盾構(gòu)軸承滾道的中頻淬火工藝

端木培蘭，王明禮,霍曉磊，孫小東，王云廣

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 a.技術(shù)中心;b.特大型軸承廠，河南 洛陽(yáng) 471039)

“土壓平衡盾構(gòu)主軸承的研制”屬于公司承擔(dān)的國(guó)家“八六三”重點(diǎn)科研項(xiàng)目。盾構(gòu)主軸軸承是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)上承受載荷(主要是沖擊載荷)最大的部件之一，工作條件極其惡劣。該軸承與傳統(tǒng)軸承相比，屬于3排組合結(jié)構(gòu)，具有滾道結(jié)構(gòu)特殊、滾道淬火面積大且可靠性要求極高等特點(diǎn)。若按照常規(guī)的中頻淬火工藝進(jìn)行淬火，滾道淬火后的硬度和硬化層深度難以達(dá)到技術(shù)要求，該問(wèn)題已經(jīng)成為制約盾構(gòu)軸承研制的技術(shù)瓶頸。針對(duì)這一難題，對(duì)盾構(gòu)軸承試驗(yàn)樣圈滾道進(jìn)行了大量的中頻淬火工藝試驗(yàn)，通過(guò)工藝試驗(yàn)，找到了能夠滿(mǎn)足土壓平衡盾構(gòu)主軸軸承技術(shù)要求的中頻淬火工藝。

1 試樣的化學(xué)成分及技術(shù)要求

試樣材料為42CrMo,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。原材料狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為231 HB。試樣的截面尺寸見(jiàn)圖1。技術(shù)要求為：(1)C，G淬火面硬度要求≥57 HRC；(2)C面有效硬化層深度≥6 mm；(3)G面有效硬化層深度≥3.5 mm。

表1 試樣的化學(xué)成分 %

圖1 試樣截面

2 中頻淬火試驗(yàn)

試驗(yàn)在GC13600淬火機(jī)床上進(jìn)行，檢測(cè)儀器為HR-150洛氏硬度計(jì)和WYT-15糖量計(jì)。

2.1 淬火加熱感應(yīng)器的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用仿型感應(yīng)器對(duì)C面和G面同時(shí)進(jìn)行淬火。設(shè)計(jì)感應(yīng)器時(shí)，應(yīng)考慮尖角效應(yīng)對(duì)加熱面的影響，增大倒角處的耦合間隙，盡可能使整個(gè)加熱面的溫度趨于均勻，感應(yīng)器示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 感應(yīng)器示意圖

2.2 淬火介質(zhì)

目前，國(guó)內(nèi)常用的淬火介質(zhì)有聚乙烯醇(PVA)和聚二醇(PAG)。PVA的主要缺點(diǎn)是使用濃度低(約0.1%～0.3%)，不易管理，易老化變質(zhì)。PAG在長(zhǎng)期使用中性能比較穩(wěn)定，而且濃度比為6%～8%，很容易用折光儀測(cè)定，容易控制，本例選用PAG。

2.3 淬火工藝參數(shù)

感應(yīng)淬火由于加熱速度快，奧氏體不一定會(huì)完全均勻化，提高溫度可以減輕或消除這種現(xiàn)象，而過(guò)高的溫度會(huì)使表面過(guò)熱，淬火后易產(chǎn)生裂紋，所以，42CrMo鋼的感應(yīng)淬火溫度選擇880～920 ℃；根據(jù)技術(shù)要求的硬化層深度，選擇2 500 Hz的電流加熱頻率；工件移動(dòng)速度慢會(huì)影響生產(chǎn)效率，太快易導(dǎo)致淬火裂紋，本例選用110～130 mm/min。

試樣淬火工藝參數(shù)見(jiàn)表2?；鼗鸸に嚍?170±10) ℃×4 h，空冷。

表2 1#～3#和Y-1#～Y-3#淬火工藝參數(shù)

2.4 檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試樣按表2中的工藝參數(shù)淬火并進(jìn)行回火后，對(duì)其表面硬度、硬化層深度及淬火裂紋等項(xiàng)目進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，淬火硬化層形狀見(jiàn)圖3～圖8。

表3 表面硬度、硬化層深度及淬火裂紋檢測(cè)結(jié)果

圖3 1#工藝淬火硬化層形狀

圖4 2#工藝淬火硬化層形狀

圖5 3#工藝淬火硬化層形狀

圖6 Y-1#工藝淬火硬化層形狀

圖7 Y-2#工藝淬火硬化層形狀

圖8 Y-3#工藝淬火硬化層形狀

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并且綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等因素，確定了土壓平衡盾構(gòu)軸承滾道的淬火工藝如下：加熱方式為(170±10) ℃×2 h爐中預(yù)熱；感應(yīng)器移動(dòng)速度為130 mm/min；淬火溫度為(900±20) ℃；加熱功率為25～30 kW(以淬火溫度為準(zhǔn))；淬火頻率為2 500 Hz；淬火介質(zhì)濃度比為c(PAG)=6%～8%，溫度為25～40 ℃。

3 結(jié)果分析

(1)從表2可以看出：淬火前增加預(yù)熱，可使隨后的淬火硬化層深度明顯增加。1#～3#工藝的C面和G面淬硬層深度均未達(dá)到技術(shù)要求，而經(jīng)過(guò)預(yù)熱后的Y-1#～Y-3#淬火工藝得到的表面硬度和淬硬層深度均達(dá)到了技術(shù)要求。這是由于預(yù)熱使工件內(nèi)部得到了熱量?jī)?chǔ)備，零件在后續(xù)的加熱過(guò)程中其內(nèi)部的散熱速度減慢，熱量得到聚集，淬火時(shí)加熱深度較深，因此，淬火后硬化層深度得以增加。

(2)從圖3～圖8硬化層形狀的分布可以看出:每個(gè)試樣的淬火面均存在硬化層不均勻的現(xiàn)象，C面和G面交界的油溝處與C面和G面的倒角處相比淬硬層較淺，這是因?yàn)榇慊鹈娌煌课坏募訜岷蜕釥顟B(tài)的不同所致。電磁感應(yīng)加熱的邊緣效應(yīng)使得C面和G面的倒角處加熱深度較深，所以淬火后硬化層就深；由于C面和G面交界的油溝處需要的熱量多，而該部位熱量向零件內(nèi)部散熱較快，所以淬火后硬化層較淺。油溝處的硬化層過(guò)淺，會(huì)使此處的強(qiáng)度降低，軸承在受傾覆力矩的作用時(shí)，極易從該處開(kāi)裂失效。要改善油溝處的硬化層均勻性，需要調(diào)節(jié)感應(yīng)器的耦合間隙，加大倒角處與油溝處的耦合間隙差值，即調(diào)整加熱面的升溫速度。

(3)工件的移動(dòng)速度越慢，其硬化層深度越深。這是因?yàn)楣ぜ俣嚷?，加熱時(shí)間長(zhǎng)，工件獲得的總熱量就越多，且預(yù)冷時(shí)間加長(zhǎng)，間接地延長(zhǎng)了熱傳導(dǎo)時(shí)間，使淬火工件的加熱深度增加，因而，冷卻后得到的硬化層深度就越深。

4 結(jié)論

(1)在一定的范圍內(nèi)，工件的移動(dòng)速度越慢，硬化層深度越深。

(2)淬火前，將工件進(jìn)行預(yù)熱處理，會(huì)使工件的硬化層深度明顯增加。