將某鋼廠生產的直徑為53 mm的35MnBH圓鋼加工成用于工程機械履帶底盤件的鏈軌節時,廠家反映熱處理后工件表面出現開裂現象。該35MnBH鋼鏈軌節的加工工藝為：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、化學成分分析、金相檢驗、淬透性測試等方法對表面開裂原因進行分析,以提高材料自身質量,并防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

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

圖  1  鏈軌節宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂鏈軌節上截取試樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：檢測結果符合技術要求。 

1.3   金相檢驗

在鏈軌節開裂處垂直于裂紋的截面截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖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,尾部可見曲折的沿晶特征。 

圖  2  裂紋微觀形貌

用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：裂紋兩側未見脫碳、增碳現象,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

鏈軌節縱向非金屬夾雜物微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,該鏈軌節非金屬夾雜物為A類硫化物夾雜（細系）0.5級,B類氧化鋁夾雜（細系）0.5級,符合技術要求。 

圖  4  鏈軌節縱向非金屬夾雜物微觀形貌

鏈軌節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,判斷鏈軌節工件的奧氏體粗大。 

圖  5  鏈軌節基體顯微組織形貌

根據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

開裂鏈軌節原材料的淬透性測試結果如表2所示。由表2可知：其淬透性符合技術要求。 

2.   綜合分析

對客戶現場工藝進行實際跟蹤,在圓鋼下料后對其進行中頻加熱鍛打,設定加熱溫度為1 250 ℃,經紅外測溫槍實測鍛打溫度部分高于1 300 ℃,即中頻爐內加熱溫度超過1 300 ℃；鍛打過程為人工操作,節奏偶爾不穩定,部分停留時間較長；鍛打切邊后進行余溫淬火,余溫淬火的入水溫度部分大于950 ℃,高于設定的工藝溫度。 

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

鏈軌節軌面與鉆孔面存在裂紋,裂紋貫穿軌面或鉆孔面,無分叉現象。裂紋由表面向內擴展,走勢相對平直、剛勁有力,尾部尖細。裂紋兩側未見脫碳、增碳等現象,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。 

淬火裂紋的產生原因為淬火過程中內應力超過材料的斷裂強度,淬火過程中內應力包含組織應力和熱應力,以內應力為主[1]。當淬火為亞溫淬火,即加熱溫度較低時,組織中一般存在塑性較好的鐵素體,可以吸收部分內應力,淬火時一般不開裂[2],但工件的硬度往往達不到要求。在高溫淬火時,材料容易出現晶粒粗大現象,導致晶界弱化,工件在組織應力和熱應力作用下開裂,其形貌呈沿晶特征[3]。 

鏈軌節原材料的奧氏體晶粒度優于標準中不小于6級的條件,根據開裂鏈軌節沿晶特征[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,導致奧氏體晶粒長大。通過現場對工藝進行實際調查,發現鏈軌節鍛打時的溫度達到1 300 ℃,淬火的入水溫度大于950 ℃,即實際鍛打溫度和淬火溫度均高于工件設定的工藝溫度,雖然感應加熱溫升速率快,高溫持續時間短,但一般不會發生晶粒長大現象[5]。當加熱溫度高于奧氏體化溫度時,隨著奧氏體化溫度的升高,晶粒長大趨勢異常明顯[6],這與開裂鏈軌節奧氏體晶粒度粗大的結論相呼應。 

3.   結語及建議

3.1   結語

（1）鏈軌節軌面及鉆孔面裂紋為淬火裂紋。 

（2）淬火裂紋的產生原因是加熱溫度及淬火溫度過高導致奧氏體晶粒粗大,在內應力和熱應力的作用下材料發生沿晶開裂現象。 

3.2   建議

（1）優化鏈軌節加熱工藝：在工件加工過程中保持穩定的工藝參數,尤其是控制溫度,降低鏈軌節加熱頻率,通過降低加熱溫度和延長保溫時間,保證原材料在達到設定鍛打溫度的同時,能在爐內均勻、充分加熱。 

（2）穩定余溫淬火的溫度：在優化鍛打加熱工藝的同時,穩定鍛打的節奏,將余溫淬火的溫度控制在設定的工藝參數范圍。

文章來源——材料與測試網