球窩工件感應(yīng)淬火裂紋原因分析

王孟，王忠，馮顯磊，謝玲珍

球窩結(jié)構(gòu)在大型工程機(jī)械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在推土機(jī)工作裝置鏟刀中使用較多，由于在工作過程中存在較大應(yīng)力、沖擊等，需要球窩工件具有較高的耐磨性、抗疲勞強度來提高使用壽命，這就需要合理的熱處理工藝來滿足上述要求，常用的熱處理工藝為感應(yīng)熱處理。我公司生產(chǎn)的球窩工件近期出現(xiàn)批量淬火裂紋現(xiàn)象，帶來較大的損失，本文針對本次裂紋的原因進(jìn)行探討。

1.球窩裂紋件概況

工件為托架，材料為ZG35SiMn，R50mm球窩處要求感應(yīng)淬火，硬化層深度為2.5～4.5mm，表面硬度為52～60HRC，托架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該件經(jīng)感應(yīng)熱處理后，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)批量淬火裂紋現(xiàn)象，裂紋形態(tài)如圖2所示。

該托架的主要工藝過程為：鑄造→正火→粗車→精車→感應(yīng)淬火→回火。感應(yīng)加熱采用集中加熱方式，感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。電流為220A，電壓為300V，功率為66kW，頻率為12kHz，加熱時間20s，淬火方式為直接在工件上方噴淋自來水（20～40℃）。

2.原因分析

圖1 零件示意

圖2 感應(yīng)淬火裂紋

圖3 托架感應(yīng)淬火感應(yīng)器示意

針對本批次裂紋工件，從3方面查找裂紋原因：工藝參數(shù)、原材料檢驗、裂紋工件剖檢。

（1）工藝參數(shù) 首先我們查看該批次托架淬火工序及前工序工藝參數(shù)記錄，并對機(jī)床進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示無任何異常。其次跟蹤該件感應(yīng)熱處理生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)該件在感應(yīng)熱處理時由于無合適的工裝，無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加熱，造成局部加熱不均現(xiàn)象嚴(yán)重，淬火時內(nèi)應(yīng)力較大，此為造成裂紋的原因之一。

（2）原材料檢驗 該件的化學(xué)成分如附表所示，滿足ZG35SiMn化學(xué)成分要求。

從該件化學(xué)成分分析中可以看出含有微量的B元素，國內(nèi)外資料顯示，B元素可提高淬透性，且極小的量就有明顯的提高淬透性的作用。我公司生產(chǎn)的該件選用生產(chǎn)鏈軌節(jié)（35CrMoB）邊角料作為鑄鋼原料之一，該材料屬于硼鋼，不可避免地含有B元素，促使該件淬透性提高，造成開裂傾向增大。剖檢結(jié)果顯示硬化層深度達(dá)到6mm，超出硬化層深度要求范圍。又由于該材料本身的DI較高，使用淬火能力很強的水作為淬火冷卻介質(zhì)也是使該件出現(xiàn)裂紋的原因之一。

（3）裂紋剖檢 我們剖切裂紋工件，對工件進(jìn)行檢測，表面主要檢測結(jié)果如下：有效硬化層深度為6mm，表面硬度為54～55HRC，馬氏體級別4～5級，晶粒度9級，硬化層深度過深（硬化層組織見圖4）。

心部檢測結(jié)果如下：心部硬度為163HBW，晶粒度為6級，組織為珠光體和鐵素體，鑄態(tài)組織未完全消除，心部金相組織見圖5。從金相分析結(jié)果顯示該件正火不充分，存在鑄態(tài)組織，組織不合格也是造成本次裂紋的原因之一。

針對裂紋區(qū)域進(jìn)行深入的分析，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)域存在縮孔、縮松等鑄造缺陷（見圖6），裂紋不是從球窩表面開始，而是由內(nèi)部疏松開始引起。由此判斷此次鑄造缺陷是造成淬火裂紋的直接原因。

3.改進(jìn)措施

通過以上分析找到造成裂紋的幾種原因，針對上述原因采用以下方案：

（1）設(shè)計專用的旋轉(zhuǎn)工裝（見圖7），使該件在加熱時可以旋轉(zhuǎn)，加熱更為均勻，減小淬火時內(nèi)應(yīng)力，從而減小裂紋傾向。

（2）使用5%～7%AQ251代替水作為淬火冷卻介質(zhì)。

（3）改善該件鑄造工藝，在球窩位置處增加一個補縮冒口，并將原定正火保溫時間由2h延長至3h，后經(jīng)剖檢鑄造縮松現(xiàn)象消除。另外，不再使用硼鋼下角料作為鑄造原料。

ZG35SiMn化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖4 硬化層組織

圖5 工件心部組織

圖6 工件縮松

圖7 設(shè)計專用旋轉(zhuǎn)工作

4.結(jié)語

通過以上三項措施，我們跟蹤4批次200多件球窩件感應(yīng)淬火過程，無損檢測結(jié)果顯示，無任何裂紋產(chǎn)生。剖檢結(jié)果顯示有效硬化層深度為3～4mm，表面硬度為54～58HRC，馬氏體級別4～5級，晶粒度8～9級。心部硬度為170HBW，晶粒度為6級，組織為珠光體和鐵素體，均滿足要求。20140514