，車輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輪結(jié)構(gòu)

車輪生產(chǎn)工藝流程：毛坯鍛造→粗加工（UT檢測(cè)）→調(diào)質(zhì)→半精加工（MT檢測(cè)）→淬火→精加工（MT檢測(cè)）。車輪淬火采用正火圈感應(yīng)加熱方式，待淬火表面加熱至淬火溫度且均勻后，整體浸入AQ251水溶性有機(jī)淬火液中，進(jìn)行快速冷卻，達(dá)到表面淬火目的。

3 理化檢驗(yàn)

3.1 宏觀檢測(cè)

車輪感應(yīng)淬火后，在三個(gè)部位出現(xiàn)了裂紋，寬度55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)底部圓角處裂紋形貌如圖2所示；沿減重孔孔口位置裂紋并向外延伸，部分裂紋已延伸至外圓表面，如圖3所示；外圓臺(tái)階根部圓角處裂紋并環(huán)向延伸，如圖4所示。

圖2 55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)底部圓角處裂紋

圖3 沿減重孔孔口位置裂紋

圖4 外圓臺(tái)階根部圓角處裂紋

3.2 化學(xué)成分分析

對(duì)開裂車輪取樣后進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。對(duì)比GB/T 6396—2006《大型合金鋼鍛件 技術(shù)條件》[1]中對(duì)42CrMo鋼的化學(xué)成分要求，符合標(biāo)準(zhǔn)。

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.3 硬度分布檢測(cè)

在車輪開裂位置截面取樣進(jìn)行硬度分布檢測(cè)，如圖5所示。從圖中可以看出，車輪外圓及踏邊均已被淬硬，淬硬層較深且已經(jīng)到達(dá)寬度55mm環(huán)槽部位。分別沿A、B、C、D4個(gè)位置或方向進(jìn)行硬度檢測(cè)，圖中陰影淬硬部分硬度基本在50HRC以上，淬硬層深度9mm以上，外圓臺(tái)階根部硬度稍低，在40HRC左右。

圖5 截面淬硬層深度

3.4 金相檢測(cè)

在車輪開裂位置取樣進(jìn)行金相檢測(cè)。裂紋兩側(cè)組織與其他部位基本一致，組織為回火細(xì)針、針狀馬氏體+少量殘留奧氏體，如圖6所示。此裂紋屬典型的淬火裂紋，金相為正常淬火+低溫回火組織[2]?；w組織存在明顯偏析現(xiàn)象，組織為回火索氏體+鐵素體，如圖7所示。

圖6 裂紋兩側(cè)組織

圖7 基體組織

3.5 淬火冷卻介質(zhì)冷卻特性檢測(cè)

車輪表面淬火冷卻介質(zhì)采用的是AQ251水溶性有機(jī)淬火液，對(duì)其進(jìn)行淬火冷卻特性檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 AQ251水溶性有機(jī)淬火液淬火冷卻特性

3.6 應(yīng)力檢測(cè)

對(duì)淬火后的車輪外圓及環(huán)槽近外圓表面進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，結(jié)果表明，車輪淬火+低溫回火后應(yīng)力高達(dá)600～1000MPa。放置兩個(gè)月后重新進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，結(jié)果為100～500MPa，應(yīng)力明顯減小。

4 分析與討論

1）車輪熱處理方式為正火圈感應(yīng)淬火，為使外圓及踏邊達(dá)到淬火溫度，加熱時(shí)間約5min，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，透熱深度較深。內(nèi)孔環(huán)槽及減重孔在半精加工時(shí)已加工好，致使外圓部位較薄，淬火透熱深度又剛好至此環(huán)槽底部，孔口為銳角，處于應(yīng)力集中位置，車輪淬火應(yīng)力大，致使工件開裂。

2）車輪感應(yīng)淬火過程中，外圓臺(tái)階根部由于基體吸熱原因，致使此部位溫度較其他地方低，淬火后硬度明顯低于正常淬火硬度，硬度偏差產(chǎn)生較大組織及熱應(yīng)力，車輪在此部位產(chǎn)生了開裂。

3）AQ251水溶性有機(jī)淬火液實(shí)際檢測(cè)濃度僅為10%，低于實(shí)際折光儀讀數(shù)計(jì)算濃度23.8%，300℃冷卻速度為55.69℃/s，冷卻速度較快，此溫度正好處于42CrMo鋼淬火馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)[3]，較快的感應(yīng)淬火冷卻速度加快了馬氏體組織轉(zhuǎn)變，形成較大的淬火組織應(yīng)力，引起工件開裂。AQ251水溶性有機(jī)淬火液長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)老化，不能再簡(jiǎn)單通過折光儀讀數(shù)計(jì)算其實(shí)際濃度。

4）車輪感應(yīng)淬火后低溫回火溫度僅150℃，回火溫度較低，淬火后應(yīng)力未能得到消除，檢測(cè)結(jié)果顯示應(yīng)力高達(dá)600～1000MPa，部分位置已高于基體強(qiáng)度，從而引起工件開裂，長(zhǎng)時(shí)間放置后應(yīng)力逐漸釋放，下降明顯。

5 改善措施

1）更改車輪感應(yīng)淬火前的加工方式，將內(nèi)孔環(huán)槽及減重孔放于車輪感應(yīng)淬火之后的精加工工序，增加淬火外圓處有效尺寸，可避免減重孔口銳角，減少淬火開裂傾向。

2）在感應(yīng)淬火過程中嚴(yán)格控制淬火溫度，遵循迅速到溫，低功率保溫，促使加熱區(qū)溫度均勻的原則，減少淬火面因淬火應(yīng)力差異而導(dǎo)致的開裂。

3）在AQ251水溶性有機(jī)淬火液中加入新液或重新配制，定期進(jìn)行淬火液冷卻特性檢測(cè)，濃度控制在20%左右，300℃冷卻速度控制在45℃/s左右，以減少因淬火冷卻速度過快而引起的開裂。

4）適當(dāng)提高回火溫度至200℃，延長(zhǎng)回火保溫時(shí)間，盡可能地消除淬火后的應(yīng)力，避免工件開裂。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過以上改善措施，對(duì)后續(xù)補(bǔ)制的車輪進(jìn)行感應(yīng)淬火生產(chǎn)，未出現(xiàn)淬火開裂現(xiàn)象，使車輪淬火開裂問題得到了有效控制，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性得到了提升。