周 璐，杜 波，代保華

（中設(shè)集團(tuán)裝備制造有限責(zé)任公司，北京 100055）

1 履帶板感應(yīng)淬火后裂紋原因分析

某礦用液壓挖掘機(jī)如圖1 所示，為了應(yīng)用于嚴(yán)酷工況的鐵礦、煤礦等礦山，其底盤履帶板采用合金高強(qiáng)鋼鑄件，鑄件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，履帶板銷孔內(nèi)表面及滾道面區(qū)域都需要感應(yīng)加熱表面淬火，使之具有高的硬度及耐磨性。

圖1 礦山液壓鏟

圖2 感應(yīng)淬火履帶板

感應(yīng)加熱表面淬火是利用電磁感應(yīng)的原理，使零件在交變磁場中切割磁力線，在表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)交流電的集膚效應(yīng)，以渦流形式將零件表面快速加熱，而后急冷的淬火方法。根據(jù)感應(yīng)加熱表面淬火的使用頻率不同，可以分為超高頻（27 MHz）、高頻（200 kHz～250 kHz）、中頻（2 500 Hz～8 000 Hz）和工頻（50 Hz）.由于電流頻率不同，加熱時感應(yīng)電流投入深度不同。本履帶板感應(yīng)淬火設(shè)計使用中頻感應(yīng)加熱，感應(yīng)電流投入深度即淬硬層約5 mm～10 mm.感應(yīng)淬火后零件表面的硬度高（可達(dá)到50 HRC），心部保持較好的塑性和韌性，呈現(xiàn)低的缺口敏感性，故沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和耐磨性等有很大的提高。

但是感應(yīng)淬火對鑄鋼件的致密度要求極高，履帶板的銷孔內(nèi)部及表面易存在縮松、砂眼、非金屬夾雜物缺陷，這些缺陷就會成為裂紋源，感應(yīng)淬火后極易產(chǎn)生裂紋，典型的裂紋情況見圖3.

圖3 典型的銷孔內(nèi)感應(yīng)淬火裂紋

2 感應(yīng)淬火裂紋可焊性的分析

鑄鋼件通常采用打磨或者補(bǔ)焊的方式進(jìn)行返修。因本產(chǎn)品不允許存在凹凸不平，考慮采用焊接方法進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)前，需要對此鑄鋼件的可焊接性進(jìn)行評估。鑄鋼件的焊接性是指鑄鋼適應(yīng)常用的焊接方法和焊接工藝的性能。焊接性包括兩方面：第一是指焊接時鑄鋼件形成完整補(bǔ)焊區(qū)的能力；第二是已形成的補(bǔ)焊區(qū)在使用條件下的運(yùn)行能力。焊接的難易程度主要取決于其化學(xué)成分、缺陷性質(zhì)、熱處理和加工狀態(tài)這四個方面。

2.1 化學(xué)成分

鋼中各元素對焊接性影響采用碳當(dāng)量Ceq 表示：

資料指出[1]，一般情況下Ceq 不超過0.4%時焊接性良好；超過0.45%時，焊接性降低，隨著含碳量和合金元素的增加，鑄鋼件的焊接性降低。本產(chǎn)品為鎳鉻鉬鋼，其碳當(dāng)量Ceq 介于0.75～0.90 之間，焊接性差.

2.2 缺陷性質(zhì)

本產(chǎn)品缺陷為裂紋，用焊接的方式修補(bǔ)裂紋相對較易，修補(bǔ)后配合MT 或PT 可確認(rèn)缺陷是否徹底消除干凈，焊接性較好。

2.3 熱處理狀態(tài)

基材調(diào)質(zhì)+表面感應(yīng)淬火時，表面硬度很高，致使焊接在快速冷卻時很容易得到對冷裂紋很敏感的淬硬組織，導(dǎo)致開裂，焊接性極差。

2.4 加工狀態(tài)

銷孔內(nèi)為加工狀態(tài)，不過其精度要求較低，焊接后可通過打磨拋光的方式滿足其要求，焊接性較好。

綜上評估，本產(chǎn)品的焊接性很差，特別是受到感應(yīng)淬火表面高硬度的影響。

3 補(bǔ)焊工藝

現(xiàn)采用退火熱處理方式，將鑄鋼件加熱到一定溫度（低于其調(diào)質(zhì)回火溫度30 ℃）并保溫一段時間，然后隨爐緩慢冷卻。退火的目的是降低硬度，消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力。退火后，對裂紋進(jìn)行消缺，并用PT 確認(rèn)是否完全去除干凈（見圖4）.然后對補(bǔ)焊區(qū)域及周邊（整個銷耳）進(jìn)行局部加熱，預(yù)熱溫度≥250 ℃，采用J757Ni 焊條進(jìn)行焊接（見圖5），焊接過程中始終保持溫度不低于250 ℃，層間溫度不高于350 ℃，焊后保溫棉保溫并進(jìn)爐去應(yīng)力回火處理，保溫溫度為低于調(diào)質(zhì)回火溫度30 ℃，保溫時間4 h.

