斜盤限位擋塊高頻感應淬火開裂分析及工藝改進

徒玉龍

中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

1 序言

斜盤是航空某產品重要組成部件，材質為40CrNiMoA鋼，經整體淬火后對零件限位面進行高頻感應淬火，使其滿足使用要求。現設計端為減少零件重量，采用基體為鈦合金的斜盤對原材料進行替代，限位擋塊位置因需承受一定的沖擊載荷，采用斜盤限位擋塊結構連接與鈦合金基體的基準孔位置，為保證零件端部承受沖擊載荷的能力需要高硬度，連接位置的硬度需要與鈦合金硬度相適配，保證使用過程不發生沖擊變形，因此必須對斜盤限位端面進行高頻感應淬火處理。

2 問題的提出

斜盤限位擋塊零件如圖1所示。

圖1 斜盤限位擋塊零件

零件真空淬火后將整體硬度調整至3 7 ～42HRC，然后對F面（見圖1）進行高頻感應淬火，要求淬硬層深度≥2.5mm，表面硬度≥53HRC，熱交換范圍深度≤4.5mm，允許桿部以上位置整體淬透。加工工藝流程為：粗車加工→精車加工→真空淬火→感應淬火、回火→裝配→磨削→熒光檢測→入庫。零件真空油淬火和限位面高頻感應淬火等熱處理工藝參數見表1。

表1 熱處理工藝參數

實際生產加工后，斜盤限位擋塊裝配至鈦合金殼體中。經磨削加工后，在熒光檢測時發現限位面存在裂紋。隨后，對入庫后未裝配的斜盤限位擋塊進行熒光檢測，發現近一半的零件存在裂紋，如圖2所示。

圖2 熒光檢測裂紋形貌

3 理化檢驗

3.1 化學成分

在斜盤限位擋塊桿部位置取樣并進行光譜化學成分分析，結果見表2。從表2可看出，化學成分滿足GJB 1951—1994《航空用優質結構鋼棒規范》要求。

表2 零件化學成分（質量分數） （%）

3.2 金相組織檢測

對熒光檢測有明顯線性缺陷的位置進行解剖，利用金相顯微鏡進行高低倍檢測，結果如下：高頻感應淬火線性缺陷為明顯有深度裂紋，裂紋均起源于限位面并向基體內延伸擴展，裂紋深度約1.36mm，如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，裂紋兩側組織為回火馬氏體，組織未發現異常。

圖3 低倍金相檢測裂紋形貌（50×）

圖4 高倍金相檢測裂紋形貌（200×）

同時，從圖3可看出，經高頻感應淬火后的裂紋從限位面向基體內部延伸，垂直于限位面，屬于縱向裂紋；由圖4可看出，在裂紋路徑上有明顯沿晶開裂的特征。

3.3 斷口形貌

為進一步確認裂紋形成原因，將裂紋打開，利用掃描電鏡對斷口進行觀察，低倍斷口形貌如圖5所示。圖5中紅色三角圈出部位為原始斷口，該部位斷口齊平，無明顯塑性變形。高倍下觀察靠近限位面部位原始斷口形貌（見圖6）為明顯的沿晶斷裂特征，斷口呈冰糖塊狀，無明顯的氧化銹蝕形貌。擴展區高倍形貌如圖7所示，同樣為冰糖塊狀沿晶特征。人為打開區域斷口高倍下為韌窩特征形貌，如圖8所示。

圖5 斷口低倍特征形貌

圖6 斷口源區高倍特征形貌

圖7 斷口擴展區高倍特征形貌

通過電鏡觀察可看出，原始斷口為沿晶脆性斷裂特征，人為打開斷口為韌窩塑性斷裂特征。

3.4 能譜分析

對原始斷口（見圖9）及人為打開斷口（見圖10）進行能譜分析（見圖11、圖12），結果見表3、表4。比較數據結果可看出，原始斷口位置含有較多的O元素以及少量的Na元素，說明在高頻感應淬火時裂紋已經產生。

圖8 人為打開斷口高倍特征形貌

圖9 原始斷口

圖10 人為打開斷口

圖11 原始斷口能譜分析

圖12 人為打開斷口能譜分析

表3 原始斷口能譜分析結果

表4 人為打開斷口能譜分析結果

3.5 熱處理質量檢查

技術要求表面硬度＞53HRC（561HV），根據GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》對零件進行淬硬層深度檢測，用維氏硬度計對零件進行硬度測試，表面硬度為55.5～56.5H R C。因此淬硬層界限值應為449HV。硬度梯度見表5。由表5可知，4.5mm處硬度為572HV，遠高于淬硬層界限值，因此該斜盤限位擋塊限位面已部分完全淬透。

