履帶銷軸線切割開裂機(jī)理分析

王 超，張琳琳，肖 超，張 虎，趙 晗

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266000）

1 前 言

履帶銷軸是行走式履帶式底盤的重要聯(lián)接件，承擔(dān)著銜接前后軌鏈節(jié)作用，履帶服役過程中的穩(wěn)定性很大程度上取決于銷軸的質(zhì)量［1］。由于履帶應(yīng)用的環(huán)境惡劣，銷軸在使用過程中承受著復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)、彎曲和剪切作用，因此銷軸產(chǎn)品應(yīng)具有高的抗彎、抗剪和抗斷裂強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的抗疲勞、抗磨削和抗沖擊的綜合力學(xué)性能［2］。為獲得良好的綜合力學(xué)性能，履帶銷軸需要達(dá)到“外硬內(nèi)軟”的效果。銷軸表面硬化提高強(qiáng)度和耐磨性，而芯部塑性良好可以承受一定的沖擊力［3］。目前常用的材質(zhì)為45B，加入的適量硼元素可以顯著提高45鋼的淬透性和綜合力學(xué)性能。某公司使用45B 圓鋼生產(chǎn)履帶銷軸產(chǎn)品時(shí)，部分產(chǎn)品在線切割加工時(shí)出現(xiàn)了表層裂紋。

為減少經(jīng)濟(jì)損失，避免再出現(xiàn)類似開裂的情況，分析了銷軸開裂的原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

2 樣品檢驗(yàn)

客戶生產(chǎn)工藝為:下料→粗車→精車→精磨→表層感應(yīng)淬火→低溫回火→拋光→精加工→防銹入庫(kù)。對(duì)銷軸樣品進(jìn)行成分、金相、硬度以及掃描電鏡分析，具體開裂樣品如圖1 所示，開裂處位于表層下方12～14 mm處。

圖1 樣品開裂處

2.1 化學(xué)成分分析

利用火花直讀光譜儀在銷軸橫截面處進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，銷軸檢測(cè)的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的45B鋼化學(xué)成分要求。

表1 45B鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 金相組織檢驗(yàn)

對(duì)銷軸的縱剖面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，樣品磨拋后使用4%硝酸酒精進(jìn)行侵蝕。然后采用MCK-6RC 型金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，不同位置金相組織見圖2。表層淬火后銷軸同一截面各處金相組織不同，靠近外表面一定深度可獲得馬氏體組織，而內(nèi)層則形成非馬氏體組織。產(chǎn)品的外表層經(jīng)淬火后為馬氏體組織，次表層為馬氏體+貝氏體+少量屈氏體組織。直徑1/4 處因升溫溫度低，冷卻速度較慢形成了索氏體+少量鐵素體的組織。而芯部仍然為熱軋態(tài)的鐵素體+珠光體組織，無明顯的熱處理跡象。銷軸由于表層淬火過程中的內(nèi)外溫度以及冷卻速度相差大，造成銷軸徑向較大的組織差異。

2.3 硬度試驗(yàn)

利用WHR-150數(shù)顯型洛氏硬度計(jì)對(duì)銷軸的橫截面進(jìn)行了洛氏硬度檢測(cè)，從一端邊緣開始，每2 mm 檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如圖3 所示。產(chǎn)品的有效硬化層的深度約為10 mm，符合技術(shù)要求中有效硬化層深度的規(guī)定（7～14 mm）。但硬度分布梯度較大，表面硬度為54～58 HRC，芯部硬度為10～13 HRC。距表面12～14 mm處硬度波動(dòng)最大，硬度從54～55 HRC 降至13～15 HRC，產(chǎn)品線切割開裂起源部位也位于此處。

圖2 履帶銷軸縱剖面金相組織

圖3 銷軸產(chǎn)品的截面硬度

2.4 開裂處掃描電鏡分析

銷軸斷裂起源于銷軸皮下12～14 mm 處，開裂處沒有明顯塑性變形，整體呈現(xiàn)脆性開裂特征。對(duì)樣品開裂處取樣放入酒精中進(jìn)行超聲波清洗，然后在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，斷口形貌如圖4 所示。經(jīng)掃描電鏡檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)缺陷處沒有明顯的夾雜物，裂開處為明顯的沿晶開裂，為典型的脆性斷裂。

圖4 斷口形貌組織

3 分析與討論

由掃描電鏡分析可知銷軸開裂處為典型的脆性斷裂。經(jīng)過金相分析可見，樣品經(jīng)過表面淬火后同一截面各處金相組織有較大的差異，而且表層內(nèi)部硬度差異較大，最大相差48 HRC。在橫截面組織中表層的馬氏體是比容最大的組織，芯部組織為珠光體+鐵素體，比容較小。由于內(nèi)、外組織結(jié)構(gòu)不同，使得樣品從表層到芯部各部分產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力分布。所以表面淬火后的銷軸處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，內(nèi)層受拉應(yīng)力，表面受壓應(yīng)力［4］。后期進(jìn)行較低溫度的回火，銷軸表面淬火后的殘余應(yīng)力很難大幅度消除。

銷軸進(jìn)行線切割加工時(shí)，由于高溫電火花的作用，切割過的部位應(yīng)力得到釋放，外表面的淬硬層受拉應(yīng)力狀態(tài)趨向膨脹，非淬硬層組織的芯部趨向收縮。經(jīng)過這種應(yīng)力再平衡的過程，內(nèi)應(yīng)力超出材料的強(qiáng)度極限，造成零件開裂。如圖1所示開裂處位于皮下的約12～14 mm 處，此處的組織、硬度變化最大，在線切割過程中應(yīng)力產(chǎn)生了再平衡導(dǎo)致銷軸產(chǎn)生了脆性開裂。

為解決銷軸內(nèi)部應(yīng)力偏差大易造成開裂缺陷，在下料和粗車后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高芯部的硬度與韌性，減少橫截面的硬度波動(dòng)。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，芯部組織為回火索氏體組織，硬度為30～32 HRC。后經(jīng)表面淬火后表面硬度為57～58 HRC，銷軸的內(nèi)外硬度偏差大大減低，為26～28 HRC。先經(jīng)過調(diào)質(zhì)的銷軸表面淬火后內(nèi)外殘余應(yīng)力的絕對(duì)值降低，解決了產(chǎn)品線切割加工過程中開裂問題。