齿链轮毂淬火裂纹分析与预防

山推工程机械股份有限公司 （山东济宁 272023） 冯显磊 吕金根 穆玉芹 赵树芳

齿链轮毂用于各种农用、工程机械的后桥箱内终传动部位，我公司齿链轮毂用于推土机大型重载机械上。常规终传动为发动机传出动力经过液力变矩器传到制动总成，然后经过一级、二级齿轮减速传递到齿轮毂上，齿轮毂通过花键与链轮毂配合，将动力传递给链轮毂。最终链轮毂将动力传递到链轮上带动履带板行走。推土机作业环境较为复杂，行走于山石、沙漠、沼泽等恶劣环境中，在作业过程中齿链轮毂要传递较大的转矩动力。不仅齿链轮毂整体需要较高的综合力学性能，同时花键部要具有较高的耐磨性能，因此齿链轮毂的热处理质量直接影响到终传动核心产品的质量。

目前，我公司齿链轮毂材质主要采用日本钢号SCSiMn2H（以下简称2H）材质，该钢的淬透性能要比国内45钢高一倍以上。毛坯铸件在调质淬火过程中，裂纹时常发生，约占到裂纹的70%，尤其是链轮毂，回火时裂纹的产生约占30%。通过研究发现齿链轮毂裂纹的产生主要与产品的设计结构、材料的合金成分、热处理工艺温度、淬火方式及淬火冷却介质类型等方面有着直接的关系。

1.齿链轮毂各种调质裂纹

图1为连接盘材质选用2H钢，热处理工艺为：840℃保温2h水淬，采用高温回火后发现批量性裂纹，该裂纹型态为沿连接盘纵向劈裂式开裂，且裂纹延伸较长。

图2为轮毂沿毂底周圈式裂纹。

图1

图3 为链轮毂大刷边，裂纹长度为300～400mm， 裂纹刷边宽度达200mm，从裂纹处一直延伸到工艺孔处，且为穿透性裂纹。

图2

图3

图4 为材料内部存在铸造缺陷。

图5为轮毂的进油孔处裂纹，该轮毂有3个进油工艺孔，调质淬火时全部产生裂纹。热处理工艺为：800℃保温2h，水淬，开一个搅拌水泵，水温为20℃。

图6为齿轮毂批量裂纹，淬火方式采用带料盘垂直入水淬火。

图4

图5

图6

2.齿链轮毂淬火裂纹的分析

（1）材料成分造成齿链轮毂裂纹 材料成分及合金元素的含量是造成淬火裂纹的重要因素之一，含碳量（质量分数）在0.45%～0.55%之间，Ac3线会出现一个陡降的低谷。首先是日本2H钢碳含量（质量分数）在0.40%～0.47%之间，若含碳量在下限0.40%～0.45%之间，宜采用工艺上限温度淬火。若含碳量在上限处于Ac3线的陡降低谷区间，若采用加热上限易造成淬火裂纹，该种情况宜采用工艺下限温度淬火。当然我公司采用的日本2H钢含碳量处在Ac3低谷区间的情况相对较少，但在生产上是造成淬火裂纹的原因之一，不容忽视。

（2）工件设计结构不合理造成淬火裂纹 工件产品设计结构是影响淬火裂纹的重要因素之一。据统计，我公司约20%的齿链轮毂裂纹为设计结构不合理造成。众所周知，在淬火组织转变过程中，马氏体转变为组织膨胀转变，在可淬透范围内将产生较大的组织应力。一旦超过该种材料的断裂强度，将造成淬火裂纹。工件存在结构突变部位，往往是裂纹产生的根源。

如图5所示，该链轮毂共有3个进油孔，为铸造过程中整体铸造出来。油孔处结构较为复杂，且链轮毂凸口设计壁厚为18mm，在恰好淬透范围之内，易造成表面应力集中，导致裂纹产生。图2轮毂底部设计壁厚仅为16mm，且整个轮毂的轮廓较大，也极易造成变形或开裂。

（3）炉内温度不均匀造成淬火裂纹 目前调质淬火加热炉多数采用箱式电阻炉和台车炉，由于密封性相对较差，在加热过程中炉门口温度相对炉膛内部有一定的差别，超过±15℃以上就会对炉内工件有影响。由于靠近炉门口的工件温度相对其他工件温度较低，在出炉淬火过程中造成应力不均，极易造成淬火裂纹。

（4）淬火冷却介质选择不当或加热温度选择不当造成淬火裂纹 不同材质的DI值不同，淬火过程中温度和淬火冷却介质的合理选择至关重要。即使同种材料，其合金成分不同，加热温度和淬火冷却介质也应慎重选择。根据服役条件要求轮毂采用2H钢材的DI值在50～70mm，温度采用工艺下限，采用水淬，如果温度过高可造成晶粒粗大，淬火应力较大，造成淬火裂纹。

