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        車輪感應(yīng)淬火開裂分析及改善

        2021-03-01 07:52:52
        金屬加工(熱加工) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:環(huán)槽外圓圓角

        常州寶菱重工機械有限公司 江蘇常州 213019

        1 序言

        2019年,常州寶菱重工機械有限公司生產(chǎn)的一批42CrMo鋼車輪,共152件,在成品MT檢測過程中發(fā)現(xiàn)79件出現(xiàn)開裂,開裂位置主要為小外圓端面寬度55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)根部圓角處、沿減重孔孔口處和大外圓臺階根部圓角處。為查找開裂原因,對開裂車輪進行理化檢測及分析。

        2 產(chǎn)品信息

        車輪材質(zhì)為42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,圖樣設(shè)計φ350mm外圓及踏邊感應(yīng)淬火處理,硬度55~61HRC,淬硬層深度2~4mm,車輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 車輪結(jié)構(gòu)

        車輪生產(chǎn)工藝流程:毛坯鍛造→粗加工(UT檢測)→調(diào)質(zhì)→半精加工(MT檢測)→淬火→精加工(MT檢測)。車輪淬火采用正火圈感應(yīng)加熱方式,待淬火表面加熱至淬火溫度且均勻后,整體浸入AQ251水溶性有機淬火液中,進行快速冷卻,達(dá)到表面淬火目的。

        3 理化檢驗

        3.1 宏觀檢測

        車輪感應(yīng)淬火后,在三個部位出現(xiàn)了裂紋,寬度55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)底部圓角處裂紋形貌如圖2所示;沿減重孔孔口位置裂紋并向外延伸,部分裂紋已延伸至外圓表面,如圖3所示;外圓臺階根部圓角處裂紋并環(huán)向延伸,如圖4所示。

        圖2 55mm環(huán)槽靠近外圓側(cè)底部圓角處裂紋

        圖3 沿減重孔孔口位置裂紋

        圖4 外圓臺階根部圓角處裂紋

        3.2 化學(xué)成分分析

        對開裂車輪取樣后進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。對比GB/T 6396—2006《大型合金鋼鍛件 技術(shù)條件》[1]中對42CrMo鋼的化學(xué)成分要求,符合標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 42CrMo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        3.3 硬度分布檢測

        在車輪開裂位置截面取樣進行硬度分布檢測,如圖5所示。從圖中可以看出,車輪外圓及踏邊均已被淬硬,淬硬層較深且已經(jīng)到達(dá)寬度55mm環(huán)槽部位。分別沿A、B、C、D4個位置或方向進行硬度檢測,圖中陰影淬硬部分硬度基本在50HRC以上,淬硬層深度9mm以上,外圓臺階根部硬度稍低,在40HRC左右。

        圖5 截面淬硬層深度

        3.4 金相檢測

        在車輪開裂位置取樣進行金相檢測。裂紋兩側(cè)組織與其他部位基本一致,組織為回火細(xì)針、針狀馬氏體+少量殘留奧氏體,如圖6所示。此裂紋屬典型的淬火裂紋,金相為正常淬火+低溫回火組織[2]?;w組織存在明顯偏析現(xiàn)象,組織為回火索氏體+鐵素體,如圖7所示。

        圖6 裂紋兩側(cè)組織

        圖7 基體組織

        3.5 淬火冷卻介質(zhì)冷卻特性檢測

        車輪表面淬火冷卻介質(zhì)采用的是AQ251水溶性有機淬火液,對其進行淬火冷卻特性檢測,結(jié)果見表2。

        表2 AQ251水溶性有機淬火液淬火冷卻特性

        3.6 應(yīng)力檢測

        對淬火后的車輪外圓及環(huán)槽近外圓表面進行應(yīng)力檢測,結(jié)果表明,車輪淬火+低溫回火后應(yīng)力高達(dá)600~1000MPa。放置兩個月后重新進行應(yīng)力檢測,結(jié)果為100~500MPa,應(yīng)力明顯減小。

        4 分析與討論

        1)車輪熱處理方式為正火圈感應(yīng)淬火,為使外圓及踏邊達(dá)到淬火溫度,加熱時間約5min,加熱時間較長,透熱深度較深。內(nèi)孔環(huán)槽及減重孔在半精加工時已加工好,致使外圓部位較薄,淬火透熱深度又剛好至此環(huán)槽底部,孔口為銳角,處于應(yīng)力集中位置,車輪淬火應(yīng)力大,致使工件開裂。

        2)車輪感應(yīng)淬火過程中,外圓臺階根部由于基體吸熱原因,致使此部位溫度較其他地方低,淬火后硬度明顯低于正常淬火硬度,硬度偏差產(chǎn)生較大組織及熱應(yīng)力,車輪在此部位產(chǎn)生了開裂。

        3)AQ251水溶性有機淬火液實際檢測濃度僅為10%,低于實際折光儀讀數(shù)計算濃度23.8%,300℃冷卻速度為55.69℃/s,冷卻速度較快,此溫度正好處于42CrMo鋼淬火馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)[3],較快的感應(yīng)淬火冷卻速度加快了馬氏體組織轉(zhuǎn)變,形成較大的淬火組織應(yīng)力,引起工件開裂。AQ251水溶性有機淬火液長期使用后出現(xiàn)老化,不能再簡單通過折光儀讀數(shù)計算其實際濃度。

        4)車輪感應(yīng)淬火后低溫回火溫度僅150℃,回火溫度較低,淬火后應(yīng)力未能得到消除,檢測結(jié)果顯示應(yīng)力高達(dá)600~1000MPa,部分位置已高于基體強度,從而引起工件開裂,長時間放置后應(yīng)力逐漸釋放,下降明顯。

        5 改善措施

        1)更改車輪感應(yīng)淬火前的加工方式,將內(nèi)孔環(huán)槽及減重孔放于車輪感應(yīng)淬火之后的精加工工序,增加淬火外圓處有效尺寸,可避免減重孔口銳角,減少淬火開裂傾向。

        2)在感應(yīng)淬火過程中嚴(yán)格控制淬火溫度,遵循迅速到溫,低功率保溫,促使加熱區(qū)溫度均勻的原則,減少淬火面因淬火應(yīng)力差異而導(dǎo)致的開裂。

        3)在AQ251水溶性有機淬火液中加入新液或重新配制,定期進行淬火液冷卻特性檢測,濃度控制在20%左右,300℃冷卻速度控制在45℃/s左右,以減少因淬火冷卻速度過快而引起的開裂。

        4)適當(dāng)提高回火溫度至200℃,延長回火保溫時間,盡可能地消除淬火后的應(yīng)力,避免工件開裂。

        6 結(jié)束語

        通過以上改善措施,對后續(xù)補制的車輪進行感應(yīng)淬火生產(chǎn),未出現(xiàn)淬火開裂現(xiàn)象,使車輪淬火開裂問題得到了有效控制,產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性得到了提升。

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