合金铸钢履带板感应淬火裂纹缺陷分析与改善措施

周 璐，杜 波，代保华

（中设集团装备制造有限责任公司，北京 100055）

1 履带板感应淬火后裂纹原因分析

某矿用液压挖掘机如图1 所示，为了应用于严酷工况的铁矿、煤矿等矿山，其底盘履带板采用合金高强钢铸件，铸件结构如图2 所示，履带板销孔内表面及滚道面区域都需要感应加热表面淬火，使之具有高的硬度及耐磨性。

图1 矿山液压铲

图2 感应淬火履带板

感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电的集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。根据感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频（27 MHz）、高频（200 kHz～250 kHz）、中频（2 500 Hz～8 000 Hz）和工频（50 Hz）.由于电流频率不同，加热时感应电流投入深度不同。本履带板感应淬火设计使用中频感应加热，感应电流投入深度即淬硬层约5 mm～10 mm.感应淬火后零件表面的硬度高（可达到50 HRC），心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺口敏感性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。

但是感应淬火对铸钢件的致密度要求极高，履带板的销孔内部及表面易存在缩松、砂眼、非金属夹杂物缺陷，这些缺陷就会成为裂纹源，感应淬火后极易产生裂纹，典型的裂纹情况见图3.

图3 典型的销孔内感应淬火裂纹

2 感应淬火裂纹可焊性的分析

铸钢件通常采用打磨或者补焊的方式进行返修。因本产品不允许存在凹凸不平，考虑采用焊接方法进行修补。修补前，需要对此铸钢件的可焊接性进行评估。铸钢件的焊接性是指铸钢适应常用的焊接方法和焊接工艺的性能。焊接性包括两方面：第一是指焊接时铸钢件形成完整补焊区的能力；第二是已形成的补焊区在使用条件下的运行能力。焊接的难易程度主要取决于其化学成分、缺陷性质、热处理和加工状态这四个方面。

2.1 化学成分

钢中各元素对焊接性影响采用碳当量Ceq 表示：

资料指出[1]，一般情况下Ceq 不超过0.4%时焊接性良好；超过0.45%时，焊接性降低，随着含碳量和合金元素的增加，铸钢件的焊接性降低。本产品为镍铬钼钢，其碳当量Ceq 介于0.75～0.90 之间，焊接性差.

2.2 缺陷性质

本产品缺陷为裂纹，用焊接的方式修补裂纹相对较易，修补后配合MT 或PT 可确认缺陷是否彻底消除干净，焊接性较好。

2.3 热处理状态

基材调质+表面感应淬火时，表面硬度很高，致使焊接在快速冷却时很容易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织，导致开裂，焊接性极差。

2.4 加工状态

销孔内为加工状态，不过其精度要求较低，焊接后可通过打磨抛光的方式满足其要求，焊接性较好。

综上评估，本产品的焊接性很差，特别是受到感应淬火表面高硬度的影响。

3 补焊工艺

现采用退火热处理方式，将铸钢件加热到一定温度（低于其调质回火温度30 ℃）并保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。退火的目的是降低硬度，消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力。退火后，对裂纹进行消缺，并用PT 确认是否完全去除干净（见图4）.然后对补焊区域及周边（整个销耳）进行局部加热，预热温度≥250 ℃，采用J757Ni 焊条进行焊接（见图5），焊接过程中始终保持温度不低于250 ℃，层间温度不高于350 ℃，焊后保温棉保温并进炉去应力回火处理，保温温度为低于调质回火温度30 ℃，保温时间4 h.

图4 典型的销孔内裂纹消除后状态

图5 典型的销孔内焊后状态

4 补焊后再次感应淬火试验与结果分析

补焊MT 合格后对履带板再次进行感应淬火，采用中频5 000 HZ，未见裂纹。对滚道面及销孔内补焊区域进行解剖取样，如图6 和7.本体的机械性能检测结果见表1，全部符合要求。

图6 本体取样位置

图7 拉伸试样及冲击试样取样

表1 机械性能检测结果

进行宏观腐蚀试验及淬硬层硬度测试，如图8和图9，淬硬层深度及硬度测试结果见表2.对焊接区、母材区、热影响区在感应淬火后的金相观察结果如图10～图12 所示。

表2 淬硬层深度及硬度测试结果

图8 宏淬硬层硬度测试

图9 宏观腐蚀

图10 焊接区组织（回火马氏体）

图11 母材区组织（回火马氏体）

图12 热影响区组织（回火马氏体）

结果表明：焊接区、母材区和热影响区，其主要金相组织均为回火马氏体，其机械性能和硬度结果均满足产品要求。焊接效果良好，未发生再次开裂。焊接方案可行有效。

5 履带板的铸造工艺改进

对履带板销耳区域进行UT 探伤可发现内部有缩松，销孔精加工后也会暴露砂眼缺陷，这些缺陷都是感应淬火裂纹产生的源头。

利用MAGMA 和FLOW-3D 等模拟软件，结合实际生产经验，最终确定铸造工艺修订方案为：

1）销控内加工余量再增加5 mm，保证表面缺陷在调质前得以加工去除；

2）加大销耳上方冒口，如图13 所示，四处小冒口由φ120 加大到φ150，两处大冒口由φ250 加大到φ300，强化补缩。

图13 冒口补缩改进

UT 和VT 检验结果证明，铸造工艺修订方案明显降低了销孔内缺陷的比例，改进后销孔内仍存在缺陷的产品占比不足3%，大约降低10%～15%，且缺陷的尺寸明显降低，极大地增强了后续焊修工作的可行性。改进前后典型销孔质量状况如图14～图17 所示。

图14 改进前UT 检测到的内部的缩松

图15 改进前销孔内暴露的砂眼缺陷

图16 改进后UT 无缺陷波显示

图17 改进后销孔内无肉眼可见的砂眼等缺陷

6 结论

1）采用退火可将履带板感应淬火区域硬度明显降低，按照规定的特殊焊接工艺可成功补焊因感应淬火而产生的裂纹，零件再次感应淬火后，补焊区域及本体淬硬层满足使用要求；

2）通过调整铸造工艺，可明显降低销孔内砂眼及缩松的产生；

3）通过特殊的补焊工艺及铸造工艺调整，感应淬火履带板报废率由10%降低到了1.5%.