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掃描感應淬火回轉支承軟帶裂紋分析
騰召勇
(馬鞍山方圓回轉支承股份有限公司)
回轉支承作為工程機械的關鍵零部件,目前市場上使用量近千萬臺。回轉支承的主要失效形式主要是滾道磨損、齒面磨損、滾道裂紋和齒斷裂等,齒面裂紋或斷裂直接導致回轉支承報廢,滾道裂紋會加速回轉支承的損壞,大大降低回轉支承設計壽命。本文選取回轉支承滾道軟帶使用過程中早期裂紋進行分析,并提出預防措施。
1.裂紋產品描述
本文產生裂紋產品是用于6t挖掘機的回轉支承,回轉中心直徑為730,滾動直徑為22mm。為了測試回轉支承的使用壽命,采用如圖1所示方式模擬實際使用工況進行加載試驗,加載30000轉后發現軟帶區裂紋。
圖1 承載試驗示意
(1)原材料  該產品材質為S48C環件,原材料為圓柱連鑄軋圓鋼錠。經碾環成型,再經調質處理。
(2)產品加工工藝   產品加工工藝流程:毛坯UT→粗車外形→加工堵塞孔→配堵塞→鉆錐銷孔→配錐銷→粗車滾道→滾道淬火→回火→MT→…
該產品工藝采用掃描感應淬火,淬火后進行180~200℃低溫回火,再進行MT探傷。由于該產品掃描感應淬火工藝原因,必須在堵塞處預留一工藝軟帶,如圖2中兩條線之間所示。該產品進行探傷后未發現裂紋后進行后續加工。
圖2 工藝軟帶
2.裂紋分析
(1)裂紋金相檢測  產品經加載試驗后,將產品進行拆檢,發現產品存在兩條裂紋,一條位于堵塞孔邊緣處,一條位于熱處理過渡區。兩條裂紋均位于工藝預留軟帶區,且軟帶區域內存在著明顯的磨損痕跡。滾道其余位置未見異常,內置滾動體未見異常。
將裂紋沿著滾道圓周方向進行線切割后進行金相檢測,并在滾道未見異常區域取樣驗證掃面感應淬火質量符合性。裂紋外觀形貌及裂紋顯微形貌如圖3~5所示。
圖3 裂紋位置
圖4 裂紋1金相照片(100×)
圖5 裂紋2金相照片(100×)
(2)淬火質量符合性檢測  該產品對掃描淬火質量要求為:硬度要求在55~62HRC,淬硬層深度不小于2mm(硬度不低于45HRC),感應淬火金相組織級別為3~7級,無裂紋等缺陷。
對該產品進行金相檢驗,硬度為55.9~56.4HRC,淬硬層深度為3.03~3.26mm,感應淬火金相組織級別為4級,經MT探傷無裂紋等缺陷。淬硬區金相組織如圖6、7所示。
圖6 淬硬區金相照片(400×)
圖7 淬硬區金相照片(100×)
(3)軟帶符合性檢測  行業標準《JB/T2300—2011回轉支承》和《JB/T10839—2008建筑施工機械與設備單排球式回轉支承》對軟帶具有明確的技術要求:軟帶寬度指的是軟帶兩端滾道中部硬度為50HRC處之間的距離;帶有堵塞孔的套圈軟帶寬度應不大于堵塞孔直徑加35mm。
該產品堵塞孔直徑為27mm,則該產品軟帶寬度控制標準為小于等于62mm。按照上述標準對軟帶寬度進行檢測,回火帶寬度為44.2mm,符合標準規定。
(4)裂紋原因分析  感應淬火產生裂紋的影響因素主要有原材料質量不合格、熱處理工藝參數不當等原因。從圖3~圖5裂紋所處位置看,裂紋不在淬硬區,裂紋1(見圖4)位于淬硬層起始位置,裂紋2(見圖5)在堵塞孔邊緣處。
對原材料化學成分、基體組織和力學性能進行了檢測,未發現異常,均符合標準和技術要求(如表1、表2、圖8)。
表1 原材料化學成分
表2 原材料力學性能

 
圖8 基體組織(索氏體)
如前所述,淬火、回火結束后對工件進行了全面MT檢測,工件未見裂紋,裂紋是在工件加載后發現肉眼可見裂紋。可確認裂紋是由于承載受力后產生。
裂紋1原因分析:圖4中裂紋處在基體與淬火過渡區,基體組織區域發生嚴重的塑形變形(見圖9),過渡區出現了少量的馬氏體(見圖4)并逐步向淬硬區過渡,直至馬氏體區(見圖7),屈服強度逐漸增強。在基體與過渡區之間,在反復的碾壓過程中容易造成應力集中,達到該區域內的極限屈服強度后產生裂紋,并沿過渡層擴展。
圖9 軟帶區的壓潰圖片
裂紋2原因分析:工件進行感應淬火時在圖5處為工藝預留回火帶,未經淬火,組織為基體組織。從圖中可發現此處存在著與加載運轉方向一致的塑形變形,組織發生嚴重的流線狀變形。由于工件承載后,因此處未淬火屈服強度較低,當應力超出材料的屈服極限后引起塑性變形,經反復碾壓后晶粒發生滑移,在應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離裂紋。
3.預防措施
通過上述分析可得出,該產品所產生裂紋是由于工件軟帶區承載后產生的工件承載失效裂紋。根據行業的試驗研究課采用下列措施預防軟帶區裂紋的產生:
(1)嚴格控制堵塞與堵塞孔的配合間隙。
(2)對軟帶區進行磨凹處理。
來源:《金屬加工(熱加工)》雜志
2019-12-16

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