圖4 典型的銷孔內(nèi)裂紋消除后狀態(tài)

圖5 典型的銷孔內(nèi)焊后狀態(tài)

4 補(bǔ)焊后再次感應(yīng)淬火試驗與結(jié)果分析

補(bǔ)焊MT 合格后對履帶板再次進(jìn)行感應(yīng)淬火，采用中頻5 000 HZ，未見裂紋。對滾道面及銷孔內(nèi)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行解剖取樣，如圖6 和7.本體的機(jī)械性能檢測結(jié)果見表1，全部符合要求。

圖6 本體取樣位置

圖7 拉伸試樣及沖擊試樣取樣

表1 機(jī)械性能檢測結(jié)果

進(jìn)行宏觀腐蝕試驗及淬硬層硬度測試，如圖8和圖9，淬硬層深度及硬度測試結(jié)果見表2.對焊接區(qū)、母材區(qū)、熱影響區(qū)在感應(yīng)淬火后的金相觀察結(jié)果如圖10～圖12 所示。

表2 淬硬層深度及硬度測試結(jié)果

圖8 宏淬硬層硬度測試

圖9 宏觀腐蝕

圖10 焊接區(qū)組織（回火馬氏體）

圖11 母材區(qū)組織（回火馬氏體）

圖12 熱影響區(qū)組織（回火馬氏體）

結(jié)果表明：焊接區(qū)、母材區(qū)和熱影響區(qū)，其主要金相組織均為回火馬氏體，其機(jī)械性能和硬度結(jié)果均滿足產(chǎn)品要求。焊接效果良好，未發(fā)生再次開裂。焊接方案可行有效。

5 履帶板的鑄造工藝改進(jìn)

對履帶板銷耳區(qū)域進(jìn)行UT 探傷可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有縮松，銷孔精加工后也會暴露砂眼缺陷，這些缺陷都是感應(yīng)淬火裂紋產(chǎn)生的源頭。

利用MAGMA 和FLOW-3D 等模擬軟件，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，最終確定鑄造工藝修訂方案為：

1）銷控內(nèi)加工余量再增加5 mm，保證表面缺陷在調(diào)質(zhì)前得以加工去除；

2）加大銷耳上方冒口，如圖13 所示，四處小冒口由φ120 加大到φ150，兩處大冒口由φ250 加大到φ300，強(qiáng)化補(bǔ)縮。

圖13 冒口補(bǔ)縮改進(jìn)

UT 和VT 檢驗結(jié)果證明，鑄造工藝修訂方案明顯降低了銷孔內(nèi)缺陷的比例，改進(jìn)后銷孔內(nèi)仍存在缺陷的產(chǎn)品占比不足3%，大約降低10%～15%，且缺陷的尺寸明顯降低，極大地增強(qiáng)了后續(xù)焊修工作的可行性。改進(jìn)前后典型銷孔質(zhì)量狀況如圖14～圖17 所示。

圖14 改進(jìn)前UT 檢測到的內(nèi)部的縮松

圖15 改進(jìn)前銷孔內(nèi)暴露的砂眼缺陷

圖16 改進(jìn)后UT 無缺陷波顯示

圖17 改進(jìn)后銷孔內(nèi)無肉眼可見的砂眼等缺陷

6 結(jié)論

1）采用退火可將履帶板感應(yīng)淬火區(qū)域硬度明顯降低，按照規(guī)定的特殊焊接工藝可成功補(bǔ)焊因感應(yīng)淬火而產(chǎn)生的裂紋，零件再次感應(yīng)淬火后，補(bǔ)焊區(qū)域及本體淬硬層滿足使用要求；

2）通過調(diào)整鑄造工藝，可明顯降低銷孔內(nèi)砂眼及縮松的產(chǎn)生；

3）通過特殊的補(bǔ)焊工藝及鑄造工藝調(diào)整，感應(yīng)淬火履帶板報廢率由10%降低到了1.5%.