礦用壓板淬火裂紋產生原因及改進方法

張勇，孫永鵬，米佩，劉瑩

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

壓板是刮板輸送機的關鍵零件，在使用過程中與刮板、螺栓、鏈條組成刮板鏈，在動力部帶動下，煤炭向地面運輸。壓板長期運行在井下的惡劣環境中，隨著使用時間的延長，與牽引鏈條嚙合的部位會出現疲勞磨損[1]，最終導致失效[2]。為提高壓板強度，對壓板一般采用整體調質處理。壓板的生產工藝流程為：鍛造→鉆孔→調質→噴丸。壓板結構如圖1所示，材料選用40Mn2鋼，熱處理采用水作為淬火冷卻介質。在實際生產中，因更換設備空冷器裝置后，壓板調質時出現孔部位不同程度開裂情況，裂紋如圖2所示。裂紋主要沿軸線方向，同一孔中裂紋有單條，也有多條，主要發生在薄壁處。對孔開裂情況進行統計，其中兩邊孔開裂比例占50%，中間孔開裂的比例占20%，中間和兩邊均有裂紋的占30%，且裂紋深淺不一，最深裂紋深度達到5mm。本文將從原材料、壓板結構、熱處理工藝等方面對淬火開裂原因進行分析并提出了解決 方案。

圖1 壓板調質前結構形貌

圖2 壓板調質后裂紋形貌

2 壓板調質淬火開裂原因分析

2.1 淬火工藝及設備

本批次開裂壓板調質設備使用連續鏈板式調質生產線，通過控制加熱區、淬火區、回火區鏈板移動速度來實現控制保溫時間和冷卻時間，壓板淬火時采用單件入水淬火方式，淬火時采用空冷裝置對水溫進行控制，更換空冷器前后壓板調質工藝參數及開裂情況見表1。

從表1工藝參數對比可看出，調質工藝參數最大的區別是冷卻水溫不同，在未更換空冷器之前，因原空冷器使用時間較長，水溫控制精度低，壓板實際冷卻水溫一般控制在45～50℃，而在更換為新的空冷器后，冷卻能力提升，使冷卻水溫基本可控制在25～30℃，說明開裂和淬火冷卻介質溫度有關。從表1還可看出，淬火冷卻介質溫度變化達到20℃時就會產生壓板淬火開裂，說明原工藝防止淬火裂紋的安全系數已經很小了，淬火工件已處于開裂邊緣，需要對引起淬火開裂的因素做進一步分析，提高防止淬火裂紋的安全系數。

表1 壓板調質工藝參數對比

2.2 原材料成分

對開裂壓板進行化學成分分析，共抽取3件，編號為1#、2#、3#，結果見表2。從表2可看出，材料成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》要求，但C元素偏上限。40Mn2鋼的強度、塑性和耐磨性較高，有過熱敏感性、高溫回火脆性，且淬火時易開裂，是一種淬透性較高的鋼，錳具有降低鋼的Ar1溫度，增加鋼的淬透性能力，由于wMn在1.00%左右，回火過程中具有二次硬化現象，因此冷卻過程中應避開二次硬化區間[3]。

表2 開裂壓板的化學成分（質量分數） （%）

2.3 裂紋顯微組織結構與分析

對裂紋部位縱切面切片，觀察裂紋兩側非金屬夾雜物情況，未發現有非金屬夾雜缺陷。采用4%硝酸溶液進行腐蝕，圖3所示為裂紋起始端，圖4所示為裂紋末端，圖5所示為裂紋部位氧化脫碳情況。

壓板裂紋發生在孔部位（見圖2），呈現軸向性，從圖3、圖4可看出，裂紋為典型的縱向淬火裂紋，且沿裂紋兩側存在明顯的氧化（見圖5），說明裂紋產生在淬火階段，后經570℃高溫回火時導致裂紋兩側出現氧化。通常鋼鐵工件的回火溫度低于570℃時，工件表面只發生氧化，不會產生脫碳，但回火溫度高于570℃時，工件表面不只是發生氧化，還會發生脫碳。對開裂部位在低倍顯微鏡下進行觀察，材料有明顯的帶狀組織分布，如圖6所示。帶狀組織是鋼材內部缺陷之一，對于需要后續熱處理的零件，帶狀組織輕則會導致熱變形過大，重則會造成應力集中，甚至出現裂紋。

