礦用壓板淬火裂紋產(chǎn)生原因及改進方法

張勇，孫永鵬，米佩，劉瑩

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

壓板是刮板輸送機的關鍵零件，在使用過程中與刮板、螺栓、鏈條組成刮板鏈，在動力部帶動下，煤炭向地面運輸。壓板長期運行在井下的惡劣環(huán)境中，隨著使用時間的延長，與牽引鏈條嚙合的部位會出現(xiàn)疲勞磨損[1]，最終導致失效[2]。為提高壓板強度，對壓板一般采用整體調質處理。壓板的生產(chǎn)工藝流程為：鍛造→鉆孔→調質→噴丸。壓板結構如圖1所示，材料選用40Mn2鋼，熱處理采用水作為淬火冷卻介質。在實際生產(chǎn)中，因更換設備空冷器裝置后，壓板調質時出現(xiàn)孔部位不同程度開裂情況，裂紋如圖2所示。裂紋主要沿軸線方向，同一孔中裂紋有單條，也有多條，主要發(fā)生在薄壁處。對孔開裂情況進行統(tǒng)計，其中兩邊孔開裂比例占50%，中間孔開裂的比例占20%，中間和兩邊均有裂紋的占30%，且裂紋深淺不一，最深裂紋深度達到5mm。本文將從原材料、壓板結構、熱處理工藝等方面對淬火開裂原因進行分析并提出了解決 方案。

圖1 壓板調質前結構形貌

圖2 壓板調質后裂紋形貌

2 壓板調質淬火開裂原因分析

2.1 淬火工藝及設備

本批次開裂壓板調質設備使用連續(xù)鏈板式調質生產(chǎn)線，通過控制加熱區(qū)、淬火區(qū)、回火區(qū)鏈板移動速度來實現(xiàn)控制保溫時間和冷卻時間，壓板淬火時采用單件入水淬火方式，淬火時采用空冷裝置對水溫進行控制，更換空冷器前后壓板調質工藝參數(shù)及開裂情況見表1。

從表1工藝參數(shù)對比可看出，調質工藝參數(shù)最大的區(qū)別是冷卻水溫不同，在未更換空冷器之前，因原空冷器使用時間較長，水溫控制精度低，壓板實際冷卻水溫一般控制在45～50℃，而在更換為新的空冷器后，冷卻能力提升，使冷卻水溫基本可控制在25～30℃，說明開裂和淬火冷卻介質溫度有關。從表1還可看出，淬火冷卻介質溫度變化達到20℃時就會產(chǎn)生壓板淬火開裂，說明原工藝防止淬火裂紋的安全系數(shù)已經(jīng)很小了，淬火工件已處于開裂邊緣，需要對引起淬火開裂的因素做進一步分析，提高防止淬火裂紋的安全系數(shù)。

表1 壓板調質工藝參數(shù)對比

2.2 原材料成分

對開裂壓板進行化學成分分析，共抽取3件，編號為1#、2#、3#，結果見表2。從表2可看出，材料成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》要求，但C元素偏上限。40Mn2鋼的強度、塑性和耐磨性較高，有過熱敏感性、高溫回火脆性，且淬火時易開裂，是一種淬透性較高的鋼，錳具有降低鋼的Ar1溫度，增加鋼的淬透性能力，由于wMn在1.00%左右，回火過程中具有二次硬化現(xiàn)象，因此冷卻過程中應避開二次硬化區(qū)間[3]。

表2 開裂壓板的化學成分（質量分數(shù)） （%）

2.3 裂紋顯微組織結構與分析

對裂紋部位縱切面切片，觀察裂紋兩側非金屬夾雜物情況，未發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜缺陷。采用4%硝酸溶液進行腐蝕，圖3所示為裂紋起始端，圖4所示為裂紋末端，圖5所示為裂紋部位氧化脫碳情況。

壓板裂紋發(fā)生在孔部位（見圖2），呈現(xiàn)軸向性，從圖3、圖4可看出，裂紋為典型的縱向淬火裂紋，且沿裂紋兩側存在明顯的氧化（見圖5），說明裂紋產(chǎn)生在淬火階段，后經(jīng)570℃高溫回火時導致裂紋兩側出現(xiàn)氧化。通常鋼鐵工件的回火溫度低于570℃時，工件表面只發(fā)生氧化，不會產(chǎn)生脫碳，但回火溫度高于570℃時，工件表面不只是發(fā)生氧化，還會發(fā)生脫碳。對開裂部位在低倍顯微鏡下進行觀察，材料有明顯的帶狀組織分布，如圖6所示。帶狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，對于需要后續(xù)熱處理的零件，帶狀組織輕則會導致熱變形過大，重則會造成應力集中，甚至出現(xiàn)裂紋。

