齒鏈輪轂淬火裂紋分析與預防

山推工程機械股份有限公司 （山東濟寧 272023） 馮顯磊 呂金根 穆玉芹 趙樹芳

齒鏈輪轂用于各種農(nóng)用、工程機械的后橋箱內(nèi)終傳動部位，我公司齒鏈輪轂用于推土機大型重載機械上。常規(guī)終傳動為發(fā)動機傳出動力經(jīng)過液力變矩器傳到制動總成，然后經(jīng)過一級、二級齒輪減速傳遞到齒輪轂上，齒輪轂通過花鍵與鏈輪轂配合，將動力傳遞給鏈輪轂。最終鏈輪轂將動力傳遞到鏈輪上帶動履帶板行走。推土機作業(yè)環(huán)境較為復雜，行走于山石、沙漠、沼澤等惡劣環(huán)境中，在作業(yè)過程中齒鏈輪轂要傳遞較大的轉(zhuǎn)矩動力。不僅齒鏈輪轂整體需要較高的綜合力學性能，同時花鍵部要具有較高的耐磨性能，因此齒鏈輪轂的熱處理質(zhì)量直接影響到終傳動核心產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，我公司齒鏈輪轂材質(zhì)主要采用日本鋼號SCSiMn2H（以下簡稱2H）材質(zhì)，該鋼的淬透性能要比國內(nèi)45鋼高一倍以上。毛坯鑄件在調(diào)質(zhì)淬火過程中，裂紋時常發(fā)生，約占到裂紋的70%，尤其是鏈輪轂，回火時裂紋的產(chǎn)生約占30%。通過研究發(fā)現(xiàn)齒鏈輪轂裂紋的產(chǎn)生主要與產(chǎn)品的設計結(jié)構(gòu)、材料的合金成分、熱處理工藝溫度、淬火方式及淬火冷卻介質(zhì)類型等方面有著直接的關(guān)系。

1.齒鏈輪轂各種調(diào)質(zhì)裂紋

圖1為連接盤材質(zhì)選用2H鋼，熱處理工藝為：840℃保溫2h水淬，采用高溫回火后發(fā)現(xiàn)批量性裂紋，該裂紋型態(tài)為沿連接盤縱向劈裂式開裂，且裂紋延伸較長。

圖2為輪轂沿轂底周圈式裂紋。

圖1

圖3 為鏈輪轂大刷邊，裂紋長度為300～400mm， 裂紋刷邊寬度達200mm，從裂紋處一直延伸到工藝孔處，且為穿透性裂紋。

圖2

圖3

圖4 為材料內(nèi)部存在鑄造缺陷。

圖5為輪轂的進油孔處裂紋，該輪轂有3個進油工藝孔，調(diào)質(zhì)淬火時全部產(chǎn)生裂紋。熱處理工藝為：800℃保溫2h，水淬，開一個攪拌水泵，水溫為20℃。

圖6為齒輪轂批量裂紋，淬火方式采用帶料盤垂直入水淬火。

圖4

圖5

圖6

2.齒鏈輪轂淬火裂紋的分析

（1）材料成分造成齒鏈輪轂裂紋 材料成分及合金元素的含量是造成淬火裂紋的重要因素之一，含碳量（質(zhì)量分數(shù)）在0.45%～0.55%之間，Ac3線會出現(xiàn)一個陡降的低谷。首先是日本2H鋼碳含量（質(zhì)量分數(shù)）在0.40%～0.47%之間，若含碳量在下限0.40%～0.45%之間，宜采用工藝上限溫度淬火。若含碳量在上限處于Ac3線的陡降低谷區(qū)間，若采用加熱上限易造成淬火裂紋，該種情況宜采用工藝下限溫度淬火。當然我公司采用的日本2H鋼含碳量處在Ac3低谷區(qū)間的情況相對較少，但在生產(chǎn)上是造成淬火裂紋的原因之一，不容忽視。

（2）工件設計結(jié)構(gòu)不合理造成淬火裂紋 工件產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)是影響淬火裂紋的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，我公司約20%的齒鏈輪轂裂紋為設計結(jié)構(gòu)不合理造成。眾所周知，在淬火組織轉(zhuǎn)變過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織膨脹轉(zhuǎn)變，在可淬透范圍內(nèi)將產(chǎn)生較大的組織應力。一旦超過該種材料的斷裂強度，將造成淬火裂紋。工件存在結(jié)構(gòu)突變部位，往往是裂紋產(chǎn)生的根源。

