動(dòng)車組國(guó)產(chǎn)化螺栓的高頻淬火工藝試驗(yàn)研究

李正強(qiáng)，王 欣，程 鑫，黃 峻，靳曉波

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

動(dòng)車組國(guó)產(chǎn)化螺栓的高頻淬火工藝試驗(yàn)研究

李正強(qiáng)，王 欣，程 鑫，黃 峻，靳曉波

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

對(duì)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化部件中要求做表面高頻淬火的一種螺栓進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，通過(guò)大量的試驗(yàn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，最終生產(chǎn)出了滿足圖紙中表面淬火技術(shù)要求的零件。

高頻淬火；硬度；螺栓

高頻淬火是指利用高頻電流使工件表面局部進(jìn)行加熱、冷卻，獲得表面硬化層的熱處理方法。利用表面加熱淬火得到表面硬化層后，零件的芯部仍可保持原來(lái)的顯微組織和性能不變，從而達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度、提高耐磨性并保持芯部韌性的優(yōu)良綜合性能［1］。動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化部件中有一種螺栓要求做表面高頻淬火，目的就是對(duì)螺栓表面進(jìn)行一定深度的強(qiáng)化，提高螺栓表面的耐磨性。本文對(duì)該螺栓表面高頻淬火的工藝進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，最終滿足了圖紙中對(duì)高頻淬火的技術(shù)要求。

1 螺栓高頻淬火技術(shù)要求

如圖1所示。零件材料為42Cr Mo，技術(shù)要求對(duì)圖1中虛線所覆蓋的圓周區(qū)域進(jìn)行高頻淬火，并且要求淬火區(qū)到頭部不得大于2 mm，到尾部不得大于8 mm，且頭部不允許被淬上，淬火后表面硬度在610～760 HV范圍內(nèi)，要求硬度值為400 HV的檢測(cè)點(diǎn)落在0.6～1.2 mm的深度區(qū)間內(nèi)。

2 工藝參數(shù)選擇

2.1 電流頻率

電流透入深度是用來(lái)表征高頻加熱機(jī)感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)程度的物理量，直接影響工件的加熱效率和淬火效果。電流密度在工件中的分布是從表面向里衰減的，其衰減大致成指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)導(dǎo)體電流密度由表面向里面衰減到數(shù)值等于表面電流密度的0.368時(shí)，該處到表面的距離δ稱為電流透入深度，可以認(rèn)為交流電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量大部分集中在電流透入深度δ以內(nèi)。

不同的電流頻率，在鋼中的透入深度是不同的，適合于不同尺寸的工件。一般來(lái)說(shuō)，電流頻率越高，電流透入深度越淺，適合尺寸較小的工件透熱；電流頻率越低，電流透入深度越深，就越適合大型工件的透熱。

感應(yīng)加熱頻率主要是根據(jù)熱處理技術(shù)要求及加熱深度要求選擇：（1）高頻（10 k Hz以上）加熱的深度為0.5～2.5 mm，一般用于中小型零件的加熱；（2）中頻（1～10 k Hz）加熱深度為2～10 mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。各種頻率電流在鋼中的透入深度見(jiàn)表1［2］。

當(dāng)材料的電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率確定以后，透入深度δ僅與頻率f的平方根成反比。頻率f與透入深度δ的關(guān)系，由公式（1）：

式中f為頻率，Hz；δ為透入深度，mm。

根據(jù)零件淬火深度要求（0.6～1.2 mm）及式（1），計(jì)算出加熱電流頻率應(yīng)控制在170～700 k Hz區(qū)間內(nèi)。

2.2 加熱方法

感應(yīng)加熱淬火按加熱方式主要有同時(shí)加熱淬火法、連續(xù)加熱淬火法和縱向加熱整體淬火法3種。

同時(shí)加熱淬火法是零件需要淬硬的區(qū)域整個(gè)被感應(yīng)器包圍，通電加熱到淬火溫度后迅速冷卻淬火。其優(yōu)點(diǎn)是可以直接從感應(yīng)器的噴水孔中噴水冷卻，也可以將工件移出感應(yīng)器迅速浸入淬火槽中冷卻，淬火效率高，適用于大批量生產(chǎn)。當(dāng)工件淬火加熱表面積與比功率的乘積≤設(shè)備功率時(shí)采用。

