作者：刘美娜，等
单位：山推工程机械股份有限公司履带底盘分公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
挖掘机与推土机上的支重轮的作用不仅支撑着整机的重量，让履带沿着支重轮前进，还要有高的耐磨性能，以满足挖掘机与推土机在不同工况下的高负荷作业。为了提高支重轮的使用寿命，常采用整体淬火的方式获得高硬度和深硬化层来提高耐磨性。我公司生产的一种大吨位支重轮其生产流程为：支重轮体半坯锻造→粗加工→焊接→整体淬火→加工，在整体淬火后出现批量的裂纹问题，亟待解决，废品率高，影响生产进度，造成成本的浪费。
一、裂纹原因调查及分析
大吨位锻造支重轮在整体淬火后的宏观裂纹形貌如图1所示，裂纹肉眼清晰可见，主要集中在内孔和断面，裂纹长度20~80mm。
图1 大吨位锻造支重轮在整体淬火后的宏观裂纹形貌
大吨位锻造支重轮采用的材料是一种DI值很高、淬透性非常好的自行研制材料，通过检验化学成分合格。取裂纹块进行检验，发现晶粒度存在混晶（3级）、金相组织回火不良，裂纹特点为“淬火应力延迟开裂”，如图2和图3所示（图3g为回火不良马氏体+残留奥氏体，图3h为回火不良马氏体+残留奥氏体+极少量析出铁素体，图3i为回火不良马氏体+残留奥氏体+少量析出铁素体），可判定产生裂纹的主要原因为该支重轮在锻造后未进行正火，锻造组织的晶粒度为混晶3级，整体热处理后回火时间180℃×2.5h回火不足，导致马氏体未完全转变为回火马氏体。
图2 大吨位锻造支重轮体的剖切块形貌
图3 大吨位锻造支重轮体裂纹微观形貌及组织
图2是大吨位锻造支重轮体的热处理要求及剖切块腐蚀形貌，剖切结果如下：6~7mm、3~4mm、4~5mm、6~8mm、0mm，表面硬度为53.5HRC，均在热处理技术要求范围内，此项为非要因。从热处理加热和剖切的硬化层深方面判断不存在支重轮体过热和不符合热处理技术要求的问题。图4为大吨位锻造支重轮体的硬度分布，轮体全硬基本都在40HRC以上，满足图样要求。支重轮在整体加热到淬火温度后进行淬火时的组织状态变化会使断裂抵抗能力发生变化，在加热到奥氏体状态后快速冷却到马氏体转变开始温度之前，由于没有发生组织的转变，所以只有热应力，一般不会产生裂纹。但是当冷却到Ms点以下时，就会发生组织转变，由奥氏体转变为马氏体。整个组织转变的过程伴随着体积膨胀，在淬火过程中，固态的体积膨胀，产生第二类畸变，导致内应力的产生，当内应力大于钢的屈服强度时会发生变形，而超过钢的强度极限时就会发生淬火开裂。回火不充分将会造成淬火应力没有完全释放，并且毛坯在锻造过程中也存在锻造残余应力，没有进行再次正火消除应力，造成多应力叠加使支重轮开裂。
图4 大吨位锻造支重轮体的晶粒度及硬度分布
目前，部分锻造厂家利用终锻余温进行空冷，代替正火工序，锻造余热进行正火如果把握不好终锻温度及冷却速度，将为后续的热处理带来隐患。按照相关理论，锻造后由于组织不均匀和硬度的差异，应当进行正火，锻造余热正火是终锻后冷到500~600℃使之发生珠光体转变，再加热到正火温度，利用重结晶使晶粒得以细化，否则达不到细化晶粒的目的，越大的工件越应进行正火处理。
二、改善及分析
为了解决高淬透性材料在整体淬火后出现因“淬火应力延迟开裂”的裂纹问题，要从源头及热处理过程控制上着手。源头控制主要指整体热处理前毛坯的准备，毛坯的组织对后续热处理至关重要，在锻造后及时进行正火处理，主要起到细化晶粒、改善钢力学性能、适当提高硬度、降低锻造过程的残余应力的作用。锻造加热炉设定1170℃、2.5h到温，锻造后采用箱式炉进行正火处理，炉温910℃，保温3h以上，经检验，正火后毛坯的组织为珠光体+铁素体，晶粒度达到6.5级。为了保证轮体的硬度及硬化层深，采用冷却能力更好的清水进行淬火，但由于冷却速度过快，组织转变激烈，容易产生裂纹，因而采用不同浓度的淬火冷却介质进行对比试验，确定3%的淬火冷却介质Q251可以满足硬度的要求，是最优的选择。淬火加热温度为860℃×2.5h，回火200℃×5h，淬火后4h内回火。淬火后金相组织检验如图5所示，晶粒度8级，回火马氏体，回火充分，经硬度检验也满足图样的要求。
图5 改善后金相组织形貌
最后，对整体热处理工艺文件进行标准化，要求现场操作按工艺进行操作。经过改善后，大吨位锻造支重轮的淬火裂纹问题已经成功解决，基体硬度满足图样要求，如图6所示，未再产生淬火裂纹。
图6 为大吨位锻造支重轮体硬度分布
三、结语
通过对化学成分、金相组织、晶粒度、热处理硬化层等方面的剖切检验，分析了大吨位锻造支重轮整体热处理后淬火裂纹的主要原因为晶粒度存在混晶（3级）、金相组织回火不良，裂纹特点为“淬火应力延迟开裂”，通过调查，判定产生裂纹的主要原因为该支重轮在锻造后未进行正火，整体热处理后回火不足，导致马氏体未完全转变为回火马氏体。通过在锻造后增加正火工序和整体热处理后回火时间的延长，可以有效地解决组织不良及裂纹问题。《金属加工（热加工）》杂志热处理栏目投稿范围：前沿金属材料研究，先进、实用的热处理工艺和技术，整体热处理，热处理装备的开发，淬火冷却技术，材料检测与分析，热温测量与控制，零件失效分析等。
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