斜盤限位擋塊高頻感應(yīng)淬火開裂分析及工藝改進(jìn)

徒玉龍

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

1 序言

斜盤是航空某產(chǎn)品重要組成部件，材質(zhì)為40CrNiMoA鋼，經(jīng)整體淬火后對零件限位面進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火，使其滿足使用要求?，F(xiàn)設(shè)計(jì)端為減少零件重量，采用基體為鈦合金的斜盤對原材料進(jìn)行替代，限位擋塊位置因需承受一定的沖擊載荷，采用斜盤限位擋塊結(jié)構(gòu)連接與鈦合金基體的基準(zhǔn)孔位置，為保證零件端部承受沖擊載荷的能力需要高硬度，連接位置的硬度需要與鈦合金硬度相適配，保證使用過程不發(fā)生沖擊變形，因此必須對斜盤限位端面進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火處理。

2 問題的提出

斜盤限位擋塊零件如圖1所示。

圖1 斜盤限位擋塊零件

零件真空淬火后將整體硬度調(diào)整至3 7 ～42HRC，然后對F面（見圖1）進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火，要求淬硬層深度≥2.5mm，表面硬度≥53HRC，熱交換范圍深度≤4.5mm，允許桿部以上位置整體淬透。加工工藝流程為：粗車加工→精車加工→真空淬火→感應(yīng)淬火、回火→裝配→磨削→熒光檢測→入庫。零件真空油淬火和限位面高頻感應(yīng)淬火等熱處理工藝參數(shù)見表1。

表1 熱處理工藝參數(shù)

實(shí)際生產(chǎn)加工后，斜盤限位擋塊裝配至鈦合金殼體中。經(jīng)磨削加工后，在熒光檢測時發(fā)現(xiàn)限位面存在裂紋。隨后，對入庫后未裝配的斜盤限位擋塊進(jìn)行熒光檢測，發(fā)現(xiàn)近一半的零件存在裂紋，如圖2所示。

圖2 熒光檢測裂紋形貌

3 理化檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分

在斜盤限位擋塊桿部位置取樣并進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從表2可看出，化學(xué)成分滿足GJB 1951—1994《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》要求。

表2 零件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 金相組織檢測

對熒光檢測有明顯線性缺陷的位置進(jìn)行解剖，利用金相顯微鏡進(jìn)行高低倍檢測，結(jié)果如下：高頻感應(yīng)淬火線性缺陷為明顯有深度裂紋，裂紋均起源于限位面并向基體內(nèi)延伸擴(kuò)展，裂紋深度約1.36mm，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，裂紋兩側(cè)組織為回火馬氏體，組織未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 低倍金相檢測裂紋形貌（50×）

圖4 高倍金相檢測裂紋形貌（200×）

同時，從圖3可看出，經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后的裂紋從限位面向基體內(nèi)部延伸，垂直于限位面，屬于縱向裂紋；由圖4可看出，在裂紋路徑上有明顯沿晶開裂的特征。

3.3 斷口形貌

為進(jìn)一步確認(rèn)裂紋形成原因，將裂紋打開，利用掃描電鏡對斷口進(jìn)行觀察，低倍斷口形貌如圖5所示。圖5中紅色三角圈出部位為原始斷口，該部位斷口齊平，無明顯塑性變形。高倍下觀察靠近限位面部位原始斷口形貌（見圖6）為明顯的沿晶斷裂特征，斷口呈冰糖塊狀，無明顯的氧化銹蝕形貌。擴(kuò)展區(qū)高倍形貌如圖7所示，同樣為冰糖塊狀沿晶特征。人為打開區(qū)域斷口高倍下為韌窩特征形貌，如圖8所示。

圖5 斷口低倍特征形貌

圖6 斷口源區(qū)高倍特征形貌

圖7 斷口擴(kuò)展區(qū)高倍特征形貌

通過電鏡觀察可看出，原始斷口為沿晶脆性斷裂特征，人為打開斷口為韌窩塑性斷裂特征。

3.4 能譜分析

對原始斷口（見圖9）及人為打開斷口（見圖10）進(jìn)行能譜分析（見圖11、圖12），結(jié)果見表3、表4。比較數(shù)據(jù)結(jié)果可看出，原始斷口位置含有較多的O元素以及少量的Na元素，說明在高頻感應(yīng)淬火時裂紋已經(jīng)產(chǎn)生。

圖8 人為打開斷口高倍特征形貌

圖9 原始斷口

圖10 人為打開斷口

圖11 原始斷口能譜分析

圖12 人為打開斷口能譜分析

表3 原始斷口能譜分析結(jié)果

表4 人為打開斷口能譜分析結(jié)果

3.5 熱處理質(zhì)量檢查

技術(shù)要求表面硬度＞53HRC（561HV），根據(jù)GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》對零件進(jìn)行淬硬層深度檢測，用維氏硬度計(jì)對零件進(jìn)行硬度測試，表面硬度為55.5～56.5H R C。因此淬硬層界限值應(yīng)為449HV。硬度梯度見表5。由表5可知，4.5mm處硬度為572HV，遠(yuǎn)高于淬硬層界限值，因此該斜盤限位擋塊限位面已部分完全淬透。