連續(xù)加熱淬火法是零件與感應(yīng)器相對(duì)移動(dòng)，使加熱和冷卻連續(xù)不斷地進(jìn)行，適用于淬硬區(qū)較長(zhǎng)，設(shè)備功率又達(dá)不到同時(shí)加熱要求的情況。其優(yōu)點(diǎn)是能使用較小容量的設(shè)備處理大型工件。連續(xù)加熱淬火法主要加熱參數(shù)是設(shè)備的輸出功率和感應(yīng)器與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。適用于軸類、桿類及尺寸較大平面的工件加熱淬火，同時(shí)當(dāng)工件淬火加熱表面積與比功率的乘積＞設(shè)備功率時(shí)采用。

縱向加熱整體淬火法也稱為橫向磁場(chǎng)加熱淬火法，使用該方式加熱工件時(shí)，工件軸向中心線與感應(yīng)器軸心線重合，當(dāng)感應(yīng)器通入交變電流時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)工件使工件表面均勻升溫。達(dá)到淬火溫度后進(jìn)行噴射冷卻或浸沉冷卻，使工件整個(gè)表面層同時(shí)淬硬。適用于曲面零件和橫截面有變化的各種軸類零件。

根據(jù)該零件的特點(diǎn)，優(yōu)先選用連續(xù)加熱淬火法。

2.3 比功率

零件單位表面的功率又稱比功率，是指被加熱零件單位面積上所需要的功率。依據(jù)比功率計(jì)算零件加熱需要的總功率，進(jìn)而選擇感應(yīng)裝置功率。比功率越大，加熱越快，淬火層越深。比功率P的計(jì)算公式如式（2）［2］：

式中PL為加熱功率，k W；SL為同時(shí)加熱面積，cm2。

準(zhǔn)確計(jì)算比功率比較困難，通常采用近似估算、查表或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方法，表2為比功率P，k W/cm2經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及適用范圍［2］：

根據(jù)該零件的加熱方式，加熱比功率范圍在2.0～ 3.5 k W/cm2。

2.4 感應(yīng)圈設(shè)計(jì)

高頻淬火感應(yīng)器主要由有效圈和導(dǎo)線兩部分組成［3］，感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主要參數(shù)選擇：

（1）感應(yīng)圈有效直徑：感應(yīng)器有效圈直徑與零件直徑的關(guān)系通常用零件與感應(yīng)器之間的間隙a表示，a越小，傳遞給零件的功率P越大，公式如式（3）［4］：

外圓表面淬火時(shí)，零件直徑d≥50 mm，淬火層深度≥2.5 mm時(shí)，a＝4～5 mm；當(dāng)d≤50 mm時(shí)，a＝2～4 mm。根據(jù)公式D＝d＋2a，計(jì)算出感應(yīng)器內(nèi)徑D＝28～32 mm。

（2）感應(yīng)器有效圈高度：感應(yīng)器有效圈的高度取決于零件淬火部位的高度和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軸類零件連續(xù)淬火使用的感應(yīng)圈寬度B一般取6～8 mm，高度h取6～8 mm。常用有效圈數(shù)來(lái)說(shuō)明感應(yīng)圈的高度，圈數(shù)取決于零件淬火層深度，選擇圈數(shù)時(shí)參見(jiàn)表3［4］。

2.4 感應(yīng)加熱設(shè)備功率

感應(yīng)加熱設(shè)備的功率與工件要求的加熱層深度、加熱表面積及加熱方式有關(guān)。

（1）零件加熱所需總功率，連續(xù)加熱淬火總功率的計(jì)算公式如下：

h為感應(yīng)圈高度，cm。

（2）感應(yīng)加熱裝置的輸出功率，也稱額定振蕩功率：

式中ηB為淬火變壓器效率，為0.65～0.85，常取0.8；ηM為感應(yīng)器電效率，為0.65～0.85，常取0.8；ηC為回路的傳輸效率，常取0.9。

通過(guò)計(jì)算得到感應(yīng)加熱裝置的輸出功率P1，根據(jù)P1再考慮必要的功率余量，通過(guò)查閱有關(guān)頻率范圍內(nèi)的感應(yīng)加熱裝置規(guī)格，進(jìn)而選取滿足功率要求的設(shè)備型號(hào)。

