齿链轮毂淬火裂纹分析与预防

2013-08-28山推工程机械股份有限公司山东济宁272023冯显磊吕金根穆玉芹赵树芳

金属加工(热加工) 2013年21期

山推工程机械股份有限公司（山东济宁 272023）冯显磊吕金根穆玉芹赵树芳

齿链轮毂用于各种农用、工程机械的后桥箱内终传动部位，我公司齿链轮毂用于推土机大型重载机械上。常规终传动为发动机传出动力经过液力变矩器传到制动总成，然后经过一级、二级齿轮减速传递到齿轮毂上，齿轮毂通过花键与链轮毂配合，将动力传递给链轮毂。最终链轮毂将动力传递到链轮上带动履带板行走。推土机作业环境较为复杂，行走于山石、沙漠、沼泽等恶劣环境中，在作业过程中齿链轮毂要传递较大的转矩动力。不仅齿链轮毂整体需要较高的综合力学性能，同时花键部要具有较高的耐磨性能，因此齿链轮毂的热处理质量直接影响到终传动核心产品的质量。

目前，我公司齿链轮毂材质主要采用日本钢号SCSiMn2H（以下简称2H）材质，该钢的淬透性能要比国内45钢高一倍以上。毛坯铸件在调质淬火过程中，裂纹时常发生，约占到裂纹的70%，尤其是链轮毂，回火时裂纹的产生约占30%。通过研究发现齿链轮毂裂纹的产生主要与产品的设计结构、材料的合金成分、热处理工艺温度、淬火方式及淬火冷却介质类型等方面有着直接的关系。

1.齿链轮毂各种调质裂纹

图1为连接盘材质选用2H钢，热处理工艺为：840℃保温2h水淬，采用高温回火后发现批量性裂纹，该裂纹型态为沿连接盘纵向劈裂式开裂，且裂纹延伸较长。

图2为轮毂沿毂底周圈式裂纹。

图1

图3 为链轮毂大刷边，裂纹长度为300～400mm，裂纹刷边宽度达200mm，从裂纹处一直延伸到工艺孔处，且为穿透性裂纹。

图2

图3

图4 为材料内部存在铸造缺陷。

图5为轮毂的进油孔处裂纹，该轮毂有3个进油工艺孔，调质淬火时全部产生裂纹。热处理工艺为：800℃保温2h，水淬，开一个搅拌水泵，水温为20℃。

图6为齿轮毂批量裂纹，淬火方式采用带料盘垂直入水淬火。

图4

图5

图6

2.齿链轮毂淬火裂纹的分析

（1）材料成分造成齿链轮毂裂纹材料成分及合金元素的含量是造成淬火裂纹的重要因素之一，含碳量（质量分数）在0.45%～0.55%之间，Ac3线会出现一个陡降的低谷。首先是日本2H钢碳含量（质量分数）在0.40%～0.47%之间，若含碳量在下限0.40%～0.45%之间，宜采用工艺上限温度淬火。若含碳量在上限处于Ac3线的陡降低谷区间，若采用加热上限易造成淬火裂纹，该种情况宜采用工艺下限温度淬火。当然我公司采用的日本2H钢含碳量处在Ac3低谷区间的情况相对较少，但在生产上是造成淬火裂纹的原因之一，不容忽视。

（2）工件设计结构不合理造成淬火裂纹工件产品设计结构是影响淬火裂纹的重要因素之一。据统计，我公司约20%的齿链轮毂裂纹为设计结构不合理造成。众所周知，在淬火组织转变过程中，马氏体转变为组织膨胀转变，在可淬透范围内将产生较大的组织应力。一旦超过该种材料的断裂强度，将造成淬火裂纹。工件存在结构突变部位，往往是裂纹产生的根源。

如图5所示，该链轮毂共有3个进油孔，为铸造过程中整体铸造出来。油孔处结构较为复杂，且链轮毂凸口设计壁厚为18mm，在恰好淬透范围之内，易造成表面应力集中，导致裂纹产生。图2轮毂底部设计壁厚仅为16mm，且整个轮毂的轮廓较大，也极易造成变形或开裂。

（3）炉内温度不均匀造成淬火裂纹目前调质淬火加热炉多数采用箱式电阻炉和台车炉，由于密封性相对较差，在加热过程中炉门口温度相对炉膛内部有一定的差别，超过±15℃以上就会对炉内工件有影响。由于靠近炉门口的工件温度相对其他工件温度较低，在出炉淬火过程中造成应力不均，极易造成淬火裂纹。

（4）淬火冷却介质选择不当或加热温度选择不当造成淬火裂纹不同材质的DI值不同，淬火过程中温度和淬火冷却介质的合理选择至关重要。即使同种材料，其合金成分不同，加热温度和淬火冷却介质也应慎重选择。根据服役条件要求轮毂采用2H钢材的DI值在50～70mm，温度采用工艺下限，采用水淬，如果温度过高可造成晶粒粗大，淬火应力较大，造成淬火裂纹。