圖3 壓板裂紋起始端

圖4 壓板裂紋末端

圖5 裂紋部位氧化脫碳情況

圖6 壓板帶狀組織

筆者認為，在壓板淬火開裂過程中，帶狀組織的存在會加劇孔部位的開裂。

2.4 壓板結構對裂紋的影響

工件結構形狀是影響淬火裂紋的重要因素之一。對現場壓板開裂部位進行統計，90%的裂紋發生在孔部位，10%裂紋由于鍛造缺陷造成。對壓板結構進行分析，孔與其他部位存在明顯的薄厚不一致現象，在淬火冷卻過程中，工件薄弱部位全部淬透，工件的中心和表面都得到馬氏體組織，內外硬度相近，但工件表面和中心的組織轉變過程不是同時進行的，由于表面冷卻速度快，先發生馬氏體轉變，待表層馬氏體轉變完成時，次表層和心部才開始馬氏體轉變。由于馬氏體比容大，最終形成的組織應力在表面形成拉應力，心部形成壓應力，當組織應力超過材料的強度極限時便導致裂紋的產生。

3 壓板調質工藝改進措施

通過分析，認為壓板開裂原因可能與熱處理工藝不當、壓板結構及工件存在帶狀組織有關，針對這些因素，通過以下改進措施進行驗證。

3.1 加強壓板原材料成分及鍛造質量控制

加強原材料成分控制及檢測工作，避免出現碳含量及合金元素超過標準情況，針對試驗的壓板，跟蹤鍛造及鍛后正火處理工序，避免因熱加工溫度不當引起的帶狀組織。

3.2 優化調質處理工藝

在不改變壓板工藝流程的情況下（調質前先鉆孔），主要從以下兩方面來改進淬火工藝。

1）對壓板采用預冷淬火工藝。實際生產中采用連續調質生產線進行調質處理，原工藝中采用的淬火溫度為810℃，分3區控溫，1區、2區、3區溫度都設置為810℃。改進后的工藝1區、2區淬火溫度設置為820℃，3區溫度（淬火出口區）設置為790℃，相當于在出爐時對孔部位進行預冷處理，預冷淬火可有效減少淬火開裂。

2）降低淬火冷卻階段的冷卻強度。淬火裂紋的產生一般發生在淬火冷卻階段[4]，即馬氏體轉變基本結束后或完全冷卻后，因工件表面的拉應力超過鋼的斷裂強度而引起的開裂。對比分析空冷器更換前后壓板的開裂情況及后續對材料、淬火裂紋形態的分析，壓板淬火開裂的本質原因是淬火后期即馬氏體轉變區冷卻速度過快造成的。因此，在淬火時要減緩冷卻速度，考慮過高的淬火冷卻介質溫度會影響工件的淬硬層深度，降低工件的力學性能，權衡工件的淬火開裂和力學性能，控制淬火冷卻介質溫度至40～45℃。同時，在淬火后期，控制壓板淬火后孔部位的最終返熱溫度，一般返熱溫度控制在200～250℃。

采用上述兩種方法對壓板調質工藝進行了改進，隨機抽取鍛造后100件壓板進行小批量試驗，未發生孔部位開裂情況，說明改進措施有效。

3.3 優化壓板生產流程

為了驗證壓板結構對開裂的影響，隨機抽取鍛造后100件改為先調質后鉆孔工藝，其中50件采用空冷器未更換前工藝參數，50件采用空冷器更換后工藝參數（見表1），對100件調質處理后的壓板進行裂紋檢查，未出現淬火開裂情況，說明壓板采用調質后再鉆孔處理，能夠有效地解決孔部位開裂問題，極大地提高了壓板防裂的安全系數。

4 結束語

通過對壓板淬火工藝過程、設備、材料、結構等方面進行綜合分析，筆者認為，造成壓板開裂的原因如下。

1）壓板淬火冷卻介質溫度過低是造成在孔部位開裂的因素。

2）壓板開裂比例較大，與本批次材料成分碳含量偏上限有一定的關系。針對水淬產品，嚴格控制材料成分，能很大程度降低淬火開裂風險。

3）在加工成本可控的情況下，針對40Mn2鋼材料、壓板結構壁厚不均的情況，優化壓板生產流程，由原來的調質前先鉆孔改為調質后再鉆孔，可提高防止淬裂的安全系數。