礦用壓板淬火裂紋產(chǎn)生原因及改進(jìn)方法

張勇，孫永鵬，米佩，劉瑩

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

壓板是刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵零件，在使用過程中與刮板、螺栓、鏈條組成刮板鏈，在動力部帶動下，煤炭向地面運(yùn)輸。壓板長期運(yùn)行在井下的惡劣環(huán)境中，隨著使用時間的延長，與牽引鏈條嚙合的部位會出現(xiàn)疲勞磨損[1]，最終導(dǎo)致失效[2]。為提高壓板強(qiáng)度，對壓板一般采用整體調(diào)質(zhì)處理。壓板的生產(chǎn)工藝流程為：鍛造→鉆孔→調(diào)質(zhì)→噴丸。壓板結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料選用40Mn2鋼，熱處理采用水作為淬火冷卻介質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，因更換設(shè)備空冷器裝置后，壓板調(diào)質(zhì)時出現(xiàn)孔部位不同程度開裂情況，裂紋如圖2所示。裂紋主要沿軸線方向，同一孔中裂紋有單條，也有多條，主要發(fā)生在薄壁處。對孔開裂情況進(jìn)行統(tǒng)計，其中兩邊孔開裂比例占50%，中間孔開裂的比例占20%，中間和兩邊均有裂紋的占30%，且裂紋深淺不一，最深裂紋深度達(dá)到5mm。本文將從原材料、壓板結(jié)構(gòu)、熱處理工藝等方面對淬火開裂原因進(jìn)行分析并提出了解決 方案。

圖1 壓板調(diào)質(zhì)前結(jié)構(gòu)形貌

圖2 壓板調(diào)質(zhì)后裂紋形貌

2 壓板調(diào)質(zhì)淬火開裂原因分析

2.1 淬火工藝及設(shè)備

本批次開裂壓板調(diào)質(zhì)設(shè)備使用連續(xù)鏈板式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線，通過控制加熱區(qū)、淬火區(qū)、回火區(qū)鏈板移動速度來實(shí)現(xiàn)控制保溫時間和冷卻時間，壓板淬火時采用單件入水淬火方式，淬火時采用空冷裝置對水溫進(jìn)行控制，更換空冷器前后壓板調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)及開裂情況見表1。

從表1工藝參數(shù)對比可看出，調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)最大的區(qū)別是冷卻水溫不同，在未更換空冷器之前，因原空冷器使用時間較長，水溫控制精度低，壓板實(shí)際冷卻水溫一般控制在45～50℃，而在更換為新的空冷器后，冷卻能力提升，使冷卻水溫基本可控制在25～30℃，說明開裂和淬火冷卻介質(zhì)溫度有關(guān)。從表1還可看出，淬火冷卻介質(zhì)溫度變化達(dá)到20℃時就會產(chǎn)生壓板淬火開裂，說明原工藝防止淬火裂紋的安全系數(shù)已經(jīng)很小了，淬火工件已處于開裂邊緣，需要對引起淬火開裂的因素做進(jìn)一步分析，提高防止淬火裂紋的安全系數(shù)。

表1 壓板調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)對比

2.2 原材料成分

對開裂壓板進(jìn)行化學(xué)成分分析，共抽取3件，編號為1#、2#、3#，結(jié)果見表2。從表2可看出，材料成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，但C元素偏上限。40Mn2鋼的強(qiáng)度、塑性和耐磨性較高，有過熱敏感性、高溫回火脆性，且淬火時易開裂，是一種淬透性較高的鋼，錳具有降低鋼的Ar1溫度，增加鋼的淬透性能力，由于wMn在1.00%左右，回火過程中具有二次硬化現(xiàn)象，因此冷卻過程中應(yīng)避開二次硬化區(qū)間[3]。

表2 開裂壓板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 裂紋顯微組織結(jié)構(gòu)與分析

對裂紋部位縱切面切片，觀察裂紋兩側(cè)非金屬夾雜物情況，未發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜缺陷。采用4%硝酸溶液進(jìn)行腐蝕，圖3所示為裂紋起始端，圖4所示為裂紋末端，圖5所示為裂紋部位氧化脫碳情況。

壓板裂紋發(fā)生在孔部位（見圖2），呈現(xiàn)軸向性，從圖3、圖4可看出，裂紋為典型的縱向淬火裂紋，且沿裂紋兩側(cè)存在明顯的氧化（見圖5），說明裂紋產(chǎn)生在淬火階段，后經(jīng)570℃高溫回火時導(dǎo)致裂紋兩側(cè)出現(xiàn)氧化。通常鋼鐵工件的回火溫度低于570℃時，工件表面只發(fā)生氧化，不會產(chǎn)生脫碳，但回火溫度高于570℃時，工件表面不只是發(fā)生氧化，還會發(fā)生脫碳。對開裂部位在低倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，材料有明顯的帶狀組織分布，如圖6所示。帶狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，對于需要后續(xù)熱處理的零件，帶狀組織輕則會導(dǎo)致熱變形過大，重則會造成應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)裂紋。

