如何預防齒鏈輪轂淬火裂紋？

齒鏈輪轂用于各種農用、工程機械的后橋箱內終傳動部位，本廠齒鏈輪轂用于推土機大型重載機械上。常規終傳動為發動機傳出動力經過液力變矩器傳到制動總成，然后經過一級、二級齒輪減速傳遞到齒輪轂上，齒輪轂通過花鍵與鏈輪轂配合，將動力傳遞給鏈輪轂。zui終鏈輪轂將動力傳遞到鏈輪上帶動履帶板行走。推土機作業環境較為復雜，行走于山石、沙漠、沼澤等惡劣環境中，在作業過程中齒鏈輪轂要傳遞較大的扭矩動力。不僅齒鏈輪轂整體需要較強的綜合力學性能，同時花鍵部要具有較高的耐磨性能，所以齒鏈輪轂的熱處理質量直接影響到終傳動核心產品的質量。

目前，我廠齒鏈輪轂材質主要采用日本鋼號SCSiMn2H材質，該鋼的淬透性能要比國內45鋼要高一倍以上。毛坯鑄件在調質淬火過程中，裂紋時常發生，約占到裂紋的70%，尤其是鏈輪轂，回火時裂紋的產生約占30%。通過研究發現齒鏈輪轂裂紋的產生主要與產品的設計結構、材料的合金成分、熱處理工藝溫度、淬火方式、淬火冷卻介質等方面有著直接的關系。

齒鏈輪轂淬火裂紋的分析

（1）材料成分造成齒鏈輪轂裂紋

材料成分及合金元素的含量是造成淬火裂紋的重要因素之一，含碳量（質量分數）在0.45%~0.55%之間，Ac3線會出現一個陡降的低谷。首先是日本2H碳含量（質量分數）在0.40%~0.47%之間，若含碳量在下線0.40%~0.45%之間，宜采用工藝上線溫度淬火。若含碳量在上線處于Ac3線的陡降低谷區間，還是采用加熱上線易造成淬火裂紋，該種情況宜采用工藝下線溫度淬火。當然本工廠采用的日本2H鋼含碳量處在Ac3低谷區間的情況相對較少，但是在生產上也是造成淬火裂紋的原因之一，不容忽視。

（2）工件設計結構不合理造成淬火裂紋

工件產品設計結構，工件結構是影響淬火裂紋的重要因素之一。據統計，我廠約20%的齒鏈輪轂裂紋為設計結構不合理造成。*，在淬火組織轉變過程中，馬氏體轉變為組織膨脹轉變，在可淬透范圍內將產生較大的組織應力。一旦超過該種材料的斷裂強度，將造成淬火裂紋。工件存在結構突變部位，往往是裂紋產生的根源。

如圖5所示，該鏈輪轂共有3個進油孔，為鑄造過程中整體鑄造出來。油孔處結構較為復雜，且鏈輪轂凸口設計壁厚為18mm，在恰好淬透范圍之內，易造成表面應力集中，導致裂紋產生。圖2輪轂底部設計壁厚僅為16mm，且整個輪轂的輪廓較大，也極易造成變形或開裂。

（3）爐內溫度不均勻造成淬火裂紋

目前調質淬火加熱爐多數采用箱式電阻爐和臺車爐，由于密封性相對較差，在加熱過程中爐門口溫度相對爐膛內部有一定的差別超過±15℃以上就會對爐內工件有影響。由于靠近爐門口的工件溫度相對其他工件溫度較低，在出爐淬火過程中造成應力不均，極易造成淬火裂紋。

（4）淬火液冷卻介質選擇不當或加熱溫度選擇不當造成淬火裂紋

不同材質的DI值不同，淬火過程中溫度和淬火冷卻介質的合理選擇至關重要。即使同種材料，材料的合金成分不同，加熱溫度和淬火冷卻介質也應慎重選擇。根據服役條件要求輪轂采用2H鋼材的DI值在50~70mm，溫度采用工藝下線，采用水淬，如果溫度過高可照成晶粒粗大，淬火應力較大，造成淬火裂紋。

（5）合金元素超標的影響

合金元素的超標問題也是引起齒連輪轂裂紋的一大主因。近年來，由于B超標引起的批量裂紋時有發生，屬于微量元素的B就可成倍的增加鋼的淬透性，同時B還有促使晶粒長大的傾向。B超標的原料主要來源于像鏈軌節之類含B量較高的下邊料。如圖7，某鏈輪轂采用820℃，保溫105min，水淬攪拌，高溫回火，由于材料中含超量的B元素（經化驗B含量在超過要求上線）導致裂紋。后經調整工藝采用870℃，保溫2H，攪拌油冷，壓力為0.22MPa×2，高溫回火后，同樣出現裂紋。經檢測，在距表面22mm（心部）為馬氏體+少量鐵素體組織，硬度58.5HRC，顯然心部以淬透。

錳具有降低鋼的Ar1溫度和增加鋼的淬透性能力，可以使較大截面的工件獲得較均勻、細化的組織，從而減小截面不同的部分在力學性能方面的差異。但Mn增加鋼的過熱敏感性和回火脆性。某齒輪轂調質回火過程采用580℃保溫3H，出爐后發現批量裂紋。由于2H材質含Mn量在1.00%左右，回火過程中具有二次硬化現象，冷卻過程中應避開二次硬化區間。