如圖5所示，該鏈輪轂共有3個進油孔，為鑄造過程中整體鑄造出來。油孔處結(jié)構(gòu)較為復雜，且鏈輪轂凸口設計壁厚為18mm，在恰好淬透范圍之內(nèi)，易造成表面應力集中，導致裂紋產(chǎn)生。圖2輪轂底部設計壁厚僅為16mm，且整個輪轂的輪廓較大，也極易造成變形或開裂。

（3）爐內(nèi)溫度不均勻造成淬火裂紋 目前調(diào)質(zhì)淬火加熱爐多數(shù)采用箱式電阻爐和臺車爐，由于密封性相對較差，在加熱過程中爐門口溫度相對爐膛內(nèi)部有一定的差別，超過±15℃以上就會對爐內(nèi)工件有影響。由于靠近爐門口的工件溫度相對其他工件溫度較低，在出爐淬火過程中造成應力不均，極易造成淬火裂紋。

（4）淬火冷卻介質(zhì)選擇不當或加熱溫度選擇不當造成淬火裂紋 不同材質(zhì)的DI值不同，淬火過程中溫度和淬火冷卻介質(zhì)的合理選擇至關(guān)重要。即使同種材料，其合金成分不同，加熱溫度和淬火冷卻介質(zhì)也應慎重選擇。根據(jù)服役條件要求輪轂采用2H鋼材的DI值在50～70mm，溫度采用工藝下限，采用水淬，如果溫度過高可造成晶粒粗大，淬火應力較大，造成淬火裂紋。

（5）合金元素超標的影響 合金元素的超標問題也是引起齒鏈輪轂裂紋的一大主因。近年來，由于B超標引起的批量裂紋時有發(fā)生，屬于微量元素的B就可成倍地增加鋼的淬透性，同時B還有促使晶粒長大的傾向。B超標的原料主要來源于像鏈軌節(jié)之類含B量較高的下腳料。如圖7所示，某鏈輪轂采用820℃，保溫105min，水淬攪拌，高溫回火，由于材料中含超量的B元素（經(jīng)化驗B含量在超過要求上限）導致裂紋。后經(jīng)調(diào)整工藝采用870℃，保溫2h，攪拌油冷，壓力為0.22MPa×2，高溫回火后，同樣出現(xiàn)裂紋。經(jīng)檢測，在距表面22mm（心部）為馬氏體+少量鐵素體組織，硬度58.5HRC，顯然心部已淬透。

圖7

錳具有降低鋼的Ar1溫度和增加鋼的淬透性能力，可以使較大截面的工件獲得較均勻、細化的組織，從而減小截面不同的部分在力學性能方面的差異。但Mn增加鋼的過熱敏感性和回火脆性。某齒輪轂調(diào)質(zhì)回火過程采用580℃保溫3h，出爐后發(fā)現(xiàn)批量裂紋。由于2H材質(zhì)含Mn量（質(zhì)量分數(shù)）在1.00%左右，回火過程中具有二次硬化現(xiàn)象，冷卻過程中應避開二次硬化區(qū)間。

（6）調(diào)質(zhì)前原始組織的影響 齒鏈輪轂在進行調(diào)質(zhì)淬火前的原始組織對淬火裂紋有很大的影響。調(diào)質(zhì)淬火前如果沒有正確的預備熱處理工序或遺漏，很易造成淬火裂紋。工程結(jié)構(gòu)鋼在鑄造冷卻后往往有晶粒粗大、偏析、成分不均勻等不利因素的存在，如果未進行預備熱處理，淬火后將得到晶粒粗大的馬氏體，造成脆性增加。成分的不均勻性將導致淬火應力的不均勻，大大增加了淬火裂紋的傾向。

（7）鑄造缺陷的影響 鑄造過程中由于型砂原因或操作不當容易造成砂眼；由于排氣不暢，水分過多等因素容易造成氣孔的形成。另外，還有疏松、偏析、裂痕等缺陷都是引發(fā)淬火裂紋產(chǎn)生的直接根源。如圖3所示，該鏈輪轂臺面靠近表層存在較大的疏松，淬火過程中造成剝層裂紋。