圖3 壓板裂紋起始端

圖4 壓板裂紋末端

圖5 裂紋部位氧化脫碳情況

圖6 壓板帶狀組織

筆者認為，在壓板淬火開裂過程中，帶狀組織的存在會加劇孔部位的開裂。

2.4 壓板結構對裂紋的影響

工件結構形狀是影響淬火裂紋的重要因素之一。對現(xiàn)場壓板開裂部位進行統(tǒng)計，90%的裂紋發(fā)生在孔部位，10%裂紋由于鍛造缺陷造成。對壓板結構進行分析，孔與其他部位存在明顯的薄厚不一致現(xiàn)象，在淬火冷卻過程中，工件薄弱部位全部淬透，工件的中心和表面都得到馬氏體組織，內(nèi)外硬度相近，但工件表面和中心的組織轉變過程不是同時進行的，由于表面冷卻速度快，先發(fā)生馬氏體轉變，待表層馬氏體轉變完成時，次表層和心部才開始馬氏體轉變。由于馬氏體比容大，最終形成的組織應力在表面形成拉應力，心部形成壓應力，當組織應力超過材料的強度極限時便導致裂紋的產(chǎn)生。

3 壓板調質工藝改進措施

通過分析，認為壓板開裂原因可能與熱處理工藝不當、壓板結構及工件存在帶狀組織有關，針對這些因素，通過以下改進措施進行驗證。

3.1 加強壓板原材料成分及鍛造質量控制

加強原材料成分控制及檢測工作，避免出現(xiàn)碳含量及合金元素超過標準情況，針對試驗的壓板，跟蹤鍛造及鍛后正火處理工序，避免因熱加工溫度不當引起的帶狀組織。

3.2 優(yōu)化調質處理工藝

在不改變壓板工藝流程的情況下（調質前先鉆孔），主要從以下兩方面來改進淬火工藝。

1）對壓板采用預冷淬火工藝。實際生產(chǎn)中采用連續(xù)調質生產(chǎn)線進行調質處理，原工藝中采用的淬火溫度為810℃，分3區(qū)控溫，1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)溫度都設置為810℃。改進后的工藝1區(qū)、2區(qū)淬火溫度設置為820℃，3區(qū)溫度（淬火出口區(qū)）設置為790℃，相當于在出爐時對孔部位進行預冷處理，預冷淬火可有效減少淬火開裂。

2）降低淬火冷卻階段的冷卻強度。淬火裂紋的產(chǎn)生一般發(fā)生在淬火冷卻階段[4]，即馬氏體轉變基本結束后或完全冷卻后，因工件表面的拉應力超過鋼的斷裂強度而引起的開裂。對比分析空冷器更換前后壓板的開裂情況及后續(xù)對材料、淬火裂紋形態(tài)的分析，壓板淬火開裂的本質原因是淬火后期即馬氏體轉變區(qū)冷卻速度過快造成的。因此，在淬火時要減緩冷卻速度，考慮過高的淬火冷卻介質溫度會影響工件的淬硬層深度，降低工件的力學性能，權衡工件的淬火開裂和力學性能，控制淬火冷卻介質溫度至40～45℃。同時，在淬火后期，控制壓板淬火后孔部位的最終返熱溫度，一般返熱溫度控制在200～250℃。

采用上述兩種方法對壓板調質工藝進行了改進，隨機抽取鍛造后100件壓板進行小批量試驗，未發(fā)生孔部位開裂情況，說明改進措施有效。

3.3 優(yōu)化壓板生產(chǎn)流程

為了驗證壓板結構對開裂的影響，隨機抽取鍛造后100件改為先調質后鉆孔工藝，其中50件采用空冷器未更換前工藝參數(shù)，50件采用空冷器更換后工藝參數(shù)（見表1），對100件調質處理后的壓板進行裂紋檢查，未出現(xiàn)淬火開裂情況，說明壓板采用調質后再鉆孔處理，能夠有效地解決孔部位開裂問題，極大地提高了壓板防裂的安全系數(shù)。

4 結束語

通過對壓板淬火工藝過程、設備、材料、結構等方面進行綜合分析，筆者認為，造成壓板開裂的原因如下。

1）壓板淬火冷卻介質溫度過低是造成在孔部位開裂的因素。

2）壓板開裂比例較大，與本批次材料成分碳含量偏上限有一定的關系。針對水淬產(chǎn)品，嚴格控制材料成分，能很大程度降低淬火開裂風險。

3）在加工成本可控的情況下，針對40Mn2鋼材料、壓板結構壁厚不均的情況，優(yōu)化壓板生產(chǎn)流程，由原來的調質前先鉆孔改為調質后再鉆孔，可提高防止淬裂的安全系數(shù)。