將某鋼廠生產(chǎn)的直徑為53 mm的35MnBH圓鋼加工成用于工程機(jī)械履帶底盤件的鏈軌節(jié)時(shí),廠家反映熱處理后工件表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。該35MnBH鋼鏈軌節(jié)的加工工藝為：中頻爐加熱至1 250 ℃→熱模壓力鍛打→剪切飛邊→淬火860~890 ℃→回火0.5 h(450~400 ℃)。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、淬透性測試等方法對表面開裂原因進(jìn)行分析,以提高材料自身質(zhì)量,并防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

熱處理后的鏈軌節(jié)軌面、鉆孔面均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,鏈軌節(jié)宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋貫穿軌面或鉆孔面,無分叉現(xiàn)象。 

圖  1  鏈軌節(jié)宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在開裂鏈軌節(jié)上截取試樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：檢測結(jié)果符合技術(shù)要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在鏈軌節(jié)開裂處垂直于裂紋的截面截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋總體剛勁筆直,深度為2.74 mm,裂紋開口較大,尾部尖細(xì),尾部可見曲折的沿晶特征。 

圖  2  裂紋微觀形貌

用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋兩側(cè)未見脫碳、增碳現(xiàn)象,裂紋中部、尾部可見明顯的沿晶開裂特征。 

圖  3  腐蝕后裂紋微觀形貌

鏈軌節(jié)縱向非金屬夾雜物微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》,該鏈軌節(jié)非金屬夾雜物為A類硫化物夾雜（細(xì)系）0.5級,B類氧化鋁夾雜（細(xì)系）0.5級,符合技術(shù)要求。 

圖  4  鏈軌節(jié)縱向非金屬夾雜物微觀形貌

鏈軌節(jié)基體顯微組織形貌如圖5所示。通過組織位相及裂紋尾部沿晶的走向,判斷鏈軌節(jié)工件的奧氏體粗大。 

圖  5  鏈軌節(jié)基體顯微組織形貌

根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的淬硬法,判定出廠原材料的奧氏體晶粒度為9.0級。 

1.4   淬透性測試

開裂鏈軌節(jié)原材料的淬透性測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：其淬透性符合技術(shù)要求。 

2.   綜合分析

對客戶現(xiàn)場工藝進(jìn)行實(shí)際跟蹤,在圓鋼下料后對其進(jìn)行中頻加熱鍛打,設(shè)定加熱溫度為1 250 ℃,經(jīng)紅外測溫槍實(shí)測鍛打溫度部分高于1 300 ℃,即中頻爐內(nèi)加熱溫度超過1 300 ℃；鍛打過程為人工操作,節(jié)奏偶爾不穩(wěn)定,部分停留時(shí)間較長；鍛打切邊后進(jìn)行余溫淬火,余溫淬火的入水溫度部分大于950 ℃,高于設(shè)定的工藝溫度。 

鏈軌節(jié)出廠原材料的奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物均未見異常,淬透性和化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。 

鏈軌節(jié)軌面與鉆孔面存在裂紋,裂紋貫穿軌面或鉆孔面,無分叉現(xiàn)象。裂紋由表面向內(nèi)擴(kuò)展,走勢相對平直、剛勁有力,尾部尖細(xì)。裂紋兩側(cè)未見脫碳、增碳等現(xiàn)象,裂紋尾部可見明顯的沿晶開裂特征,因此判斷裂紋為典型的淬火裂紋。 

淬火裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)榇慊疬^程中內(nèi)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度,淬火過程中內(nèi)應(yīng)力包含組織應(yīng)力和熱應(yīng)力,以內(nèi)應(yīng)力為主[1]。當(dāng)淬火為亞溫淬火,即加熱溫度較低時(shí),組織中一般存在塑性較好的鐵素體,可以吸收部分內(nèi)應(yīng)力,淬火時(shí)一般不開裂[2],但工件的硬度往往達(dá)不到要求。在高溫淬火時(shí),材料容易出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象,導(dǎo)致晶界弱化,工件在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下開裂,其形貌呈沿晶特征[3]。 

鏈軌節(jié)原材料的奧氏體晶粒度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中不小于6級的條件,根據(jù)開裂鏈軌節(jié)沿晶特征[4],判斷其奧氏體晶粒粗大,說明工件鍛打加熱過程或者淬火過程的溫度控制不當(dāng),導(dǎo)致奧氏體晶粒長大。通過現(xiàn)場對工藝進(jìn)行實(shí)際調(diào)查,發(fā)現(xiàn)鏈軌節(jié)鍛打時(shí)的溫度達(dá)到1 300 ℃,淬火的入水溫度大于950 ℃,即實(shí)際鍛打溫度和淬火溫度均高于工件設(shè)定的工藝溫度,雖然感應(yīng)加熱溫升速率快,高溫持續(xù)時(shí)間短,但一般不會(huì)發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象[5]。當(dāng)加熱溫度高于奧氏體化溫度時(shí),隨著奧氏體化溫度的升高,晶粒長大趨勢異常明顯[6],這與開裂鏈軌節(jié)奧氏體晶粒度粗大的結(jié)論相呼應(yīng)。 

3.   結(jié)語及建議

3.1   結(jié)語

（1）鏈軌節(jié)軌面及鉆孔面裂紋為淬火裂紋。 

（2）淬火裂紋的產(chǎn)生原因是加熱溫度及淬火溫度過高導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大,在內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下材料發(fā)生沿晶開裂現(xiàn)象。 

3.2   建議

（1）優(yōu)化鏈軌節(jié)加熱工藝：在工件加工過程中保持穩(wěn)定的工藝參數(shù),尤其是控制溫度,降低鏈軌節(jié)加熱頻率,通過降低加熱溫度和延長保溫時(shí)間,保證原材料在達(dá)到設(shè)定鍛打溫度的同時(shí),能在爐內(nèi)均勻、充分加熱。 

（2）穩(wěn)定余溫淬火的溫度：在優(yōu)化鍛打加熱工藝的同時(shí),穩(wěn)定鍛打的節(jié)奏,將余溫淬火的溫度控制在設(shè)定的工藝參數(shù)范圍。

文章來源——材料與測試網(wǎng)