預熱溫度對履帶用260節距銷軸感應淬火裂紋率的影響

山推工程機械股份有限公司 （山東濟寧 272073） 張 坤

工程機械履帶用銷軸起著將鏈軌節連接在一起的作用，在服役中承受強烈剪切、沖擊、彎曲和扭轉作用，同時受到摩擦。為保證銷軸具有良好的綜合性能，需要進行表面硬化，同時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節距銷軸其直徑為57.2mm，感應電流透入深度有限且熱量在短時間內無法通過熱傳導大量傳入心部，從而不能使心部也達到相變溫度。因此，為提高心部硬度還需預熱后進行最終感應加熱，然后進行進給噴液式淬火。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力相差過大而引起裂紋。

1. 試驗方案及結果

本文中的260節距銷軸心部硬度要求為22～38HRC，表面硬度52～62HRC，其結構如圖1所示。根據硬化層深的選擇以及考慮硬化層深與疲勞強度之間的關系，確定本文中的銷軸硬化層深為5～12mm。

圖1 銷軸

銷軸材料化學成分技術要求及實測值見表1。

表1 試驗用材料的化學成分（質量分數） （%）

試驗分6組，分別在不同的預熱溫度和相同的淬火溫度下進行淬火，然后對各組銷軸進行剖切，以45HRC為界在軸中部測量其硬化層深，同時測量其心部硬度。對試驗件進行磁粉無損檢測，各組試驗的試驗數據及無損檢測結果見表2、表3。

表2 銷軸不同預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狀裂紋，裂紋萌生于端面，然后擴展至軸身，從而造成軸脫肩。試驗過程中，軸淬火完畢出淬火冷卻介質后就已經發現端部裂紋，且裂紋均是出現在后出淬火冷卻介質端。

圖2 履帶銷軸裂紋形態

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

圖3 第三組試驗三個試樣的截面硬度

軸端部硬化層比軸中部硬化層深，出現這種現象的原因主要有兩方面：

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

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

以上兩方面的原因使得軸淬火時溫度不均勻，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，預熱溫度越高其裂紋率越低。當預熱溫度達到700℃時其裂紋率降低到0，預熱溫度低于700℃會有裂紋件出現，且隨著預熱溫度的降低裂紋率會升高。

圖4 預熱溫度與裂紋率的關系

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

對大節距銷軸來說，預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系，比值越大其裂紋率越低。當硬化層深和心部硬度的比值大于0.46時，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系

3. 結語

（1）預熱溫度是決定260節距銷軸是否出現裂紋的關鍵因素。裂紋率和預熱溫度成反比，當預熱溫度≥700℃時裂紋率為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，裂紋率為0。