链轮表面淬火裂纹分析与研究

【摘要】本文对链轮齿部感应淬火硬化进行探讨，结合生产实际分析了链轮感应淬火出现的问题，从工艺上解决了仿齿廓硬化实现的可能，并避免了由此所产生的淬火裂纹问题。

【关键词】链轮感应淬火仿齿廓硬化剥离裂纹

一、前言

目前国内中小链轮多采用中频或超音频感应淬火工艺，以提高齿部的耐磨性和疲劳强度，延长链轮的使用寿命。但是，在链轮齿部感应淬火后经常出现齿部裂纹，针对这一问题做了大量分析研究。

链轮材质45钢，技术要求：调质220～260HB，齿部表面硬化HRC。

二、链轮裂纹分析

链轮齿部裂纹的形态呈现出多样性：有沿齿底部以下5mm处的周向裂纹，裂纹比较宽，裂纹长度少则1/3周长：有沿齿根穿透硬化层的淬火裂纹；有沿齿高3/4处的断裂裂纹；同时还有以上集中裂纹交错并存现象。给裂纹分析增加了一定的困难。

2.1周向裂纹

周向裂纹是此次链轮开裂的主要特征，占裂纹链轮总数70%以上，只是各条裂纹有宽有窄（宽度

周向裂纹也称为“玻璃裂纹”。这种裂纹主要发生在中频淬火零件中（见图1）。

齿底部下5～6mm裂纹（x100倍）当表面淬火层深度>4mm时，淬火层表面由压应力状态开始向拉应力转变，随着淬火层深度的增加，拉应力逐渐增加，一旦拉应力大于零件的破断力，就会在淬火层与非淬火层交界处发生“剥离裂纹”。根据裂纹链轮的金相分析：链轮淬火层的深度约为5mm（图2）。

综上所述，链轮淬火层过深并且淬火层没有实现零件的仿形分布，以至于使淬火层表面处于过大拉应力状态，表面应力分布不均匀，是链轮裂纹的主要原因。

2.2穿透淬火层的淬火裂纹

在链轮齿根部也出现了少量的淬火裂纹。这种裂纹肉眼观测极不清楚，经过探伤才能发现。它主要发生在淬火层，其中个别裂纹与剥离裂纹贯通形成更严重的开裂现象，金相分析发现淬火层组织比较粗大，应该是淬火温度偏高所造成。

2.3齿部的断裂裂纹

根据现场观察，这些链轮齿底部基本没有淬火层，齿部的淬火层仅有齿高3/4，而且全齿淬透，裂纹比较清晰。根据分析裂纹发生在淬火层与非淬火层交界处，属于剥离裂纹一类。

2.4结论

根据链轮裂纹的解剖与分析，要解决链轮裂纹首先应该解决淬火层的深度和淬火层的仿形分布，同时也要控制好合理的淬火温度。只要把淬火层控制在≤2mm，力求使淬火层最大限度实现仿形齿部硬化，并且将零件淬火余温控制在100～1500C，就可以从根本上解决链轮裂纹问题。

补充说明：期间对某些裂纹链轮做过金相分析发现，硬化层金相组织为回火马氏体6级，说明淬火温度并不高，也会发生剥离裂纹，甚至还有一些链轮存在加热不足现象仍然出现了剥离裂纹。

三、工艺分析

对链轮裂纹问题有了明确认识以后，针对先前的生产工艺进行详尽分析和研究，对工艺中所有能够引发的各类因素进行解析分类，结合中频设备加热的原理及特点，逐一研究提炼，并对下一步工艺试验方案进行周密探讨部署：（注：工艺试验主要在8KHZ中频加热设备上进行）

3.1原工艺存在的问题经过分析认为

之前采用的工艺过于依赖设备固有的频率，该频率对零件的电流透入深度达4mm，往往使淬火层深度超过4mm，使淬火层表面具有较大拉应力，导致裂纹。

原工艺加热功率偏大、电流密度较高、加热时间较长等，这些因素都会提高淬火层深度和淬火温度，增加零件淬火开裂倾向。

原工艺淬火冷却介质是水，对冷却时间没有严格规定，不利于减少淬火应力，容易造成淬火裂纹。

3.2工艺试验方案

根据链轮裂纹和原工艺的分析与讨论，工艺试验方案的针对性、目的性非常明确，结合当前实际情况，充分利用已经报废的链轮进行调整、调试和改制，确定工艺试验方案采用节圆直径为Φ124.425mm，06B链轮作为工艺试验的典型零件。

以典型零件为设计依据，工艺试验有针对性地提出一系列改进措施：（1）加热功率有160KW减至90～100KW，减小加热的电流密度，加热时间控制在3～4S；（2）淬火介质改用5～10%AQ251淬火液；淬火冷却时间缩短至0.3～0.4S，零件淬火后的余温控制在100～150℃之间；（3）感应器与被加热零件的间隙6mm；（4）控制淬火层在1～2mm之间，最大可能地使淬火层沿齿形仿形分布，确保表面应力为压应力并较均匀分布。

四、链轮工艺试验结果

在工艺试验过程中，随机收集部分试验分析和结果。

4.1顶圆直径Φ124.425mm，06B链轮试验结果（见图3）

淬火层深度1.2mm，淬火硬度：齿侧HRC56、齿底部HRC59。淬火层组织：微细马氏体5级。探伤：一批7件均无裂纹。热处理工艺：功率90KW、加热时间3.5S，感应器与零件间隙6mm。280～300℃回火2h空冷。回火硬度：齿侧HRC47、齿底部HRC49（图纸要求：齿部表面硬化HRC45～50）。

4.2顶圆直径Φ149.5mm，08B链轮试验结果（见图4）

淬火层深度1.24mm，淬火硬度：齿侧HRC61齿底部HRC61。淬火组织：微细马氏体5级。探伤：一批6件均无裂纹。热处理工艺：功率129KW加热时间3.5S冷却时间0.2～0.3S，感应器与零件间隙5.5mm。280～300℃回火1h空冷。回火硬度：齿侧HRC49齿底部HRC49（图纸要求：齿部表面硬化HRC45～50）。

在工艺试验过程中，对淬火链轮长时间不回火，也未发现裂纹，这说明合理的淬火余温既能减轻链轮的淬火应力也能起到零件的自回火作用。

目前采用上述热处理工艺已生产各种规格链轮1200余件，探伤后均无裂纹。