3.防止齒鏈輪轂淬火裂紋的措施

（1）采用亞溫淬火 例如對于我公司由2H材質(zhì)鑄造的齒鏈輪轂，在調(diào)質(zhì)淬火時采用亞溫淬火工藝，采取工藝下限溫度保溫時間應據(jù)齒鏈輪轂的型號尺寸確定，淬火水溫控制在25～40℃進行淬火?；鼗饡r應避免二次硬化現(xiàn)象。該溫度恰好處于Ac3附近，可保留部分未溶鐵素體，同時亞溫淬火可細化奧氏體晶粒。冷卻后得到馬氏體晶粒度也較細小，從而減少內(nèi)應力，可有效防止裂紋的產(chǎn)生。

（2）淬火時采用預冷淬火，或采取保護措施對結(jié)構(gòu)設計復雜，存在凹槽、工藝孔、壁厚設計在危險尺寸范圍內(nèi)的齒鏈輪轂，出爐淬火時采用預冷淬火，可防止淬火裂紋的發(fā)生，預冷時靠肉眼觀測到復雜結(jié)構(gòu)處或工件表面處于暗紅狀態(tài)（此時溫度約在Ac3線）時可浸水淬火。必要時可減少攪拌水泵，降低淬火的冷卻能力。另外，在凹槽、工藝孔處采用耐火泥、膠泥等封堵，也可減少淬火裂紋的產(chǎn)生。

（3）控制合金元素的含量 就目前我公司發(fā)現(xiàn)的齒鏈輪轂裂紋合金元素超標問題主要集中在B元素。據(jù)我公司經(jīng)驗，2H材質(zhì)B元素控制在萬分之五以下，齒鏈輪轂裂紋的發(fā)生率將大大降低。

（4）設計時避免復雜結(jié)構(gòu)危險尺寸的設計 避免在2H鋼的最大淬火臨界直徑D0之間設計工件；對于一些工藝油孔可在鑄造后再機加工出來；應力集中的部位應增大圓角。

（5）調(diào)質(zhì)前確保工件已進行預備熱處理 鑄件預備熱處理尤為重要，澆注后材料的組織往往存在晶粒粗大、偏析等成分不均現(xiàn)象，淬火過程中極易造成裂紋。

（6）淬火冷卻介質(zhì)的合理選擇 目前常用淬火冷卻介質(zhì)有三種，自來水、AQ251（水溶性聚合物）、淬火油。在泵的壓力為0.2MPa，淬火油溫38℃，噴射器壓力為0.2MPa，淬火冷卻介質(zhì)量達250m3/h時，油的淬冷烈度H=0.59；在泵的壓力為0.2MPa，淬火AQ251溫度為23℃，噴射器壓力為0.2MPa，淬火冷卻介質(zhì)量為200m3/h時，AQ251的淬冷烈度H=1.74；在泵的壓力為0.26MPa（兩臺水泵同時開起），淬火自來水溫度為23℃，噴射器壓力為0.26MPa，淬火冷卻介質(zhì)量為200m3/h時，自來水的淬冷烈度H=2.5。對于結(jié)構(gòu)設計復雜易裂紋的工件，開起一臺淬火水泵，或選取AQ251淬火，可降低裂紋的發(fā)生率。

（7）采用密封性較好的電爐，使工件加熱均勻 也可在原有箱式電阻爐基礎上，進行爐門改造。目前我公司已實施爐門改造工程，收到了良好效果。

4.結(jié)語

（1）材質(zhì)為2H鋼的鏈輪轂在設計時應避免在D0值內(nèi)。

（2）2H鋼材料中最易超標的合金元素為B，控制B元素的含量可有效防止齒鏈輪轂裂紋的產(chǎn)生。

（3）齒鏈輪轂設計結(jié)構(gòu)不宜復雜，應減少結(jié)構(gòu)突變或采取圓滑過渡。

（4）對易裂的齒鏈輪轂可采取預冷淬火，或減少攪拌水泵的開起數(shù)量。

（5）采用略低于Ac3的亞溫淬火工藝，可有效防止裂紋產(chǎn)生。

（20130611）