球窝结构在大型工程机械设备中得到广泛的应用，尤其是在推土机工作装置铲刀中使用较多，由于在工作过程中受到较大应力、冲击等，需要球窝工件具有较高的耐磨性、抗疲劳强度来提高使用寿命，这就需要合理的热处理工艺来满足上述要求，常用的热处理工艺为感应热处理。我公司生产的球窝工件近期出现批量淬火裂纹现象，为我公司带来较大的损失，本文针对本次裂纹的原因进行探讨。

1.球窝裂纹件概况

工件为托架，材料为ZG35SiMn，R50mm球窝处要求感应淬火，硬化层深度为2.5～4.5mm，表面硬度为52～60HRC，托架的结构示意如图1所示。该件经感应热处理后，超声波探伤发现批量淬火裂纹现象，裂纹形态如图2所示。

（a）

（b）

图 1  零件示意

（a）

（b）

图2  感应淬火裂纹   

该托架的主要工艺过程为：铸造→正火→粗车→精车→感应淬火→回火。感应加热采用集中加热方式，感应器结构示意如图3所示。电流为220A，电压为300V，功率为66kW，频率为12000Hz，加热时间20s，淬火方式为直接在工件上方喷淋自来水（20～40℃）。

图3 托架感应淬火感应器示意

2.原因分析

针对本批次裂纹工件我们从3个方面入手查找裂纹原因：工艺参数、原材料检测、裂纹工件剖检。

（1）工艺参数

首先我们对查看该批次托架淬火工序及前工序工艺参数记录，并对机床进行检测，结果显示无任何异常。其次跟踪该件感应热处理生产过程，发现该件在感应热处理时由于无合适的工装，无法实现旋转加热，造成局部加热不均现象严重，淬火时内应力较大，此为造成裂纹的原因之一。

（2）原材料检测

该件的化学成分如附表所示，满足ZG35SiMn化学成分要求。

ZG35SiMn化学成分（质量分数）表  （%）

从该件化学成分检测中可以看出含有微量的B元素，国内外资料显示，B元素具有提高淬透性的作用，只需要极小的量就有明显的提高淬透性的作用。我公司生产的该件选用生产链轨节（35CrMoB）边角料作为铸钢原料之一，该材料属于硼钢，不可避免的含有B元素，促使该件淬透性提高，造成开裂倾向增大。剖检结果显示硬化层深度达到6mm，超出硬化层深度要求范围。又由于该材料本身的DI较高，使用淬火能力很强的水作为淬火液也是使该件出现裂纹的原因之一。

（3）裂纹剖检

我们剖切裂纹工件，对工件进行检测，表面主要检测结果如下：有效硬化层深度为6mm，表面硬度为54～55HRC，马氏体级别4～5级，晶粒度9级，硬化层深度过深。

图4 硬化层组织

心部检测结果如下：心部硬度为163HBW，晶粒度为6级，组织为珠光体和铁素体，铸态组织未完全消除，金相组织见图5。从金相分析结果显示该件正火不充分，存在铸态组织，组织不合格是造成本次裂纹的原因之一。

图5 工件心部组织

针对裂纹区域我们进行了深入的分析，经研究发现裂纹区域存在缩孔、缩松等铸造缺陷（见图6），裂纹不是从球窝表面开始，而是由内部疏松开始引起。由此我们判断此次铸造缺陷是造成淬火裂纹的直接原因。

（a）

（b）

图6 工件缩松

3.改善措施

通过以上分析我们找到造成裂纹的几种原因，针对上述原因我们采用以下方案：

（1）设计专用的旋转工装（见图7），使该件在加热时可以旋转，加热更为均匀，减小淬火时内应力，从而减小裂纹倾向。

图7 设计专用旋转工作

（2）使用5%～7%AQ251淬火液代替水作为淬火介质。

（3）改善该件铸造工艺，在球窝位置处增加1处冒口，并将原定正火保温时间由2h延长至3h，后经剖检铸造缩松现象消除。不再使用硼钢下角料作为铸造原料。

4.结语

通过以上三种措施，我们跟踪4批次200多件球窝件感应淬火过程，探伤结果显示，无任何裂纹产生。剖检结果显示有效硬化层深度为3～4mm，表面硬度为54～58HRC，马氏体级别4～5级，晶粒度8～9级。心部硬度为170HBW，晶粒度为6级，组织为珠光体和铁素体，均满足要求。