（5）合金元素超标的影响合金元素的超标问题也是引起齿链轮毂裂纹的一大主因。近年来，由于B超标引起的批量裂纹时有发生，属于微量元素的B就可成倍地增加钢的淬透性，同时B还有促使晶粒长大的倾向。B超标的原料主要来源于像链轨节之类含B量较高的下脚料。如图7所示，某链轮毂采用820℃，保温105min，水淬搅拌，高温回火，由于材料中含超量的B元素（经化验B含量在超过要求上限）导致裂纹。后经调整工艺采用870℃，保温2h，搅拌油冷，压力为0.22MPa×2，高温回火后，同样出现裂纹。经检测，在距表面22mm（心部）为马氏体+少量铁素体组织，硬度58.5HRC，显然心部已淬透。

图7

锰具有降低钢的Ar1温度和增加钢的淬透性能力，可以使较大截面的工件获得较均匀、细化的组织，从而减小截面不同的部分在力学性能方面的差异。但Mn增加钢的过热敏感性和回火脆性。某齿轮毂调质回火过程采用580℃保温3h，出炉后发现批量裂纹。由于2H材质含Mn量（质量分数）在1.00%左右，回火过程中具有二次硬化现象，冷却过程中应避开二次硬化区间。

（6）调质前原始组织的影响齿链轮毂在进行调质淬火前的原始组织对淬火裂纹有很大的影响。调质淬火前如果没有正确的预备热处理工序或遗漏，很易造成淬火裂纹。工程结构钢在铸造冷却后往往有晶粒粗大、偏析、成分不均匀等不利因素的存在，如果未进行预备热处理，淬火后将得到晶粒粗大的马氏体，造成脆性增加。成分的不均匀性将导致淬火应力的不均匀，大大增加了淬火裂纹的倾向。

（7）铸造缺陷的影响铸造过程中由于型砂原因或操作不当容易造成砂眼；由于排气不畅，水分过多等因素容易造成气孔的形成。另外，还有疏松、偏析、裂痕等缺陷都是引发淬火裂纹产生的直接根源。如图3所示，该链轮毂台面靠近表层存在较大的疏松，淬火过程中造成剥层裂纹。

3.防止齿链轮毂淬火裂纹的措施

（1）采用亚温淬火例如对于我公司由2H材质铸造的齿链轮毂，在调质淬火时采用亚温淬火工艺，采取工艺下限温度保温时间应据齿链轮毂的型号尺寸确定，淬火水温控制在25～40℃进行淬火。回火时应避免二次硬化现象。该温度恰好处于Ac3附近，可保留部分未溶铁素体，同时亚温淬火可细化奥氏体晶粒。冷却后得到马氏体晶粒度也较细小，从而减少内应力，可有效防止裂纹的产生。

（2）淬火时采用预冷淬火，或采取保护措施对结构设计复杂，存在凹槽、工艺孔、壁厚设计在危险尺寸范围内的齿链轮毂，出炉淬火时采用预冷淬火，可防止淬火裂纹的发生，预冷时靠肉眼观测到复杂结构处或工件表面处于暗红状态（此时温度约在Ac3线）时可浸水淬火。必要时可减少搅拌水泵，降低淬火的冷却能力。另外，在凹槽、工艺孔处采用耐火泥、胶泥等封堵，也可减少淬火裂纹的产生。

（3）控制合金元素的含量就目前我公司发现的齿链轮毂裂纹合金元素超标问题主要集中在B元素。据我公司经验，2H材质B元素控制在万分之五以下，齿链轮毂裂纹的发生率将大大降低。

（4）设计时避免复杂结构危险尺寸的设计避免在2H钢的最大淬火临界直径D0之间设计工件；对于一些工艺油孔可在铸造后再机加工出来；应力集中的部位应增大圆角。

（5）调质前确保工件已进行预备热处理铸件预备热处理尤为重要，浇注后材料的组织往往存在晶粒粗大、偏析等成分不均现象，淬火过程中极易造成裂纹。

（6）淬火冷却介质的合理选择目前常用淬火冷却介质有三种，自来水、AQ251（水溶性聚合物）、淬火油。在泵的压力为0.2MPa，淬火油温38℃，喷射器压力为0.2MPa，淬火冷却介质量达250m3/h时，油的淬冷烈度H=0.59；在泵的压力为0.2MPa，淬火AQ251温度为23℃，喷射器压力为0.2MPa，淬火冷却介质量为200m3/h时，AQ251的淬冷烈度H=1.74；在泵的压力为0.26MPa（两台水泵同时开起），淬火自来水温度为23℃，喷射器压力为0.26MPa，淬火冷却介质量为200m3/h时，自来水的淬冷烈度H=2.5。对于结构设计复杂易裂纹的工件，开起一台淬火水泵，或选取AQ251淬火，可降低裂纹的发生率。

（7）采用密封性较好的电炉，使工件加热均匀也可在原有箱式电阻炉基础上，进行炉门改造。目前我公司已实施炉门改造工程，收到了良好效果。