預(yù)熱溫度對履帶用260節(jié)距銷軸感應(yīng)淬火裂紋率的影響

山推工程機(jī)械股份有限公司 （山東濟(jì)寧 272073） 張 坤

工程機(jī)械履帶用銷軸起著將鏈軌節(jié)連接在一起的作用，在服役中承受強(qiáng)烈剪切、沖擊、彎曲和扭轉(zhuǎn)作用，同時(shí)受到摩擦。為保證銷軸具有良好的綜合性能，需要進(jìn)行表面硬化，同時(shí)需要有一定硬度且塑性較好的心部與之配合，為提高效率，表面硬化采用中頻加熱的方式。本文研究的260節(jié)距銷軸其直徑為57.2mm，感應(yīng)電流透入深度有限且熱量在短時(shí)間內(nèi)無法通過熱傳導(dǎo)大量傳入心部，從而不能使心部也達(dá)到相變溫度。因此，為提高心部硬度還需預(yù)熱后進(jìn)行最終感應(yīng)加熱，然后進(jìn)行進(jìn)給噴液式淬火。因銷軸直徑較大，因此在急速冷卻的過程中易造成表面和心部應(yīng)力相差過大而引起裂紋。

1. 試驗(yàn)方案及結(jié)果

本文中的260節(jié)距銷軸心部硬度要求為22～38HRC，表面硬度52～62HRC，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)硬化層深的選擇以及考慮硬化層深與疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系，確定本文中的銷軸硬化層深為5～12mm。

圖1 銷軸

銷軸材料化學(xué)成分技術(shù)要求及實(shí)測值見表1。

表1 試驗(yàn)用材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

試驗(yàn)分6組，分別在不同的預(yù)熱溫度和相同的淬火溫度下進(jìn)行淬火，然后對各組銷軸進(jìn)行剖切，以45HRC為界在軸中部測量其硬化層深，同時(shí)測量其心部硬度。對試驗(yàn)件進(jìn)行磁粉無損檢測，各組試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及無損檢測結(jié)果見表2、表3。

表2 銷軸不同預(yù)熱溫度且在相同淬火溫度下的硬化層深及心部硬度

表3 磁粉無損檢測裂紋數(shù)匯總

2. 分析與討論

銷軸裂紋如圖2所示，可見其裂紋為軸端部環(huán)狀裂紋，裂紋萌生于端面，然后擴(kuò)展至軸身，從而造成軸脫肩。試驗(yàn)過程中，軸淬火完畢出淬火冷卻介質(zhì)后就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)端部裂紋，且裂紋均是出現(xiàn)在后出淬火冷卻介質(zhì)端。

圖2 履帶銷軸裂紋形態(tài)

取第三組試驗(yàn)裂紋件的先出淬火冷卻介質(zhì)端、中心及后出淬火冷卻介質(zhì)端橫貫整個(gè)軸的試塊進(jìn)行硬度測試，分別標(biāo)記三個(gè)試樣為A、B、C，每隔1mm測量一個(gè)點(diǎn)，其截面硬度如圖3所示。由圖3可見，三個(gè)試樣的截面硬度均無異常。三個(gè)試樣的硬化層深分別為13.1mm、10.7mm、18.3mm。

圖3 第三組試驗(yàn)三個(gè)試樣的截面硬度

軸端部硬化層比軸中部硬化層深，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面：

（1）由于采用的是感應(yīng)加熱，其特有的趨膚效應(yīng)使得感應(yīng)電流集中在軸的表面，因此軸兩端會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

（2）由于采用進(jìn)給式感應(yīng)加熱，后出淬火冷卻介質(zhì)端在預(yù)熱階段首先受到先出淬火冷卻介質(zhì)端熱傳導(dǎo)作用，后又有與先出淬火端相同的功率輸入使得預(yù)熱溫度較高。

以上兩方面的原因使得軸淬火時(shí)溫度不均勻，從而造成在同一軸上硬化層深度有差別。

綜合表2、表3得到圖4。由圖4可以看到，在淬火溫度相同的情況下，預(yù)熱溫度越高其裂紋率越低。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到700℃時(shí)其裂紋率降低到0，預(yù)熱溫度低于700℃會有裂紋件出現(xiàn)，且隨著預(yù)熱溫度的降低裂紋率會升高。

圖4 預(yù)熱溫度與裂紋率的關(guān)系

材料的開裂是因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力超出其抗拉強(qiáng)度，零件溫度在馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms點(diǎn)）以上沒有相變應(yīng)力，只有熱應(yīng)力，熱應(yīng)力來自于截面上不同部位的溫度差，溫差越大應(yīng)力越大。對于本文所述的直徑達(dá)到57.2mm的大截面工件而言，預(yù)熱溫度較低時(shí)，心部溫度低且未達(dá)到相變轉(zhuǎn)變的溫度。當(dāng)噴液淬火時(shí)，軸表面和心部溫差過大，從而引起熱應(yīng)力裂紋。若心部溫度達(dá)到相變溫度，其塑性將變得比室溫下好，就可吸收部分表面噴液淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而使得熱應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度。心部冷卻時(shí)，由于達(dá)到相變溫度且冷卻速度高于生產(chǎn)圓鋼時(shí)的冷卻速度，其組織也得到了細(xì)化，從而使得心部硬度得到提高。

對大節(jié)距銷軸來說，預(yù)熱溫度決定心部硬度、裂紋率也影響硬化層深。裂紋率與硬化層深和心部硬度的比值的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，裂紋率與硬化層深和心部硬度的比值成反比的關(guān)系，比值越大其裂紋率越低。當(dāng)硬化層深和心部硬度的比值大于0.46時(shí)，裂紋率就為0。

圖5 裂紋率與硬化層深和心部硬度的比值的關(guān)系

3. 結(jié)語

（1）預(yù)熱溫度是決定260節(jié)距銷軸是否出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。裂紋率和預(yù)熱溫度成反比，當(dāng)預(yù)熱溫度≥700℃時(shí)裂紋率為0。

（2）裂紋率與硬化層深和心部硬度的比值成反比的關(guān)系，比值越大其裂紋率越低。硬化層深和心部硬度的比值控制在0.46以上時(shí)，裂紋率為0。