（6）調質前原始組織的影響

齒鏈輪轂在進行調質淬火前的原始組織對淬火裂紋有很大的影響。調質淬火前如果沒有正確的預備熱處理工序或遺漏，很容易造成淬火裂紋。工程結構剛在鑄造冷卻后往往晶粒粗大、偏析、成分不均勻等不利因素的存在，如果未進行預備熱處理，淬火后將得到晶粒粗大的馬氏體，造成脆性增加。成分的不均勻性將導致淬火應力的不均。大大增加了淬火裂紋的傾向。

（7）鑄造缺陷的影響 

鑄造過程中由于型砂原因或操作不當容易造成沙眼；由于排氣不暢，水分過多等因素容易造成氣孔的形成。另外，還有疏松、偏析、裂痕等缺陷都是引發淬火裂紋產生的直接根源。如圖3所示，該鏈輪轂臺面靠近表層存在較大的疏松，淬火過程中造成剝層裂紋。

防止齒鏈輪轂淬火裂紋的措施

（1）采用亞溫淬火

例如對于我廠由2H材質鑄造的齒鏈輪轂，在調質淬火時采用亞溫淬火工藝，采取工藝下線溫度保溫時間應據齒鏈輪轂的型號尺寸確定，淬火水溫控制在25～40℃進行淬火?；鼗饡r應避免二次硬化現象。該溫度恰好處于Ac3附近，可保留部分未溶鐵素體，同時亞溫淬火可細化奧氏體晶粒度。冷卻后得到馬氏體晶粒度也較細小，從而減少內應力，可有效防止裂紋的產生。

齒鏈輪轂各種調質裂紋

1.為連接盤材質為2H，熱處理工藝為：840℃保溫2h水淬，采用高溫回火后發現批量性裂紋，該裂紋型態為沿連接盤縱向劈裂式開裂，且裂紋延伸較長。

2為轂沿轂底周圈式裂紋。

3為鏈輪轂大刷邊，裂紋長度為300～400mm， 裂紋刷邊寬度達200mm，從裂紋處一直延伸到工藝孔處，且裂紋為穿透性裂紋。

4為材料內部存在鑄造缺陷。

5為輪轂的進油孔處裂紋，該輪轂有3個進油工藝孔，調質淬火時全部裂紋。熱處理工藝為：800℃保溫2h，水淬，開一個淬火水泵。水溫為20℃。

6為齒輪轂批量裂紋，淬火方式采用帶料盤垂直入水淬火。

淬火時采用預冷淬火，或采取保護措施

 對結構設計復雜，存在凹槽、工藝孔、壁厚設計在危險尺寸范圍內的齒鏈輪轂出爐淬火時采用預冷淬火可防止淬火裂紋的發生，預冷時靠肉眼觀測到復雜結構處或工件表面處于暗紅狀態（此時溫度大約在Ac3線）時可浸水淬火。必要時可減少攪拌水泵，降低淬火的冷卻能力。另外，在凹槽、工藝孔處采用耐火泥、膠泥等封堵，也可減少淬火裂紋的發生。

（3）控制合金元素的含量

就目前我廠發現的齒鏈輪轂裂紋合金元素超標問題主要集中在B元素。據我廠經驗2H材質B元素控制在萬分之五以下，齒鏈輪轂裂紋的發生率將大大降低。

（4）設計時避免復雜結構危險尺寸的設計

避免在SCSiMn2H的zui大淬火臨界直徑D0之間設計工件；對于一些工藝油孔可在鑄造后再機加工出來；應力集中的部位應增大倒角。

（5）調質前確保工件已進行預備熱處理

鑄件預備熱處理尤為重要，澆鑄后材料的組織往往晶粒粗大、偏析等成分不均現象，淬火過程中極易造成裂紋。

（6）淬火冷卻介質冷卻效果的合理選擇

就目前常用淬火冷卻介質有三種，自來水、AQ251（水溶性聚合物）、淬火油。在泵的壓力為0.2MPa，淬火油溫38℃，噴射器壓力位0.2MPa，淬火液量達250m³/H時，油的淬火烈度H=0.59；在泵的壓力為0.2MPa，淬火AQ251溫度為23℃，噴射器壓力位0.2MPa，淬火液量為200m³/H時，AQ251的淬火烈度H=1.74；在泵的壓力為0.26MPa（兩臺水泵同時開啟），淬火自來水溫度為23℃，噴射器壓力位0.26MPa，淬火液量為200m³/H時，自來水的淬火烈度H=2.5。對于結構設計復雜易裂紋的工件，開啟一臺淬火水泵，或選取AQ251淬火，可降低裂紋的發生率。

（7）采用密封性較好的電爐，使工件加熱均勻

也可在原有箱式電阻爐基礎上，進行爐門改造。目前我廠已實施爐門改造工程，收到良好效果。

結語

（1）材質為2H的鏈輪轂在設計時應避免在D0值內。

（2）2H材料中zui易超標的合金元素為B，控制B元素的含量可有效防止齒鏈輪轂裂紋的產生。

（3）齒鏈輪轂設計結構不易復雜，減少結構突變或采取圓滑過渡。

（4）對易裂紋的齒鏈輪轂可采取預冷淬火，或減少攪拌水泵的開啟。

（5）采用略高于Ac3的亞溫淬火工藝，可有效防止裂紋產生。

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