作者：刘卫华
单位：常州宝菱重工机械有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
常州宝菱重工机械有限公司曾生产的一批42CrMo钢车轮，共152件，在成品MT检测过程中发现79件出现开裂，开裂位置主要为小外圆端面宽度55mm环槽靠近外圆侧根部圆角处、沿减重孔孔口处和大外圆台阶根部圆角处。为查找开裂原因，对开裂车轮进行理化检测及分析。
车轮材质为42CrMo合金结构钢，图样设计φ350mm外圆及踏边感应淬火处理，硬度55~61HRC，淬硬层深度2~4mm，车轮结构如图1所示。
图1 车轮结构
车轮生产工艺流程：毛坯锻造→粗加工（UT检测）→调质→半精加工（MT检测）→淬火→精加工（MT检测）。车轮淬火采用正火圈感应加热方式，待淬火表面加热至淬火温度且均匀后，整体浸入AQ251水溶性有机淬火液中，进行快速冷却，达到表面淬火目的。车轮感应淬火后，在三个部位出现了裂纹，宽度55mm环槽靠近外圆侧底部圆角处裂纹形貌如图2所示；沿减重孔孔口位置裂纹并向外延伸，部分裂纹已延伸至外圆表面，如图3所示；外圆台阶根部圆角处裂纹并环向延伸，如图4所示。
图2 55mm环槽靠近外圆侧底部圆角处裂纹
图3 沿减重孔孔口位置裂纹
图4 外圆台阶根部圆角处裂纹
对开裂车轮取样后进行化学成分分析，结果见表1。对比GB/T 6396—2006《大型合金钢锻件 技术条件》中对42CrMo钢的化学成分要求，符合标准。
表1 42CrMo钢化学成分（质量分数） （%）
在车轮开裂位置截面取样进行硬度分布检测，如图5所示。从图中可以看出，车轮外圆及踏边均已被淬硬，淬硬层较深且已经到达宽度55mm环槽部位。分别沿A、B、C、D 4个位置或方向进行硬度检测，图中阴影淬硬部分硬度基本在50HRC以上，淬硬层深度9mm以上，外圆台阶根部硬度稍低，在40HRC左右。
图5 截面淬硬层深度
在车轮开裂位置取样进行金相检测。裂纹两侧组织与其他部位基本一致，组织为回火细针、针状马氏体+少量残留奥氏体，如图6所示。此裂纹属典型的淬火裂纹，金相为正常淬火+低温回火组织。基体组织存在明显偏析现象，组织为回火索氏体+铁素体，如图7所示。
图6 裂纹两侧组织
图7 基体组织
车轮表面淬火冷却介质采用的是AQ251水溶性有机淬火液，对其进行淬火冷却特性检测，结果见表2。
表2 AQ251水溶性有机淬火液淬火冷却特性
对淬火后的车轮外圆及环槽近外圆表面进行应力检测，结果表明，车轮淬火+低温回火后应力高达600~1000MPa。放置两个月后重新进行应力检测，结果为100~500MPa，应力明显减小。1）车轮热处理方式为正火圈感应淬火，为使外圆及踏边达到淬火温度，加热时间约5min，加热时间较长，透热深度较深。内孔环槽及减重孔在半精加工时已加工好，致使外圆部位较薄，淬火透热深度又刚好至此环槽底部，孔口为锐角，处于应力集中位置，车轮淬火应力大，致使工件开裂。2）车轮感应淬火过程中，外圆台阶根部由于基体吸热原因，致使此部位温度较其他地方低，淬火后硬度明显低于正常淬火硬度，硬度偏差产生较大组织及热应力，车轮在此部位产生了开裂。3）AQ251水溶性有机淬火液实际检测浓度仅为10%，低于实际折光仪读数计算浓度23.8%，300℃冷却速度为55.69℃/s，冷却速度较快，此温度正好处于42CrMo钢淬火马氏体转变温度范围内，较快的感应淬火冷却速度加快了马氏体组织转变，形成较大的淬火组织应力，引起工件开裂。AQ251水溶性有机淬火液长期使用后出现老化，不能再简单通过折光仪读数计算其实际浓度。4）车轮感应淬火后低温回火温度仅150℃，回火温度较低，淬火后应力未能得到消除，检测结果显示应力高达600~1000MPa，部分位置已高于基体强度，从而引起工件开裂，长时间放置后应力逐渐释放，下降明显。1）更改车轮感应淬火前的加工方式，将内孔环槽及减重孔放于车轮感应淬火之后的精加工工序，增加淬火外圆处有效尺寸，可避免减重孔口锐角，减少淬火开裂倾向。2）在感应淬火过程中严格控制淬火温度，遵循迅速到温，低功率保温，促使加热区温度均匀的原则，减少淬火面因淬火应力差异而导致的开裂。3）在AQ251水溶性有机淬火液中加入新液或重新配制，定期进行淬火液冷却特性检测，浓度控制在20%左右，300℃冷却速度控制在45℃/s左右，以减少因淬火冷却速度过快而引起的开裂。4）适当提高回火温度至200℃，延长回火保温时间，尽可能地消除淬火后的应力，避免工件开裂。通过以上改善措施，对后续补制的车轮进行感应淬火生产，未出现淬火开裂现象，使车轮淬火开裂问题得到了有效控制，产品的质量稳定性得到了提升。
