對(duì)厚壁工件中頻調(diào)質(zhì)的幾點(diǎn)見解

王克虎，李艷麗

（石家莊探礦機(jī)械廠，河北 石家莊 050081）

熱處理通常是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的。大多數(shù)熱處理過程，首先必須把鋼加熱到奧氏體狀態(tài)，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s以獲得所期望的組織和性能。把鋼加熱獲得奧氏體的轉(zhuǎn)變過程稱為“奧氏體”化，奧氏體的形成過程由四個(gè)基本過程組成：奧氏體形核、奧氏體長(zhǎng)大、剩余滲碳體的溶解和奧氏體成份均勻化。而近年來迅速發(fā)展起來的中頻熱處理，是以零保溫理論為基礎(chǔ)的，由普通的熱處理三個(gè)階段減少了保溫階段，從而使鋼的奧氏體化進(jìn)行的不完全。雖然零保溫理論在學(xué)術(shù)界還存在爭(zhēng)議，但中頻熱處理以其投資小、見效快的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)倍受中小企業(yè)的青睞，尤其適用于鉆鋌等長(zhǎng)桿類工件的調(diào)質(zhì)處理。

圖1 中頻調(diào)質(zhì)示意圖

1 中頻調(diào)質(zhì)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及原因分析

1．1 淬透性不足

造成此類現(xiàn)象和原因不外乎以下幾種情況：

（1）加熱不足。中頻加熱速度快，一般不進(jìn)行保溫，先共析相不能充分溶解，中頻加熱表面淬火按正常溫度進(jìn)行淬火會(huì)表現(xiàn)為加熱不足。在利用中頻加熱進(jìn)行表面處理時(shí)可采用較高的淬火加熱溫度來加速先共析相的溶解。但利用中頻加熱對(duì)工件進(jìn)行整體淬火時(shí)溫度過高，熱應(yīng)力增高，易造成淬火開裂。

（2）中頻加熱是利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面產(chǎn)生的渦流對(duì)工件進(jìn)行加熱，但渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數(shù)規(guī)律遞減。因此而造成工件的內(nèi)外溫度差異，致使內(nèi)部淬火實(shí)際溫度偏低。中頻調(diào)質(zhì)時(shí)電流頻率可依據(jù)被加熱工件厚度按下式進(jìn)行計(jì)算：／

式中：δ——電流透入深度，mm；

f——電流頻率，Hz。

另外，材料本身淬透性較差，淬火介質(zhì)冷卻能力不足也是造成淬透性不足的重要原因。

1．2 硬度、強(qiáng)度合格而沖擊功偏低

金相檢驗(yàn)時(shí)，組織經(jīng)常呈以下缺陷形式：

（1）晶粒較粗大并伴生晶間顯微裂紋。這往往是由于加熱溫度較高以及淬火介質(zhì)冷卻特性不好。工件加熱溫度過高造成淬火熱應(yīng)力增加，并使晶粒粗化，淬火形成粗大針狀馬氏體。淬火介質(zhì)冷卻特性不好，在650℃以上和400℃以下Ms點(diǎn)附近等應(yīng)當(dāng)緩冷的區(qū)域冷速過快，增大了組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力，產(chǎn)生晶間顯微裂紋并增加開裂傾向，也降低了沖擊韌性。

1) 此故障診斷過程中在燃油泄漏報(bào)警故障沒有發(fā)出報(bào)警信號(hào)的情況下，柴油機(jī)油耗率起到關(guān)鍵性作用，極大地縮小故障診斷范圍，有效地提高故障診斷效率。因此，船舶能效管理系統(tǒng)中的柴油機(jī)燃油消耗率能夠在指導(dǎo)優(yōu)化船舶能耗的同時(shí)，也能夠?yàn)榇皺C(jī)械設(shè)備故障診斷提供有效依據(jù)。

（2）存在較多量的上貝氏體和塊粒狀鐵素體，鐵素體沿晶成網(wǎng)狀或趨網(wǎng)狀分布。這是由于工件淬火時(shí)進(jìn)入冷卻介質(zhì)時(shí)間間隔過長(zhǎng)或大工件心部淬不透。造成塊狀鐵素體沿晶界析出并在隨后的冷卻過程中析出上貝氏體組織。調(diào)質(zhì)硬度可通過控制回火溫度來加以控制，而強(qiáng)度和硬度又有如下近似關(guān)系：Rm約等于3．3倍的布氏硬度值，所以在做拉伸試驗(yàn)時(shí)，材料強(qiáng)度并沒有明顯影響。但這種缺陷組織的存在，沖擊功明顯偏低。

（3）最常見的組織缺陷是回火索氏體加帶狀分布的鐵素體。這在中頻熱處理中是比較突出的問題。中頻熱處理以零保溫為其理論基礎(chǔ)，將奧氏體化的四個(gè)基本過程減少了最后的一個(gè)甚至二個(gè)過程，使原材料組織缺陷及成分偏析依然保留在淬、回火后的組織中。這種帶狀組織并不影響宏觀的硬度和縱向的屈服和抗拉強(qiáng)度，但對(duì)沖擊韌性卻有較大影響。

