球窩工件感應淬火裂紋原因分析

王孟，王忠，馮顯磊，謝玲珍

球窩結構在大型工程機械設備中得到廣泛的應用，尤其是在推土機工作裝置鏟刀中使用較多，由于在工作過程中存在較大應力、沖擊等，需要球窩工件具有較高的耐磨性、抗疲勞強度來提高使用壽命，這就需要合理的熱處理工藝來滿足上述要求，常用的熱處理工藝為感應熱處理。我公司生產的球窩工件近期出現批量淬火裂紋現象，帶來較大的損失，本文針對本次裂紋的原因進行探討。

1.球窩裂紋件概況

工件為托架，材料為ZG35SiMn，R50mm球窩處要求感應淬火，硬化層深度為2.5～4.5mm，表面硬度為52～60HRC，托架的結構如圖1所示。該件經感應熱處理后，超聲波檢測發現批量淬火裂紋現象，裂紋形態如圖2所示。

該托架的主要工藝過程為：鑄造→正火→粗車→精車→感應淬火→回火。感應加熱采用集中加熱方式，感應器結構如圖3所示。電流為220A，電壓為300V，功率為66kW，頻率為12kHz，加熱時間20s，淬火方式為直接在工件上方噴淋自來水（20～40℃）。

2.原因分析

圖1 零件示意

圖2 感應淬火裂紋

圖3 托架感應淬火感應器示意

針對本批次裂紋工件，從3方面查找裂紋原因：工藝參數、原材料檢驗、裂紋工件剖檢。

（1）工藝參數 首先我們查看該批次托架淬火工序及前工序工藝參數記錄，并對機床進行檢測，結果顯示無任何異常。其次跟蹤該件感應熱處理生產過程，發現該件在感應熱處理時由于無合適的工裝，無法實現旋轉加熱，造成局部加熱不均現象嚴重，淬火時內應力較大，此為造成裂紋的原因之一。

（2）原材料檢驗 該件的化學成分如附表所示，滿足ZG35SiMn化學成分要求。

從該件化學成分分析中可以看出含有微量的B元素，國內外資料顯示，B元素可提高淬透性，且極小的量就有明顯的提高淬透性的作用。我公司生產的該件選用生產鏈軌節（35CrMoB）邊角料作為鑄鋼原料之一，該材料屬于硼鋼，不可避免地含有B元素，促使該件淬透性提高，造成開裂傾向增大。剖檢結果顯示硬化層深度達到6mm，超出硬化層深度要求范圍。又由于該材料本身的DI較高，使用淬火能力很強的水作為淬火冷卻介質也是使該件出現裂紋的原因之一。

（3）裂紋剖檢 我們剖切裂紋工件，對工件進行檢測，表面主要檢測結果如下：有效硬化層深度為6mm，表面硬度為54～55HRC，馬氏體級別4～5級，晶粒度9級，硬化層深度過深（硬化層組織見圖4）。

心部檢測結果如下：心部硬度為163HBW，晶粒度為6級，組織為珠光體和鐵素體，鑄態組織未完全消除，心部金相組織見圖5。從金相分析結果顯示該件正火不充分，存在鑄態組織，組織不合格也是造成本次裂紋的原因之一。

針對裂紋區域進行深入的分析，經研究發現裂紋區域存在縮孔、縮松等鑄造缺陷（見圖6），裂紋不是從球窩表面開始，而是由內部疏松開始引起。由此判斷此次鑄造缺陷是造成淬火裂紋的直接原因。

3.改進措施

通過以上分析找到造成裂紋的幾種原因，針對上述原因采用以下方案：

（1）設計專用的旋轉工裝（見圖7），使該件在加熱時可以旋轉，加熱更為均勻，減小淬火時內應力，從而減小裂紋傾向。

（2）使用5%～7%AQ251代替水作為淬火冷卻介質。

（3）改善該件鑄造工藝，在球窩位置處增加一個補縮冒口，并將原定正火保溫時間由2h延長至3h，后經剖檢鑄造縮松現象消除。另外，不再使用硼鋼下角料作為鑄造原料。

ZG35SiMn化學成分（質量分數） （%）

圖4 硬化層組織

圖5 工件心部組織

圖6 工件縮松

圖7 設計專用旋轉工作

4.結語

通過以上三項措施，我們跟蹤4批次200多件球窩件感應淬火過程，無損檢測結果顯示，無任何裂紋產生。剖檢結果顯示有效硬化層深度為3～4mm，表面硬度為54～58HRC，馬氏體級別4～5級，晶粒度8～9級。心部硬度為170HBW，晶粒度為6級，組織為珠光體和鐵素體，均滿足要求。20140514