合金鑄鋼件淬火裂紋分析及工藝改進

■ 李云亭，王金標，楊 敏

國外某環球煤機公司向我公司訂購的特殊結構的箱體為合金鑄鋼產品，其結構復雜、截面變差大、加工精度高，因此鑄造、熱處理及機加工制造過程控制難度較大，且熱處理后力學性能要求較高的強度的同時還要保證較高的沖擊吸收能量指標。該產品結構復雜、薄厚不均、淬火過程極易產生裂紋。

表1 化學成分（質量分數） （%）

表2 力學性能

1. 產品信息及樣件交貨要求

產品單重279.5kg，其外形輪廓尺寸：580mm×645mm×762mm。產品材料化學成分如表1所示，力學性能如表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（驗證模具尺寸）→正火→精修、補焊→檢驗（外觀、MT、UT）→熱處理（調質）→精修、檢驗（外觀，MT）→機加工→劃線（全尺寸報告）→整理報告→樣品提交。

2. 熱處理工藝參數的確定

（1）奧氏體化溫度的確定 根據客戶規定的化學成分要求，按成分中上限計算出其Ac3溫度，實際生產中鑄鋼件熱處理奧氏體化溫度是在Ac3溫度上增加50℃左右，該產品完全奧氏體化溫度實際為870℃。

（2）正火溫度的確定 根據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）調質工藝參數 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℃。加熱保溫時間：按截面最大厚度150mm計算，奧氏體化時間3h，回火時間按4h。淬火冷卻介質選擇：為達到高硬度、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。同時水作為淬火冷卻介質，由于和淬火油相比環保且經濟，越來越受到熱處理行業的推崇。

（4）熱處理加熱設備 臺車式電阻爐。

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. 熱處理生產實施

正火工藝曲線如圖1所示。調質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行起吊和淬火。

按照圖4的方式裝爐，利用橋式起重機起吊淬火，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℃，利用水泵進行水循環控制，工件入水后為快速打破蒸汽膜需上下晃動1min左右。為保證淬火后的表面馬氏體含量≥90%，淬火時間約8min（冷卻時間按淬火水槽大小及終冷溫度調整），實測終冷溫度控制在100～150℃。

樣品調質后進行無損檢測發現表面裂紋，具體部位和裂紋形態如圖5所示。

4. 分析

（1）裂紋分析 因為零件在淬火過程中，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，這時因為奧氏體的塑性很好，此應力能夠經過奧氏體的塑性變形而被松弛。可是，當這部分奧氏體冷卻下來向馬氏體改變時，因為先期形成的馬氏體硬度高、脆性大、塑性極小，故后形成的馬氏體部分對它產生的拉應力增大。一旦超越材料的抗拉強度，就會引起開裂。即便這種拉應力沒有超越資料的抗拉強度，但因為材料內部的缺陷而使強度下降，也會引起開裂。這就是引起淬火開裂的物理機理。

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

（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整 經多次利用殘件驗證，選擇比較適中的淬火參數進行調整確定的淬火工藝過程如下：

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

然后，淬火時間縮為原來的一半（4min），采用間歇式淬火過程，入水后2min進行出水緩冷1min，工件表面溫度用手持測溫儀進行監控，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力集中情況。

（2）樣品金相及力學性能檢驗 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，經工藝改進后，產品力學性能中強度指標和沖擊吸收能量均較高，產品進入正式生產，經大量生產實踐未見裂紋出現，此種裂紋缺陷得到了有效控制，且力學性能滿足客戶檢驗要求和供貨要求。

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 力學性能實測結果

6. 結語

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，會有局部的性能薄弱部位，在淬火時達到抗拉強度后發生斷裂現象。特別是高合金和結構復雜的工件表現的明顯，在現實生產中時有發生。為保證產品性能要求的基礎上適當調整淬冷烈度，采用不同的參數配比達到性能要求的同時，減小產品變形開裂的風險，一直是熱處理工藝人員需要攻克的難題。本文對實際生產中常遇到的問題進行分析，并對工藝改進方法進行了詳細介紹，旨在為相類似的產品生產提供可借鑒的解決方案。