表5 斜盤限位擋塊自限位面向內(nèi)硬度梯度

4 分析與討論

結(jié)合斷口形貌可看出，斜盤限位擋塊限位面裂紋為沿晶脆性斷裂特征，且裂紋只存在于淬硬層內(nèi)。在通常情況下，晶界的結(jié)合力高于晶內(nèi)，正常開裂擴(kuò)展的路徑一般不是沿晶而是穿晶。但是，如果熱處理工藝不當(dāng)，造成雜質(zhì)元素在晶界附近與沿晶析出脆性第二相，或因溫度過高（加工溫度與使用溫度）使晶界弱化，或因環(huán)境介質(zhì)沿晶界浸入金屬基體等因素出現(xiàn)時，晶界的結(jié)合力被嚴(yán)重削弱，往往在低于正常斷裂應(yīng)力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂[1]。

同時，縱向裂紋多半產(chǎn)生在全部淬透的工件上，這往往是由于冷卻過快、組織應(yīng)力過大而形成的?？v向裂紋的形成除了熱處理工藝及操作方面的原因外，原材料中熱處理前已存在的裂紋、大塊非金屬夾雜，以及嚴(yán)重的碳化物帶狀偏析等缺陷，也是不容忽視的原因[2]。斜盤限位擋塊零件形狀不規(guī)則，經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后，限位面局部已完全淬透，對于淬透的局部，在高頻感應(yīng)淬火快速冷卻過程，零件表層先轉(zhuǎn)變成馬氏體而膨脹，由于受到心部的牽制，使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著冷卻的繼續(xù)，心部也發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而膨脹，表層已經(jīng)轉(zhuǎn)變的馬氏體將對心部的膨脹起到阻礙作用，使表層原先的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，心部則由原先的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。當(dāng)表層所受拉應(yīng)力超過材料斷裂極限時，裂紋便從表層向里擴(kuò)展[3]。

我公司之前一直采用對斜盤零件限位面進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火工藝，操作者手持零件進(jìn)行加熱，通過目測工件顏色呈深紅色后直接將工件局部置于淬火油中冷卻。高頻感應(yīng)淬火頻率設(shè)定為150kHz、電壓為190V、功率約1900W、保溫時間8～10s。采用該工藝參數(shù)對整體斜盤零件局部進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火后，經(jīng)熒光檢測均未發(fā)現(xiàn)過裂紋，斜盤零件結(jié)構(gòu)如圖13所示。

我公司技術(shù)人員在制定斜盤限位擋塊零件高頻感應(yīng)淬火工藝時，因其高頻感應(yīng)淬火區(qū)域與斜盤零件限位區(qū)域形貌、尺寸一致，因此直接引用斜盤零件高頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，未充分考慮斜盤限位擋塊零件尺寸小，高頻加熱過程中熱量無法有效形成熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致高頻感應(yīng)淬火后淬硬層已超過4.5mm，因此限位面局部淬透是導(dǎo)致該裂紋產(chǎn)生的根本原因。

圖13 斜盤零件結(jié)構(gòu)

5 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，結(jié)合斜盤零件過往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)斜盤限位擋塊尺寸，形成兩種工藝解決方案。

（1）方案1 將零件整體真空淬火后低溫回火，然后對零件桿部進(jìn)行高頻感應(yīng)回火的工藝方案。熱處理工藝參數(shù)見表6。

表6 方案1熱處理工藝參數(shù)

驗(yàn)證結(jié)果：零件經(jīng)過真空油淬后對其外圓進(jìn)行硬度檢查，淬火后硬度為54～55HRC，低溫回火后硬度為53～54HRC。使用環(huán)形感應(yīng)器對零件桿部進(jìn)行高頻感應(yīng)回火后，桿部硬度為39～41HRC，但同時導(dǎo)致限位面硬度降低至53HRC以下，不滿足設(shè)計(jì)圖樣要求。

（2）方案2 在現(xiàn)行工藝路線及參數(shù)不變的情況下，材料選用T3銅，利用銅在感應(yīng)加熱時加熱速度慢，且導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)[4]，設(shè)計(jì)高頻感應(yīng)淬火工裝（見圖14），增加零件高頻感應(yīng)淬火過程中零件熱量的傳導(dǎo)。

圖14 高頻感應(yīng)淬火工裝

驗(yàn)證結(jié)果：使用該工裝后，零件限位面未完全淬透，高頻感應(yīng)淬火后金相組織如圖15所示。對高頻感應(yīng)淬火后的零件進(jìn)行熒光檢測，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖15 使用工裝后高頻感應(yīng)淬火零件金相組織

6 結(jié)束語

1）斜盤限位擋塊零件開裂的主要原因是零件結(jié)構(gòu)更改后，按原斜盤高頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)處理時，熱量無法有效傳導(dǎo)，導(dǎo)致限位面局部淬透，造成局部組織應(yīng)力超過材料斷裂極限。

2）采用感應(yīng)加熱時，加熱速度慢、導(dǎo)熱性好的銅制造高頻感應(yīng)淬火工裝，可以有效地與零件形成熱傳導(dǎo)，避免類似問題的發(fā)生。