支重輪體熱處理裂紋分析

蘇少雄

（泉州市華茂機械設(shè)備有限公司，福建 泉州 362302）

支重輪是履帶行走裝置的配件之一，主要作用是承受整機重量，使履帶沿著支重輪方向前進。工程機械工況較為惡劣，因此，要求支重輪體有較高的強度和表面硬度，使配件能有較長的工作壽命。我公司的一款支重輪體生產(chǎn)流程：支重輪體半胚鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→軌面感應(yīng)淬火→焊接→精車。支重輪體毛胚結(jié)構(gòu)如圖1所示，黑色線條為鍛造毛胚輪廓，粉色線條為粗車后結(jié)構(gòu)。在調(diào)質(zhì)過程中，本公司的一批產(chǎn)品只在油封處產(chǎn)生裂紋，數(shù)量達到60%。另一批產(chǎn)品在只端面產(chǎn)生裂紋，數(shù)量達到5%。

圖1 支重輪體結(jié)構(gòu)

1 油封處裂紋分析

1.1 油封處裂紋形貌

油封處裂紋金相如圖2所示，可以看到裂紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象，裂紋附近有輕微的帶狀組織。帶狀組織是金屬材料受到壓延產(chǎn)生的，本來應(yīng)位于材料表面，所以判斷裂紋可能是鍛造折疊產(chǎn)生。

圖2 裂紋頭部100x

1.2 鍛造毛胚狀態(tài)

鍛造折疊裂紋缺陷是指在鍛造過程中金屬流動不合理導致鍛件表面形成重疊層，也稱折紋或夾層，是鍛造加工過程中最常見的缺陷。其可以是由兩股（或多股）金屬對流匯合而形成，也可以是由一股金屬的急速大量流動將鄰近部分的表層金屬帶著流動，兩者匯合而形成的；也可以是由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成；還可以是部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成。折疊與原材料和坯料的形狀、模具的設(shè)計、成形工序的安排、潤滑情況及鍛造的實際操作等有關(guān)。如圖3所示裂紋處有帶狀組織，鋼材中存在沿軋制方向被拉長呈帶狀分布的非金屬夾雜物，在冷卻時將成為鐵素體優(yōu)先析出的核心，所以形成了珠光體和鐵素體交替出現(xiàn)的帶狀組織。

圖3 鍛造折疊處組織100x

1.3 鍛造工藝改進

嚴重的帶狀組織，將造成力學性能的方向性，使垂直于帶狀組織方向的強度、塑性及韌性明顯下降，同時，使熱處理后硬度的不均勻性增加。所以改變裂紋處的帶狀組織走向或消除帶狀組織是解決油封處裂紋的關(guān)鍵。通過加大鍛造模具中油封處的拔模斜度使拔模更加順暢避免產(chǎn)生鍛造折疊。改進后的模具毛胚如圖4所示。通過更改模具后生產(chǎn)的支重輪體油封處不再產(chǎn)生鍛造折疊，調(diào)質(zhì)過程中也不在產(chǎn)生裂紋。

圖4 修改后的毛胚

2 端面裂紋分析

2.1 端面裂紋形貌

支重輪體端面產(chǎn)生裂紋，裂紋在100倍金相下如圖5所示，裂紋兩側(cè)無明顯特征，為正常索氏體組織。

圖5 裂紋形貌100x

初步認為，裂紋是在調(diào)質(zhì)的淬火過程中產(chǎn)生，用線切割將整個斷面連同內(nèi)孔剝離出來，發(fā)現(xiàn)裂紋在端面根部產(chǎn)生，擴展至端面。測量裂紋兩側(cè)硬度發(fā)現(xiàn)，端面一側(cè)硬度較高，達到53HRC至59HRC，而內(nèi)孔一側(cè)硬度逐漸減小，最小達到36HRC。

通過以上的觀察，判斷裂紋為淬火過程中因為冷卻不良導致，為弧形裂紋。在快速冷卻條件下淬火又不能淬透的零件上，由于某些局部幾何結(jié)構(gòu)（稱為弧裂形成的局部幾何敏感部位）能顯著減緩該處高溫期內(nèi)的淬火實際冷速（即引起緩冷效應(yīng)），而使哪里產(chǎn)生了處于馬氏體包圍中的屈氏體軟斑，并由此產(chǎn)生了起源于馬氏體—屈氏體的不同比容和不同收縮傾向而作用于該處的表面局部合成拉應(yīng)力。零件在低溫期內(nèi)的冷速越快，表面局部合成拉應(yīng)力值越大。當其值超過材料的斷裂強度時，便在哪里致裂，產(chǎn)生沿弧面形成并擴展的弧裂。通過金相觀察，在距離裂紋往油槽方向3mm處即發(fā)現(xiàn)屈氏體軟斑，如圖6所示。

圖6 50x淬火狀態(tài) 3mm

分析支重輪體越靠近內(nèi)孔中心位置緩冷現(xiàn)象越明顯，判斷可能是由于使用用網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)過程中，在工件進入水槽時貼在斜板滑落在網(wǎng)帶后又貼在網(wǎng)帶上，導致孔內(nèi)換熱差，造成緩冷。

2.2 熱處理工藝改進

弧形裂紋是由于工件整體淬火時存在緩冷效應(yīng)產(chǎn)生的，裂紋一般在淬硬一端出現(xiàn)。所以為了解決弧形裂紋可以考慮以下幾點方法：（1）更改工件擺放方法，提高水槽攪拌設(shè)備功率，改善內(nèi)孔處淬火效果。（2）提高PAG濃度，降低低溫區(qū)開裂的風險。（3）工件在淬火前先進行正火處理，提高工件本身強度，降低鍛造過程的殘余應(yīng)力。通過實際操作發(fā)現(xiàn)，以上方法確實有效，端面裂紋的問題基本解決。

3 結(jié)語

通過金相組織，淬火后硬度分布結(jié)合現(xiàn)場實際情況分析出支重輪體油封處裂紋為鍛造時溫度不夠高或拔模斜度不夠大導致油封處出現(xiàn)鍛造折疊，支重輪體端面裂紋為緩冷裂紋，為淬火時冷卻不良造成的。（1）為了使支重輪體半邊毛胚鍛造溫度可以在一個較寬的溫度區(qū)間內(nèi)，通過更改拔模斜度使油封位置不受到壓延，避免了鍛造折疊的出現(xiàn)。（2）實踐證明，正火處理可以減輕帶狀組織的影響，但是，無法完全消除。（3）對于緩冷裂紋可以通改善水冷效果解決。