合金鑄鋼履帶板感應淬火裂紋缺陷分析與改善措施

周 璐，杜 波，代保華

（中設集團裝備制造有限責任公司，北京 100055）

1 履帶板感應淬火后裂紋原因分析

某礦用液壓挖掘機如圖1 所示，為了應用于嚴酷工況的鐵礦、煤礦等礦山，其底盤履帶板采用合金高強鋼鑄件，鑄件結構如圖2 所示，履帶板銷孔內表面及滾道面區域都需要感應加熱表面淬火，使之具有高的硬度及耐磨性。

圖1 礦山液壓鏟

圖2 感應淬火履帶板

感應加熱表面淬火是利用電磁感應的原理，使零件在交變磁場中切割磁力線，在表面產生感應電流，又根據交流電的集膚效應，以渦流形式將零件表面快速加熱，而后急冷的淬火方法。根據感應加熱表面淬火的使用頻率不同，可以分為超高頻（27 MHz）、高頻（200 kHz～250 kHz）、中頻（2 500 Hz～8 000 Hz）和工頻（50 Hz）.由于電流頻率不同，加熱時感應電流投入深度不同。本履帶板感應淬火設計使用中頻感應加熱，感應電流投入深度即淬硬層約5 mm～10 mm.感應淬火后零件表面的硬度高（可達到50 HRC），心部保持較好的塑性和韌性，呈現低的缺口敏感性，故沖擊韌性、疲勞強度和耐磨性等有很大的提高。

但是感應淬火對鑄鋼件的致密度要求極高，履帶板的銷孔內部及表面易存在縮松、砂眼、非金屬夾雜物缺陷，這些缺陷就會成為裂紋源，感應淬火后極易產生裂紋，典型的裂紋情況見圖3.

圖3 典型的銷孔內感應淬火裂紋

2 感應淬火裂紋可焊性的分析

鑄鋼件通常采用打磨或者補焊的方式進行返修。因本產品不允許存在凹凸不平，考慮采用焊接方法進行修補。修補前，需要對此鑄鋼件的可焊接性進行評估。鑄鋼件的焊接性是指鑄鋼適應常用的焊接方法和焊接工藝的性能。焊接性包括兩方面：第一是指焊接時鑄鋼件形成完整補焊區的能力；第二是已形成的補焊區在使用條件下的運行能力。焊接的難易程度主要取決于其化學成分、缺陷性質、熱處理和加工狀態這四個方面。

2.1 化學成分

鋼中各元素對焊接性影響采用碳當量Ceq 表示：

資料指出[1]，一般情況下Ceq 不超過0.4%時焊接性良好；超過0.45%時，焊接性降低，隨著含碳量和合金元素的增加，鑄鋼件的焊接性降低。本產品為鎳鉻鉬鋼，其碳當量Ceq 介于0.75～0.90 之間，焊接性差.

2.2 缺陷性質

本產品缺陷為裂紋，用焊接的方式修補裂紋相對較易，修補后配合MT 或PT 可確認缺陷是否徹底消除干凈，焊接性較好。

2.3 熱處理狀態

基材調質+表面感應淬火時，表面硬度很高，致使焊接在快速冷卻時很容易得到對冷裂紋很敏感的淬硬組織，導致開裂，焊接性極差。

2.4 加工狀態

銷孔內為加工狀態，不過其精度要求較低，焊接后可通過打磨拋光的方式滿足其要求，焊接性較好。

綜上評估，本產品的焊接性很差，特別是受到感應淬火表面高硬度的影響。

3 補焊工藝

現采用退火熱處理方式，將鑄鋼件加熱到一定溫度（低于其調質回火溫度30 ℃）并保溫一段時間，然后隨爐緩慢冷卻。退火的目的是降低硬度，消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力。退火后，對裂紋進行消缺，并用PT 確認是否完全去除干凈（見圖4）.然后對補焊區域及周邊（整個銷耳）進行局部加熱，預熱溫度≥250 ℃，采用J757Ni 焊條進行焊接（見圖5），焊接過程中始終保持溫度不低于250 ℃，層間溫度不高于350 ℃，焊后保溫棉保溫并進爐去應力回火處理，保溫溫度為低于調質回火溫度30 ℃，保溫時間4 h.

圖4 典型的銷孔內裂紋消除后狀態

圖5 典型的銷孔內焊后狀態

4 補焊后再次感應淬火試驗與結果分析

補焊MT 合格后對履帶板再次進行感應淬火，采用中頻5 000 HZ，未見裂紋。對滾道面及銷孔內補焊區域進行解剖取樣，如圖6 和7.本體的機械性能檢測結果見表1，全部符合要求。

圖6 本體取樣位置

圖7 拉伸試樣及沖擊試樣取樣

表1 機械性能檢測結果

進行宏觀腐蝕試驗及淬硬層硬度測試，如圖8和圖9，淬硬層深度及硬度測試結果見表2.對焊接區、母材區、熱影響區在感應淬火后的金相觀察結果如圖10～圖12 所示。

表2 淬硬層深度及硬度測試結果

圖8 宏淬硬層硬度測試

圖9 宏觀腐蝕

圖10 焊接區組織（回火馬氏體）

圖11 母材區組織（回火馬氏體）

圖12 熱影響區組織（回火馬氏體）

結果表明：焊接區、母材區和熱影響區，其主要金相組織均為回火馬氏體，其機械性能和硬度結果均滿足產品要求。焊接效果良好，未發生再次開裂。焊接方案可行有效。

5 履帶板的鑄造工藝改進

對履帶板銷耳區域進行UT 探傷可發現內部有縮松，銷孔精加工后也會暴露砂眼缺陷，這些缺陷都是感應淬火裂紋產生的源頭。

利用MAGMA 和FLOW-3D 等模擬軟件，結合實際生產經驗，最終確定鑄造工藝修訂方案為：

1）銷控內加工余量再增加5 mm，保證表面缺陷在調質前得以加工去除；

2）加大銷耳上方冒口，如圖13 所示，四處小冒口由φ120 加大到φ150，兩處大冒口由φ250 加大到φ300，強化補縮。

圖13 冒口補縮改進

UT 和VT 檢驗結果證明，鑄造工藝修訂方案明顯降低了銷孔內缺陷的比例，改進后銷孔內仍存在缺陷的產品占比不足3%，大約降低10%～15%，且缺陷的尺寸明顯降低，極大地增強了后續焊修工作的可行性。改進前后典型銷孔質量狀況如圖14～圖17 所示。

圖14 改進前UT 檢測到的內部的縮松

圖15 改進前銷孔內暴露的砂眼缺陷

圖16 改進后UT 無缺陷波顯示

圖17 改進后銷孔內無肉眼可見的砂眼等缺陷

6 結論

1）采用退火可將履帶板感應淬火區域硬度明顯降低，按照規定的特殊焊接工藝可成功補焊因感應淬火而產生的裂紋，零件再次感應淬火后，補焊區域及本體淬硬層滿足使用要求；

2）通過調整鑄造工藝，可明顯降低銷孔內砂眼及縮松的產生；

3）通過特殊的補焊工藝及鑄造工藝調整，感應淬火履帶板報廢率由10%降低到了1.5%.