2 改進(jìn)中頻調(diào)質(zhì)的措施

針對(duì)所產(chǎn)生的上述問題及原因，要做好中頻調(diào)質(zhì)，需從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）選用淬透性較高的材料，以保證工件淬火后得到馬氏體或下貝氏體組織；

（2）采用高溫加熱降溫淬火。這樣既加速了先共析相的溶解又減小淬火熱應(yīng)力，有效防止淬火開裂；

（3）依工件厚度采用合適的加熱頻率。使工件均勻受熱；

（4）根據(jù)材料選擇合適的淬火介質(zhì)；

（5）在合適的位置設(shè)置噴淋裝置，控制工件淬火溫度；

（6）對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造，加裝保溫裝置，使工件燒透并促進(jìn)奧氏體成分均勻化。

3 改進(jìn)中頻調(diào)質(zhì)后所能達(dá)到的預(yù)期效果

只有在中頻調(diào)質(zhì)過程中充分考慮到以上條件，被處理工件經(jīng)過調(diào)質(zhì)后才能達(dá)到預(yù)期的效果?，F(xiàn)以我廠經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后改進(jìn)的工藝舉例說明。

工件外形尺寸：φ159×φ72×6000mm

原材料：4145H

（1）化學(xué)成分

元素C Mn Cr Mo Si P S Cu W／%0．47 1．05 1．10 0．18 0．20 0．013 0．006 0．11

（2）根據(jù)GB225－88對(duì)材料進(jìn)行淬透性試驗(yàn)，其結(jié)果為：J58／1．5；J56／25；J49／50。

（3）根據(jù)GB10561－2001對(duì)原材料進(jìn)行夾雜物評(píng)定：

類別粗系 細(xì)系A(chǔ) B C D A B C D級(jí)別1．0 1．0 0 0 2．0 1．0 0 0

（4）根據(jù)GB6394－2002標(biāo)準(zhǔn)該原材料晶粒度為8級(jí)。

（5）該材料供應(yīng)狀態(tài)為退火態(tài)，組織為珠光體＋鐵素體，如圖2。

圖2

綜合上述情況：該工件壁厚43．5mm，壁厚較大，含有較高的提高淬透性的 Mn、Cr、Mo元素，淬透性較高。組織相對(duì)較均勻，適合于淬火處理。

現(xiàn)設(shè)定淬火處理工藝：工件行走速度0．17m／min；加熱中頻頻率180 Hz，加熱溫度880℃。保溫中頻頻率400 Hz，工件在保溫后入水溫度780℃。中頻加熱厚壁工件應(yīng)盡量選用較低頻率以使工件燒透，為使工件溫度均勻加熱后應(yīng)留有一定的保溫時(shí)間，使高溫的外層熱量向內(nèi)層有充分的傳導(dǎo)時(shí)間。后邊的保溫中頻實(shí)際上是兼有保溫和控溫的雙重作用，既能促進(jìn)溫度的均勻化又能使入水溫度不致過高而導(dǎo)致開裂。

淬火后還應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行合理的回火，以達(dá)到工件所要求的強(qiáng)韌性，現(xiàn)制定回火工藝如下：工件行走速度0．17m／min；加熱中頻頻率110Hz，加熱溫度620℃，保溫中頻400 Hz，保持溫度在620℃。

經(jīng)過此工藝處理的工件，自管體圓周方向120度三等分的壁厚中間取直徑12．7mm標(biāo)距50．8mm的拉伸試樣和10×10×55的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣分別在WAW－300C萬能試驗(yàn)機(jī)和JB－300沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下表：

1＃ 2＃ 3＃標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度Rm，MPa 1090 1050 1080 ≥965屈服強(qiáng)度Rp0．2，MPa 1040 990 1020 ≥758伸長(zhǎng)率 A，% 17．0 16．0 16．5 ≥13．0斷面收縮率Z，%57．0 53．0 53．0沖擊功Akv，J 124 92 120 平均≥54，單件≥47

各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到API SPEC 7－1標(biāo)準(zhǔn)要求。

將工件取全截面進(jìn)行低倍和金相分析，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3

圖4

從圖3可以看出組織中從管體的外徑向內(nèi)約20mm范圍內(nèi)為均勻的回火索氏體，再向內(nèi)開始出現(xiàn)鐵素體，并向內(nèi)徑方向依次增多。圖4為壁厚中間處的調(diào)質(zhì)組織為回火索氏體加少量的鐵素體，符合GB／T13320－1991標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)要求。

綜上所述：經(jīng)過對(duì)中頻調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行改進(jìn)后各項(xiàng)指標(biāo)均超過了標(biāo)準(zhǔn)要求，取得了較好的效果。

（略）