（5）合金元素超标的影响 合金元素的超标问题也是引起齿链轮毂裂纹的一大主因。近年来，由于B超标引起的批量裂纹时有发生，属于微量元素的B就可成倍地增加钢的淬透性，同时B还有促使晶粒长大的倾向。B超标的原料主要来源于像链轨节之类含B量较高的下脚料。如图7所示，某链轮毂采用820℃，保温105min，水淬搅拌，高温回火，由于材料中含超量的B元素（经化验B含量在超过要求上限）导致裂纹。后经调整工艺采用870℃，保温2h，搅拌油冷，压力为0.22MPa×2，高温回火后，同样出现裂纹。经检测，在距表面22mm（心部）为马氏体+少量铁素体组织，硬度58.5HRC，显然心部已淬透。

图7

锰具有降低钢的Ar1温度和增加钢的淬透性能力，可以使较大截面的工件获得较均匀、细化的组织，从而减小截面不同的部分在力学性能方面的差异。但Mn增加钢的过热敏感性和回火脆性。某齿轮毂调质回火过程采用580℃保温3h，出炉后发现批量裂纹。由于2H材质含Mn量（质量分数）在1.00%左右，回火过程中具有二次硬化现象，冷却过程中应避开二次硬化区间。

（6）调质前原始组织的影响 齿链轮毂在进行调质淬火前的原始组织对淬火裂纹有很大的影响。调质淬火前如果没有正确的预备热处理工序或遗漏，很易造成淬火裂纹。工程结构钢在铸造冷却后往往有晶粒粗大、偏析、成分不均匀等不利因素的存在，如果未进行预备热处理，淬火后将得到晶粒粗大的马氏体，造成脆性增加。成分的不均匀性将导致淬火应力的不均匀，大大增加了淬火裂纹的倾向。

（7）铸造缺陷的影响 铸造过程中由于型砂原因或操作不当容易造成砂眼；由于排气不畅，水分过多等因素容易造成气孔的形成。另外，还有疏松、偏析、裂痕等缺陷都是引发淬火裂纹产生的直接根源。如图3所示，该链轮毂台面靠近表层存在较大的疏松，淬火过程中造成剥层裂纹。

3.防止齿链轮毂淬火裂纹的措施

（1）采用亚温淬火 例如对于我公司由2H材质铸造的齿链轮毂，在调质淬火时采用亚温淬火工艺，采取工艺下限温度保温时间应据齿链轮毂的型号尺寸确定，淬火水温控制在25～40℃进行淬火。回火时应避免二次硬化现象。该温度恰好处于Ac3附近，可保留部分未溶铁素体，同时亚温淬火可细化奥氏体晶粒。冷却后得到马氏体晶粒度也较细小，从而减少内应力，可有效防止裂纹的产生。

（2）淬火时采用预冷淬火，或采取保护措施对结构设计复杂，存在凹槽、工艺孔、壁厚设计在危险尺寸范围内的齿链轮毂，出炉淬火时采用预冷淬火，可防止淬火裂纹的发生，预冷时靠肉眼观测到复杂结构处或工件表面处于暗红状态（此时温度约在Ac3线）时可浸水淬火。必要时可减少搅拌水泵，降低淬火的冷却能力。另外，在凹槽、工艺孔处采用耐火泥、胶泥等封堵，也可减少淬火裂纹的产生。

（3）控制合金元素的含量 就目前我公司发现的齿链轮毂裂纹合金元素超标问题主要集中在B元素。据我公司经验，2H材质B元素控制在万分之五以下，齿链轮毂裂纹的发生率将大大降低。

（4）设计时避免复杂结构危险尺寸的设计 避免在2H钢的最大淬火临界直径D0之间设计工件；对于一些工艺油孔可在铸造后再机加工出来；应力集中的部位应增大圆角。

（5）调质前确保工件已进行预备热处理 铸件预备热处理尤为重要，浇注后材料的组织往往存在晶粒粗大、偏析等成分不均现象，淬火过程中极易造成裂纹。

（6）淬火冷却介质的合理选择 目前常用淬火冷却介质有三种，自来水、AQ251（水溶性聚合物）、淬火油。在泵的压力为0.2MPa，淬火油温38℃，喷射器压力为0.2MPa，淬火冷却介质量达250m3/h时，油的淬冷烈度H=0.59；在泵的压力为0.2MPa，淬火AQ251温度为23℃，喷射器压力为0.2MPa，淬火冷却介质量为200m3/h时，AQ251的淬冷烈度H=1.74；在泵的压力为0.26MPa（两台水泵同时开起），淬火自来水温度为23℃，喷射器压力为0.26MPa，淬火冷却介质量为200m3/h时，自来水的淬冷烈度H=2.5。对于结构设计复杂易裂纹的工件，开起一台淬火水泵，或选取AQ251淬火，可降低裂纹的发生率。

（7）采用密封性较好的电炉，使工件加热均匀 也可在原有箱式电阻炉基础上，进行炉门改造。目前我公司已实施炉门改造工程，收到了良好效果。

4.结语

（1）材质为2H钢的链轮毂在设计时应避免在D0值内。

（2）2H钢材料中最易超标的合金元素为B，控制B元素的含量可有效防止齿链轮毂裂纹的产生。

（3）齿链轮毂设计结构不宜复杂，应减少结构突变或采取圆滑过渡。

（4）对易裂的齿链轮毂可采取预冷淬火，或减少搅拌水泵的开起数量。

（5）采用略低于Ac3的亚温淬火工艺，可有效防止裂纹产生。

（20130611）