■ 李云亭，王金標(biāo)，楊 敏

國外某環(huán)球煤機(jī)公司向我公司訂購的特殊結(jié)構(gòu)的箱體為合金鑄鋼產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、截面變差大、加工精度高，因此鑄造、熱處理及機(jī)加工制造過程控制難度較大，且熱處理后力學(xué)性能要求較高的強(qiáng)度的同時(shí)還要保證較高的沖擊吸收能量指標(biāo)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄厚不均、淬火過程極易產(chǎn)生裂紋。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 力學(xué)性能

1. 產(chǎn)品信息及樣件交貨要求

產(chǎn)品單重279.5kg，其外形輪廓尺寸：580mm×645mm×762mm。產(chǎn)品材料化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

工藝路線：造型/制芯→合箱→熔煉/澆注→開箱/落砂→拋丸、切割、粗修→劃線（驗(yàn)證模具尺寸）→正火→精修、補(bǔ)焊→檢驗(yàn)（外觀、MT、UT）→熱處理（調(diào)質(zhì)）→精修、檢驗(yàn)（外觀，MT）→機(jī)加工→劃線（全尺寸報(bào)告）→整理報(bào)告→樣品提交。

2. 熱處理工藝參數(shù)的確定

（1）奧氏體化溫度的確定 根據(jù)客戶規(guī)定的化學(xué)成分要求，按成分中上限計(jì)算出其Ac3溫度，實(shí)際生產(chǎn)中鑄鋼件熱處理奧氏體化溫度是在Ac3溫度上增加50℃左右，該產(chǎn)品完全奧氏體化溫度實(shí)際為870℃。

（2）正火溫度的確定 根據(jù)鑄鋼件正火工序的要求，為保證正火組織均勻化的效果，通常正火溫度較完全奧氏體化溫度高20～30℃，工藝選擇900℃±10℃。

（3）調(diào)質(zhì)工藝參數(shù) 淬火溫度按奧氏體化溫度870℃±10℃，回火按性能要求及硬度匹配選擇600℃±10℃。加熱保溫時(shí)間：按截面最大厚度150mm計(jì)算，奧氏體化時(shí)間3h，回火時(shí)間按4h。淬火冷卻介質(zhì)選擇：為達(dá)到高硬度、淬硬層深度和沖擊性能要求，水淬是最佳選擇，并可以采用較高的回火溫度，工件韌性也可以得到提高。同時(shí)水作為淬火冷卻介質(zhì)，由于和淬火油相比環(huán)保且經(jīng)濟(jì)，越來越受到熱處理行業(yè)的推崇。

（4）熱處理加熱設(shè)備 臺(tái)車式電阻爐。

圖1 正火工藝曲線圖

圖2 淬火工藝曲線圖

圖3 回火工藝曲線圖

圖4 淬火裝爐圖

圖 5

3. 熱處理生產(chǎn)實(shí)施

正火工藝曲線如圖1所示。調(diào)質(zhì)工藝中的淬火曲線如圖2所示，回火工藝曲線如圖3所示，采用專門的淬火料盤工裝進(jìn)行起吊和淬火。

按照?qǐng)D4的方式裝爐，利用橋式起重機(jī)起吊淬火，為保證淬火效果，工件出爐至入水需控制在35～40s。淬火水溫為20～30℃，利用水泵進(jìn)行水循環(huán)控制，工件入水后為快速打破蒸汽膜需上下晃動(dòng)1min左右。為保證淬火后的表面馬氏體含量≥90%，淬火時(shí)間約8min（冷卻時(shí)間按淬火水槽大小及終冷溫度調(diào)整），實(shí)測終冷溫度控制在100～150℃。

