鏈軌節(jié)用鋼35MnBM沖擊性能異常原因分析與對策

王 超，柯加祥，張琳琳，肖 超，張 虎

（青島特殊鋼鐵有限公司棒材研究所，山東 青島266049）

1 前 言

鏈軌節(jié)是履帶式工程機械重要零件之一，同時起到銜接履帶板和傳遞動力的作用，廣泛應(yīng)用于挖掘機、推土機以及各種工程機械設(shè)備上的運動機構(gòu)。由于這些大型工程機械設(shè)備工作環(huán)境惡劣，鏈軌節(jié)服役過程中需要承受很大的交變載荷和沖擊［1-2］，因此鏈軌節(jié)必須具備良好的組織結(jié)構(gòu)和機械性能。因淬透性良好、性價比較高，鏈軌節(jié)目前的原材料主要為35MnBM圓鋼。35MnBM鋼中加入了B元素，嚴格控制化學(xué)成分可以確保鏈軌節(jié)的淬透性波動小且窄，目前已廣泛應(yīng)用于各種工程機械鏈軌節(jié)的生產(chǎn)［3］。

某公司使用35MnBM圓鋼生產(chǎn)鏈軌節(jié)時，其產(chǎn)品的低溫沖擊韌性檢驗不合格，對銷售和生產(chǎn)造成較大影響。

對35MnBM 鏈軌節(jié)低溫沖擊性能異常的原因進行了分析，并提出了對應(yīng)的解決措施。

2 生產(chǎn)工藝

35MnBM 圓鋼嚴格按照協(xié)議要求進行生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝為：LD 轉(zhuǎn)爐→LF 精煉爐→VD 真空脫氣→CC 連鑄→軋制。冶煉時嚴格按Al-Ti-B 的順序添加合金，先加入Al進行脫氧，然后再加入Ti固N，最后加入B 固溶于鋼中來確保淬透性。用戶生產(chǎn)工藝如下：斷料→加熱（1 250 ℃）→鍛造成型→余熱淬火→回火處理→無損檢測。對成品鏈軌節(jié)取樣加工成10 mm×100 mm×55 mm 的V 型沖擊試樣，然后進行-40 ℃低溫沖擊。檢驗結(jié)果為30～33 J/cm2，不能滿足≥39 J/cm2的要求。

3 理化檢驗

3.1 化學(xué)成分

利用火花直讀光譜儀對鏈軌節(jié)進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。從表中可以看出，檢測的化學(xué)成分能夠滿足標準要求，其中B含量為酸溶硼含量。

表1 鏈軌節(jié)化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

3.2 金相組織檢驗

在鏈軌節(jié)上取樣檢驗金相組織，經(jīng)過磨削、拋光以及4% 硝酸酒精腐蝕后，采用MCK-6RC 型金相顯微鏡進行微觀組織觀察。鏈軌節(jié)經(jīng)過余熱淬火＋回火處理后基體組織為回火索氏體組織，但在部分原始較大奧氏體的晶界發(fā)現(xiàn)了羽毛狀的上貝氏體組織殘留，如圖1所示。貝氏體在奧氏體晶界形核，以羽毛狀向晶內(nèi)長大，同時還發(fā)現(xiàn)了有少量的細長鐵素體在原始奧氏體晶界析出。

圖1 鏈軌節(jié)的金相組織

3.3 微觀硬度檢驗

采用MICROBUL 1000-AT 型微觀維氏硬度計檢測了圖1b 中A 點、B 點的微觀硬度，其中A 點處正常組織的硬度為378 HV，B 點硬度為289 HV。組織差異較大的兩處的硬度也不同，這種嚴重不均勻的微觀硬度會惡化鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)后的強韌化效果。

3.4 晶粒度檢驗

采用直腐法檢測鏈軌節(jié)的晶粒度，見圖2。檢驗發(fā)現(xiàn)奧氏體晶粒異常粗大，晶粒尺寸均在200 μm以上，晶粒度評級為2.0級。鏈軌節(jié)的晶粒度要求≥4 級，因此沒有滿足標準的要求。這種過于粗大的晶粒度會提高冷脆區(qū)域，易于裂紋沿晶界擴展，使鏈軌節(jié)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，從而降低了低溫沖擊韌性。

圖2 鏈軌節(jié)的晶粒度100×

3.5 斷口分析

性能異常鏈軌節(jié)的沖擊斷口形貌如圖3所示。從圖3可以看到，斷口由韌性斷裂的等軸韌窩形態(tài)區(qū)域和準解理斷裂特征區(qū)域組成。韌性斷裂區(qū)域的韌窩有一定的方向性，為撕裂韌窩，且相鄰韌窩的深度基本相同。而脆斷區(qū)域為準解理斷裂特征，呈現(xiàn)出扇形或狹長的撕裂棱以及河流花樣等斷口形貌。準解理面的區(qū)域周圍分布著很多小韌窩聚集形成的斷裂帶，可見斷口同時具有韌性斷裂和脆性斷裂的特征。