2.5 冷卻參數(shù)和淬火介質(zhì)［5］

該工件的材質(zhì)為42Cr Mo，屬于中碳低合金鋼，淬透性較好。中碳鋼表面淬火一般用自來(lái)水作淬火介質(zhì)，感應(yīng)淬火的冷卻方式一般采用噴射冷卻，其水壓一般為0.1～0.4 MPa。

連續(xù)加熱淬火的冷卻是在工件或感應(yīng)器開(kāi)始移動(dòng)時(shí)開(kāi)始的，加熱停止后冷卻還要持續(xù)一段時(shí)間，以保證整個(gè)工件淬火后溫度均勻，停止加熱后冷卻的持續(xù)時(shí)間根據(jù)具體工件確定，一般為5～15 s。

3 工藝試制及結(jié)果

根據(jù)以上分析并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，經(jīng)過(guò)研究制定工藝方案如下：

（1）選擇設(shè)備的電流頻率為300 k Hz；

（2）確定加熱方法為連續(xù)加熱淬火法；

（3）設(shè)備的額定功率為1 500 W；

（4）淬火介質(zhì)為水；

（5）冷卻時(shí)間為10 s。

在不同進(jìn)給、不同功率、不同旋轉(zhuǎn)速度以及有無(wú)水冷情況下分別做高頻淬火試驗(yàn)，得到不同表層硬度值，如表4所示。

由表4可知：將工件進(jìn)給控制在1 200 mm/min左右，感應(yīng)圈加熱功率設(shè)定為750 W，工作臺(tái)帶動(dòng)試件旋轉(zhuǎn)速度4 000 r/min，可得到理想的表層硬度。對(duì)以上試件進(jìn)行抽樣剖切檢測(cè)，得到在不同硬化層深度處的硬度值，如圖3所示。硬度為400 HV的檢測(cè)點(diǎn)距表層的距離為0.8 mm，落在0.6～1.2 mm的深度區(qū)間內(nèi)，滿足了圖紙要求。

4 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)研究該螺栓高頻淬火的幾個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)為進(jìn)給量1 200 mm/min，感應(yīng)圈加熱功率750 W，工作臺(tái)帶動(dòng)試件旋轉(zhuǎn)速度4 000 r/min。

（2）通過(guò)對(duì)螺栓進(jìn)行抽樣剖切，檢測(cè)不同硬化層深處的硬度值，硬度為400 HV檢測(cè)點(diǎn)距表層的距離為0.8 mm，在0.6～1.2 mm深度區(qū)間內(nèi)，滿足圖紙要求。

［1］ 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)編.熱處理手冊(cè)（第1卷），工藝基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 張傳旭.高頻感應(yīng)加熱設(shè)備的選用與熱處理工藝的制定［J］.熱處理，2007，22（3）：54-62.

［3］ 盧瑞昌.高頻加熱感應(yīng)器的設(shè)計(jì)［J］.四川機(jī)械，1982，（6）：61-64.

［4］ 董清印.高、中頻淬火感應(yīng)器設(shè)計(jì)［J］.金屬加工，2008，（7）：30-34.

［5］ 鋼的淬火冷卻與淬火介質(zhì)的選用［J］.熱處理，2011，26（2）：52-58.

Test Study of High Frequency Quenching Process of EMU Localization Bolt

LI Zhengqiang，WANG Xin，CHENG Xin，HUANG Jun，JIN Xiaobo
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In the braking system of EMU，there is a kind of bolt which requires high frequency quenching process.In this paper，the process is studied by lots of test，the process parameters are optimized，and eventually the bolt that can satisfy the drawing requirement of surface hardening technology is produced.

high frequency quenching；hardness；bolt

U26

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.14

1008－7842（2014）06－0058－04

1—）男，助理研究員（

2014－07－31）