圖3 壓板裂紋起始端

圖4 壓板裂紋末端

圖5 裂紋部位氧化脫碳情況

圖6 壓板帶狀組織

筆者認(rèn)為，在壓板淬火開裂過程中，帶狀組織的存在會加劇孔部位的開裂。

2.4 壓板結(jié)構(gòu)對裂紋的影響

工件結(jié)構(gòu)形狀是影響淬火裂紋的重要因素之一。對現(xiàn)場壓板開裂部位進(jìn)行統(tǒng)計，90%的裂紋發(fā)生在孔部位，10%裂紋由于鍛造缺陷造成。對壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，孔與其他部位存在明顯的薄厚不一致現(xiàn)象，在淬火冷卻過程中，工件薄弱部位全部淬透，工件的中心和表面都得到馬氏體組織，內(nèi)外硬度相近，但工件表面和中心的組織轉(zhuǎn)變過程不是同時進(jìn)行的，由于表面冷卻速度快，先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，待表層馬氏體轉(zhuǎn)變完成時，次表層和心部才開始馬氏體轉(zhuǎn)變。由于馬氏體比容大，最終形成的組織應(yīng)力在表面形成拉應(yīng)力，心部形成壓應(yīng)力，當(dāng)組織應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時便導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

3 壓板調(diào)質(zhì)工藝改進(jìn)措施

通過分析，認(rèn)為壓板開裂原因可能與熱處理工藝不當(dāng)、壓板結(jié)構(gòu)及工件存在帶狀組織有關(guān)，針對這些因素，通過以下改進(jìn)措施進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 加強(qiáng)壓板原材料成分及鍛造質(zhì)量控制

加強(qiáng)原材料成分控制及檢測工作，避免出現(xiàn)碳含量及合金元素超過標(biāo)準(zhǔn)情況，針對試驗(yàn)的壓板，跟蹤鍛造及鍛后正火處理工序，避免因熱加工溫度不當(dāng)引起的帶狀組織。

3.2 優(yōu)化調(diào)質(zhì)處理工藝

在不改變壓板工藝流程的情況下（調(diào)質(zhì)前先鉆孔），主要從以下兩方面來改進(jìn)淬火工藝。

1）對壓板采用預(yù)冷淬火工藝。實(shí)際生產(chǎn)中采用連續(xù)調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，原工藝中采用的淬火溫度為810℃，分3區(qū)控溫，1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)溫度都設(shè)置為810℃。改進(jìn)后的工藝1區(qū)、2區(qū)淬火溫度設(shè)置為820℃，3區(qū)溫度（淬火出口區(qū)）設(shè)置為790℃，相當(dāng)于在出爐時對孔部位進(jìn)行預(yù)冷處理，預(yù)冷淬火可有效減少淬火開裂。

2）降低淬火冷卻階段的冷卻強(qiáng)度。淬火裂紋的產(chǎn)生一般發(fā)生在淬火冷卻階段[4]，即馬氏體轉(zhuǎn)變基本結(jié)束后或完全冷卻后，因工件表面的拉應(yīng)力超過鋼的斷裂強(qiáng)度而引起的開裂。對比分析空冷器更換前后壓板的開裂情況及后續(xù)對材料、淬火裂紋形態(tài)的分析，壓板淬火開裂的本質(zhì)原因是淬火后期即馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度過快造成的。因此，在淬火時要減緩冷卻速度，考慮過高的淬火冷卻介質(zhì)溫度會影響工件的淬硬層深度，降低工件的力學(xué)性能，權(quán)衡工件的淬火開裂和力學(xué)性能，控制淬火冷卻介質(zhì)溫度至40～45℃。同時，在淬火后期，控制壓板淬火后孔部位的最終返熱溫度，一般返熱溫度控制在200～250℃。

采用上述兩種方法對壓板調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，隨機(jī)抽取鍛造后100件壓板進(jìn)行小批量試驗(yàn)，未發(fā)生孔部位開裂情況，說明改進(jìn)措施有效。

3.3 優(yōu)化壓板生產(chǎn)流程

為了驗(yàn)證壓板結(jié)構(gòu)對開裂的影響，隨機(jī)抽取鍛造后100件改為先調(diào)質(zhì)后鉆孔工藝，其中50件采用空冷器未更換前工藝參數(shù)，50件采用空冷器更換后工藝參數(shù)（見表1），對100件調(diào)質(zhì)處理后的壓板進(jìn)行裂紋檢查，未出現(xiàn)淬火開裂情況，說明壓板采用調(diào)質(zhì)后再鉆孔處理，能夠有效地解決孔部位開裂問題，極大地提高了壓板防裂的安全系數(shù)。

4 結(jié)束語

通過對壓板淬火工藝過程、設(shè)備、材料、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行綜合分析，筆者認(rèn)為，造成壓板開裂的原因如下。

1）壓板淬火冷卻介質(zhì)溫度過低是造成在孔部位開裂的因素。

2）壓板開裂比例較大，與本批次材料成分碳含量偏上限有一定的關(guān)系。針對水淬產(chǎn)品，嚴(yán)格控制材料成分，能很大程度降低淬火開裂風(fēng)險。

3）在加工成本可控的情況下，針對40Mn2鋼材料、壓板結(jié)構(gòu)壁厚不均的情況，優(yōu)化壓板生產(chǎn)流程，由原來的調(diào)質(zhì)前先鉆孔改為調(diào)質(zhì)后再鉆孔，可提高防止淬裂的安全系數(shù)。