鏈輪表面淬火裂紋分析與研究

【摘要】本文對鏈輪齒部感應淬火硬化進行探討，結合生產實際分析了鏈輪感應淬火出現的問題，從工藝上解決了仿齒廓硬化實現的可能，并避免了由此所產生的淬火裂紋問題。

【關鍵詞】鏈輪感應淬火仿齒廓硬化剝離裂紋

一、前言

目前國內中小鏈輪多采用中頻或超音頻感應淬火工藝，以提高齒部的耐磨性和疲勞強度，延長鏈輪的使用壽命。但是，在鏈輪齒部感應淬火后經常出現齒部裂紋，針對這一問題做了大量分析研究。

鏈輪材質45鋼，技術要求：調質220～260HB，齒部表面硬化HRC。

二、鏈輪裂紋分析

鏈輪齒部裂紋的形態呈現出多樣性：有沿齒底部以下5mm處的周向裂紋，裂紋比較寬，裂紋長度少則1/3周長：有沿齒根穿透硬化層的淬火裂紋；有沿齒高3/4處的斷裂裂紋；同時還有以上集中裂紋交錯并存現象。給裂紋分析增加了一定的困難。

2.1周向裂紋

周向裂紋是此次鏈輪開裂的主要特征，占裂紋鏈輪總數70%以上，只是各條裂紋有寬有窄（寬度<0.5mm），長度不同，但裂紋的形貌與特點基本雷同。

周向裂紋也稱為“玻璃裂紋”。這種裂紋主要發生在中頻淬火零件中（見圖1）。

齒底部下5～6mm裂紋（x100倍）當表面淬火層深度>4mm時，淬火層表面由壓應力狀態開始向拉應力轉變，隨著淬火層深度的增加，拉應力逐漸增加，一旦拉應力大于零件的破斷力，就會在淬火層與非淬火層交界處發生“剝離裂紋”。根據裂紋鏈輪的金相分析：鏈輪淬火層的深度約為5mm（圖2）。

綜上所述，鏈輪淬火層過深并且淬火層沒有實現零件的仿形分布，以至于使淬火層表面處于過大拉應力狀態，表面應力分布不均勻，是鏈輪裂紋的主要原因。

2.2穿透淬火層的淬火裂紋

在鏈輪齒根部也出現了少量的淬火裂紋。這種裂紋肉眼觀測極不清楚，經過探傷才能發現。它主要發生在淬火層，其中個別裂紋與剝離裂紋貫通形成更嚴重的開裂現象，金相分析發現淬火層組織比較粗大，應該是淬火溫度偏高所造成。

2.3齒部的斷裂裂紋

根據現場觀察，這些鏈輪齒底部基本沒有淬火層，齒部的淬火層僅有齒高3/4，而且全齒淬透，裂紋比較清晰。根據分析裂紋發生在淬火層與非淬火層交界處，屬于剝離裂紋一類。

2.4結論

根據鏈輪裂紋的解剖與分析，要解決鏈輪裂紋首先應該解決淬火層的深度和淬火層的仿形分布，同時也要控制好合理的淬火溫度。只要把淬火層控制在≤2mm，力求使淬火層最大限度實現仿形齒部硬化，并且將零件淬火余溫控制在100～1500C，就可以從根本上解決鏈輪裂紋問題。

補充說明：期間對某些裂紋鏈輪做過金相分析發現，硬化層金相組織為回火馬氏體6級，說明淬火溫度并不高，也會發生剝離裂紋，甚至還有一些鏈輪存在加熱不足現象仍然出現了剝離裂紋。

三、工藝分析

對鏈輪裂紋問題有了明確認識以后，針對先前的生產工藝進行詳盡分析和研究，對工藝中所有能夠引發的各類因素進行解析分類，結合中頻設備加熱的原理及特點，逐一研究提煉，并對下一步工藝試驗方案進行周密探討部署：（注：工藝試驗主要在8KHZ中頻加熱設備上進行）

3.1原工藝存在的問題經過分析認為

之前采用的工藝過于依賴設備固有的頻率，該頻率對零件的電流透入深度達4mm，往往使淬火層深度超過4mm，使淬火層表面具有較大拉應力，導致裂紋。

原工藝加熱功率偏大、電流密度較高、加熱時間較長等，這些因素都會提高淬火層深度和淬火溫度，增加零件淬火開裂傾向。

原工藝淬火冷卻介質是水，對冷卻時間沒有嚴格規定，不利于減少淬火應力，容易造成淬火裂紋。

3.2工藝試驗方案

根據鏈輪裂紋和原工藝的分析與討論，工藝試驗方案的針對性、目的性非常明確，結合當前實際情況，充分利用已經報廢的鏈輪進行調整、調試和改制，確定工藝試驗方案采用節圓直徑為Φ124.425mm，06B鏈輪作為工藝試驗的典型零件。

以典型零件為設計依據，工藝試驗有針對性地提出一系列改進措施：（1）加熱功率有160KW減至90～100KW，減小加熱的電流密度，加熱時間控制在3～4S；（2）淬火介質改用5～10%AQ251淬火液；淬火冷卻時間縮短至0.3～0.4S，零件淬火后的余溫控制在100～150℃之間；（3）感應器與被加熱零件的間隙6mm；（4）控制淬火層在1～2mm之間，最大可能地使淬火層沿齒形仿形分布，確保表面應力為壓應力并較均勻分布。

四、鏈輪工藝試驗結果

在工藝試驗過程中，隨機收集部分試驗分析和結果。

4.1頂圓直徑Φ124.425mm，06B鏈輪試驗結果（見圖3）

淬火層深度1.2mm，淬火硬度：齒側HRC56、齒底部HRC59。淬火層組織：微細馬氏體5級。探傷：一批7件均無裂紋。熱處理工藝：功率90KW、加熱時間3.5S，感應器與零件間隙6mm。280～300℃回火2h空冷。回火硬度：齒側HRC47、齒底部HRC49（圖紙要求：齒部表面硬化HRC45～50）。

4.2頂圓直徑Φ149.5mm，08B鏈輪試驗結果（見圖4）

淬火層深度1.24mm，淬火硬度：齒側HRC61齒底部HRC61。淬火組織：微細馬氏體5級。探傷：一批6件均無裂紋。熱處理工藝：功率129KW加熱時間3.5S冷卻時間0.2～0.3S，感應器與零件間隙5.5mm。280～300℃回火1h空冷。回火硬度：齒側HRC49齒底部HRC49（圖紙要求：齒部表面硬化HRC45～50）。

在工藝試驗過程中，對淬火鏈輪長時間不回火，也未發現裂紋，這說明合理的淬火余溫既能減輕鏈輪的淬火應力也能起到零件的自回火作用。

目前采用上述熱處理工藝已生產各種規格鏈輪1200余件，探傷后均無裂紋。