表5 斜盤限位擋塊自限位面向內硬度梯度

4 分析與討論

結合斷口形貌可看出，斜盤限位擋塊限位面裂紋為沿晶脆性斷裂特征，且裂紋只存在于淬硬層內。在通常情況下，晶界的結合力高于晶內，正常開裂擴展的路徑一般不是沿晶而是穿晶。但是，如果熱處理工藝不當，造成雜質元素在晶界附近與沿晶析出脆性第二相，或因溫度過高（加工溫度與使用溫度）使晶界弱化，或因環境介質沿晶界浸入金屬基體等因素出現時，晶界的結合力被嚴重削弱，往往在低于正常斷裂應力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴展的優先通道而發生沿晶斷裂[1]。

同時，縱向裂紋多半產生在全部淬透的工件上，這往往是由于冷卻過快、組織應力過大而形成的。縱向裂紋的形成除了熱處理工藝及操作方面的原因外，原材料中熱處理前已存在的裂紋、大塊非金屬夾雜，以及嚴重的碳化物帶狀偏析等缺陷，也是不容忽視的原因[2]。斜盤限位擋塊零件形狀不規則，經高頻感應淬火后，限位面局部已完全淬透，對于淬透的局部，在高頻感應淬火快速冷卻過程，零件表層先轉變成馬氏體而膨脹，由于受到心部的牽制，使表層產生壓應力，心部產生拉應力，隨著冷卻的繼續，心部也發生馬氏體轉變而膨脹，表層已經轉變的馬氏體將對心部的膨脹起到阻礙作用，使表層原先的壓應力轉變為拉應力，心部則由原先的拉應力轉變為壓應力。當表層所受拉應力超過材料斷裂極限時，裂紋便從表層向里擴展[3]。

我公司之前一直采用對斜盤零件限位面進行高頻感應淬火工藝，操作者手持零件進行加熱，通過目測工件顏色呈深紅色后直接將工件局部置于淬火油中冷卻。高頻感應淬火頻率設定為150kHz、電壓為190V、功率約1900W、保溫時間8～10s。采用該工藝參數對整體斜盤零件局部進行高頻感應淬火后，經熒光檢測均未發現過裂紋，斜盤零件結構如圖13所示。

我公司技術人員在制定斜盤限位擋塊零件高頻感應淬火工藝時，因其高頻感應淬火區域與斜盤零件限位區域形貌、尺寸一致，因此直接引用斜盤零件高頻感應淬火工藝參數，未充分考慮斜盤限位擋塊零件尺寸小，高頻加熱過程中熱量無法有效形成熱傳導，導致高頻感應淬火后淬硬層已超過4.5mm，因此限位面局部淬透是導致該裂紋產生的根本原因。

圖13 斜盤零件結構

5 改進措施

根據以上分析，結合斜盤零件過往生產經驗，依據斜盤限位擋塊尺寸，形成兩種工藝解決方案。

（1）方案1 將零件整體真空淬火后低溫回火，然后對零件桿部進行高頻感應回火的工藝方案。熱處理工藝參數見表6。

表6 方案1熱處理工藝參數

驗證結果：零件經過真空油淬后對其外圓進行硬度檢查，淬火后硬度為54～55HRC，低溫回火后硬度為53～54HRC。使用環形感應器對零件桿部進行高頻感應回火后，桿部硬度為39～41HRC，但同時導致限位面硬度降低至53HRC以下，不滿足設計圖樣要求。

（2）方案2 在現行工藝路線及參數不變的情況下，材料選用T3銅，利用銅在感應加熱時加熱速度慢，且導熱性好的特點[4]，設計高頻感應淬火工裝（見圖14），增加零件高頻感應淬火過程中零件熱量的傳導。

圖14 高頻感應淬火工裝

驗證結果：使用該工裝后，零件限位面未完全淬透，高頻感應淬火后金相組織如圖15所示。對高頻感應淬火后的零件進行熒光檢測，結果未發現裂紋。

圖15 使用工裝后高頻感應淬火零件金相組織

6 結束語

1）斜盤限位擋塊零件開裂的主要原因是零件結構更改后，按原斜盤高頻感應淬火工藝參數處理時，熱量無法有效傳導，導致限位面局部淬透，造成局部組織應力超過材料斷裂極限。

2）采用感應加熱時，加熱速度慢、導熱性好的銅制造高頻感應淬火工裝，可以有效地與零件形成熱傳導，避免類似問題的發生。