樣品調(diào)質(zhì)后進(jìn)行無損檢測發(fā)現(xiàn)表面裂紋，具體部位和裂紋形態(tài)如圖5所示。

4. 分析

（1）裂紋分析 因?yàn)榱慵诖慊疬^程中，外表和心部的冷卻速度不一樣，因而形成馬氏體的先后也不一樣。當(dāng)零件外表先形成馬氏體后，便給尚處于奧氏體狀況的心部以拉力，這時(shí)因?yàn)閵W氏體的塑性很好，此應(yīng)力能夠經(jīng)過奧氏體的塑性變形而被松弛。可是，當(dāng)這部分奧氏體冷卻下來向馬氏體改變時(shí)，因?yàn)橄绕谛纬傻鸟R氏體硬度高、脆性大、塑性極小，故后形成的馬氏體部分對(duì)它產(chǎn)生的拉應(yīng)力增大。一旦超越材料的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)引起開裂。即便這種拉應(yīng)力沒有超越資料的抗拉強(qiáng)度，但因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的缺陷而使強(qiáng)度下降，也會(huì)引起開裂。這就是引起淬火開裂的物理機(jī)理。

零件形狀不合理或截面過渡區(qū)厚薄相差較大，在淬火時(shí)均易因應(yīng)力集而產(chǎn)生裂紋，若零件的鑄造流線散布不良，也可能在淬火時(shí)產(chǎn)生淬裂缺陷。如圖6所示，淬火裂紋產(chǎn)生在截面變差最大處，此部位應(yīng)力集中。

（2）裂紋部位金相照片 如圖7所示，組織為98%索氏體+2%貝氏體。由圖7、圖8可見，淬火后金相組織比較均勻，淬火效果良好，組織轉(zhuǎn)變充分。但由于淬冷烈度較大，在工件薄弱處形成裂紋。因此解決方案需考慮適當(dāng)降低淬冷烈度以保證淬火效果的前提下，減弱裂紋傾向。

5. 改善措施

（1）淬火水溫及淬火過程調(diào)整 經(jīng)多次利用殘件驗(yàn)證，選擇比較適中的淬火參數(shù)進(jìn)行調(diào)整確定的淬火工藝過程如下：

首先，將水溫調(diào)整至室溫以上，30～38℃，在保證淬火效果的同時(shí)滿足表面金相的要求。

然后，淬火時(shí)間縮為原來的一半（4min），采用間歇式淬火過程，入水后2min進(jìn)行出水緩冷1min，工件表面溫度用手持測溫儀進(jìn)行監(jiān)控，工件表面溫度返回至350℃左右，重新入水冷卻2min，從而減緩淬火過程中截面差較大引起的溫度差和應(yīng)力集中情況。

（2）樣品金相及力學(xué)性能檢驗(yàn) 如圖9所示，金相檢測為90%索氏體+10%貝氏體，淬冷烈度降低后，工件表面金相組織依然可以滿足要求。

如表3所示，經(jīng)工藝改進(jìn)后，產(chǎn)品力學(xué)性能中強(qiáng)度指標(biāo)和沖擊吸收能量均較高，產(chǎn)品進(jìn)入正式生產(chǎn)，經(jīng)大量生產(chǎn)實(shí)踐未見裂紋出現(xiàn)，此種裂紋缺陷得到了有效控制，且力學(xué)性能滿足客戶檢驗(yàn)要求和供貨要求。

圖6 裂紋部位剖面

圖7 表面金相（500×）

圖8 裂紋源金相（500×）

圖9 表面金相（500×）

表3 力學(xué)性能實(shí)測結(jié)果

6. 結(jié)語

合金鑄鋼件由于熔煉過程中不可避免地存在一些夾雜物及有害雜質(zhì)，會(huì)有局部的性能薄弱部位，在淬火時(shí)達(dá)到抗拉強(qiáng)度后發(fā)生斷裂現(xiàn)象。特別是高合金和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件表現(xiàn)的明顯，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中時(shí)有發(fā)生。為保證產(chǎn)品性能要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整淬冷烈度，采用不同的參數(shù)配比達(dá)到性能要求的同時(shí)，減小產(chǎn)品變形開裂的風(fēng)險(xiǎn)，一直是熱處理工藝人員需要攻克的難題。本文對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中常遇到的問題進(jìn)行分析，并對(duì)工藝改進(jìn)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，旨在為相類似的產(chǎn)品生產(chǎn)提供可借鑒的解決方案。