圖3 鏈軌節(jié)的沖擊斷口形貌

4 原因分析與優(yōu)化效果

從以上分析可知，鏈軌節(jié)低溫沖擊韌性異常的原因是原始奧氏體晶粒異常粗大，晶界形成了羽毛狀的貝氏體，組織有過熱的趨勢。這種異常粗大的奧體組織穩(wěn)定性差，易在形變過程中或者后續(xù)的冷卻過程中在晶界析出先共析鐵素體。后續(xù)淬火過程中貝氏體在原奧氏體晶界形核，然后以羽毛狀向奧氏體晶粒內(nèi)長大。

影響鏈軌節(jié)晶粒度的因素主要有以下幾個方面：化學(xué)成分、加熱溫度、加熱時間（步進頻率）、鍛造溫度、鍛造形變量以及鍛后停留時間等。通過檢驗可知化學(xué)成分滿足標準要求，同時添加了Ti等細晶元素，并不是造成晶粒異常粗大的原因。

4.1 加熱溫度與時間的影響

圓鋼下料后先進行感應(yīng)加熱，加熱溫度越高，加熱時間越長，奧氏體晶粒長大越明顯。不斷長大的奧氏體晶粒，會導(dǎo)致鏈軌節(jié)晶粒粗大，最終影響產(chǎn)品的沖擊性能。為避免加熱時晶粒迅速粗化，將加熱溫度從1 250 ℃降至1 180 ℃。進感應(yīng)加熱爐的步進頻率決定了圓鋼的加熱時間，通過多次試驗對頻率進行了優(yōu)化，可在較短的時間將溫度加熱到目標值。

4.2 鍛造溫度的影響

在熱鍛過程中，應(yīng)在模鍛允許范圍盡可能降低鍛造溫度，以增加晶體內(nèi)的位錯等缺陷。如此可以盡量抑制較高溫下形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶和長大，以防止產(chǎn)生過于粗大的奧氏體晶粒導(dǎo)致鋼的強韌性下降［4］。

4.3 鍛造形變量

在其他因素一定的情況下，適當增加終鍛的形變量可以在一定程度上細化奧氏體晶粒，不過不同的形變程度細化晶粒的效果也不同。感應(yīng)加熱時奧氏體晶粒已經(jīng)長大，如果終鍛形變程度落入臨界形變區(qū)會引起晶粒粗細不均勻，使鏈軌節(jié)的疲勞壽命、沖擊性能顯著下降。當終鍛的形變程度大于臨界形變量可以獲得細小晶粒，但是過大的形變量則會產(chǎn)生較大的形變熱量，反而促進了再結(jié)晶晶粒的長大。一般最終工序的形變量≥20%比較合適［4］。

4.4 鍛后停留時間

最終形變后的鏈軌節(jié)仍處于奧氏體再結(jié)晶溫度以上，如果停留時間太長，終鍛后形成的細小晶粒又將形核、再結(jié)晶，并重新長大。同時從奧氏體晶界中析出鐵素體，使鏈軌節(jié)強韌性效果降低［5］?？梢酝ㄟ^調(diào)整鏈軌節(jié)在終鍛設(shè)備與淬火槽之間的傳輸速度，盡量縮短鍛后的停留時間，防止晶粒再次長大。

4.5 工藝優(yōu)化效果

通過對上述感應(yīng)加熱和熱鍛過程中的工藝參數(shù)的優(yōu)化，余熱淬火＋回火后的鏈軌節(jié)晶粒尺寸明顯變細，晶粒度評級為5.0 級，達到了≥4 級的標準（如圖4a 所示）。鏈軌節(jié)的基體組織為回火索氏體，晶界處未發(fā)現(xiàn)明顯的貝氏體組織。對工藝優(yōu)化后的鏈軌節(jié)取樣進行-40 ℃低溫沖擊，沖擊韌性達到了56～63 J/cm2，滿足了≥39 J/cm2的要求。

圖4 工藝優(yōu)化后的晶粒度和組織

5 結(jié) 語

通過分析可知，鏈軌節(jié)低溫沖擊性能不合的主要原因是奧氏體晶粒異常粗大，在晶界形成了羽毛狀的貝氏體，惡化了調(diào)質(zhì)后鏈軌節(jié)的強韌化效果。通過對加熱溫度、加熱時間（步進頻率）、鍛造溫度、鍛造形變量以及鍛后停留時間等工藝參數(shù)的優(yōu)化，使晶粒度達到5.0級，抑制了貝氏體組織的形成，大大改善了鏈軌節(jié)低溫沖擊韌性，滿足了標準要求。