鏈輪表面淬火裂紋分析與研究

【摘要】本文對(duì)鏈輪齒部感應(yīng)淬火硬化進(jìn)行探討，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析了鏈輪感應(yīng)淬火出現(xiàn)的問(wèn)題，從工藝上解決了仿齒廓硬化實(shí)現(xiàn)的可能，并避免了由此所產(chǎn)生的淬火裂紋問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】鏈輪感應(yīng)淬火仿齒廓硬化剝離裂紋

一、前言

目前國(guó)內(nèi)中小鏈輪多采用中頻或超音頻感應(yīng)淬火工藝，以提高齒部的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)鏈輪的使用壽命。但是，在鏈輪齒部感應(yīng)淬火后經(jīng)常出現(xiàn)齒部裂紋，針對(duì)這一問(wèn)題做了大量分析研究。

鏈輪材質(zhì)45鋼，技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)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(tài)呈現(xiàn)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(zhǎng)度少則1/3周長(zhǎng)：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(shí)還有以上集中裂紋交錯(cuò)并存現(xiàn)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(shù)70%以上，只是各條裂紋有寬有窄（寬度<0.5mm），長(zhǎng)度不同，但裂紋的形貌與特點(diǎn)基本雷同。

周向裂紋也稱為“玻璃裂紋”。這種裂紋主要發(fā)生在中頻淬火零件中（見(jiàn)圖1）。

齒底部下5～6mm裂紋（x100倍）當(dāng)表面淬火層深度>4mm時(shí)，淬火層表面由壓應(yīng)力狀態(tài)開始向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，隨著淬火層深度的增加，拉應(yīng)力逐漸增加，一旦拉應(yīng)力大于零件的破斷力，就會(huì)在淬火層與非淬火層交界處發(fā)生“剝離裂紋”。根據(jù)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(guò)深并且淬火層沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零件的仿形分布，以至于使淬火層表面處于過(guò)大拉應(yīng)力狀態(tài)，表面應(yīng)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(xiàn)了少量的淬火裂紋。這種裂紋肉眼觀測(cè)極不清楚，經(jīng)過(guò)探傷才能發(fā)現(xiàn)。它主要發(fā)生在淬火層，其中個(gè)別裂紋與剝離裂紋貫通形成更嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，金相分析發(fā)現(xiàn)淬火層組織比較粗大，應(yīng)該是淬火溫度偏高所造成。

2.3齒部的斷裂裂紋

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，這些鏈輪齒底部基本沒(méi)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(jù)分析裂紋發(fā)生在淬火層與非淬火層交界處，屬于剝離裂紋一類。

2.4結(jié)論

根據(jù)鏈輪裂紋的解剖與分析，要解決鏈輪裂紋首先應(yīng)該解決淬火層的深度和淬火層的仿形分布，同時(shí)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(shí)現(xiàn)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(wèn)題。

補(bǔ)充說(shuō)明：期間對(duì)某些裂紋鏈輪做過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)，硬化層金相組織為回火馬氏體6級(jí)，說(shuō)明淬火溫度并不高，也會(huì)發(fā)生剝離裂紋，甚至還有一些鏈輪存在加熱不足現(xiàn)象仍然出現(xiàn)了剝離裂紋。

三、工藝分析

對(duì)鏈輪裂紋問(wèn)題有了明確認(rèn)識(shí)以后，針對(duì)先前的生產(chǎn)工藝進(jìn)行詳盡分析和研究，對(duì)工藝中所有能夠引發(fā)的各類因素進(jìn)行解析分類，結(jié)合中頻設(shè)備加熱的原理及特點(diǎn)，逐一研究提煉，并對(duì)下一步工藝試驗(yàn)方案進(jìn)行周密探討部署：（注：工藝試驗(yàn)主要在8KHZ中頻加熱設(shè)備上進(jìn)行）

3.1原工藝存在的問(wèn)題經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為

之前采用的工藝過(guò)于依賴設(shè)備固有的頻率，該頻率對(duì)零件的電流透入深度達(dá)4mm，往往使淬火層深度超過(guò)4mm，使淬火層表面具有較大拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋。

原工藝加熱功率偏大、電流密度較高、加熱時(shí)間較長(zhǎng)等，這些因素都會(huì)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(zhì)是水，對(duì)冷卻時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，不利于減少淬火應(yīng)力，容易造成淬火裂紋。

3.2工藝試驗(yàn)方案

根據(jù)鏈輪裂紋和原工藝的分析與討論，工藝試驗(yàn)方案的針對(duì)性、目的性非常明確，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況，充分利用已經(jīng)報(bào)廢的鏈輪進(jìn)行調(diào)整、調(diào)試和改制，確定工藝試驗(yàn)方案采用節(jié)圓直徑為Φ124.425mm，06B鏈輪作為工藝試驗(yàn)的典型零件。

以典型零件為設(shè)計(jì)依據(jù)，工藝試驗(yàn)有針對(duì)性地提出一系列改進(jìn)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(shí)間控制在3～4S；（2）淬火介質(zhì)改用5～10%AQ251淬火液；淬火冷卻時(shí)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(yīng)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(yīng)力為壓應(yīng)力并較均勻分布。

四、鏈輪工藝試驗(yàn)結(jié)果

在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，隨機(jī)收集部分試驗(yàn)分析和結(jié)果。

4.1頂圓直徑Φ124.425mm，06B鏈輪試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖3）

淬火層深度1.2mm，淬火硬度：齒側(cè)HRC56、齒底部HRC59。淬火層組織：微細(xì)馬氏體5級(jí)。探傷：一批7件均無(wú)裂紋。熱處理工藝：功率90KW、加熱時(shí)間3.5S，感應(yīng)器與零件間隙6mm。280～300℃回火2h空冷。回火硬度：齒側(cè)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(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖4）

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

在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)淬火鏈輪長(zhǎng)時(shí)間不回火，也未發(fā)現(xiàn)裂紋，這說(shuō)明合理的淬火余溫既能減輕鏈輪的淬火應(yīng)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(chǎn)各種規(guī)格鏈輪1200余件，探傷后均無(wú)裂紋。