一種驅動輪軸感應淬火工藝試驗應用研究

中國一拖集團有限公司工藝材料研究所（河南洛陽 471004）孔春花 張沈潔 馬 戈 劉進營

一種帶齒條鍵槽的驅動輪軸零件（以下簡稱大輪拖驅動軸，見圖1）有4個關鍵、危險、薄弱處：齒條、鍵槽、臺階及花鍵尾部。通常在感應淬火區(qū)域內應盡量避免有孔、棱、溝、槽等易產生淬火裂紋的結構。但由于零件的結構功能需要，這些結構又必須存在時，很有必要對驅動輪軸結構進行技術分析，研究出最佳的工藝方案，通過一系列試驗工作，探索試驗工藝，最終使新的工藝、結構得到優(yōu)化，并攻克驅動輪軸斷裂質量問題，提升大功率輪式拖拉機的制造質量水平，同時為大輪拖的批量生產提供條件。

圖1 大輪拖驅動輪軸結構及感應淬火后零件取樣部位

一、帶齒條鍵槽驅動輪軸所用材料及技術要求

大輪拖驅動輪軸圖樣技術要求：材料為42CrMo；調質硬度262～302HBW；外表面淬火硬度不小于53HRC，圓柱表面淬硬層深7～12mm（見圖2）。其他淬硬層深度：花鍵H1根部3.25～8.25mm；光軸H2～H5為7～12mm；鍵槽、齒條根部≥2mm。淬火硬度52～57HRC；調質硬度262～302HBW。

圖2 零件實物

二、帶齒條鍵槽的驅動輪軸感應淬火工藝試驗

我公司目前所用淬火機床設備的頻率為以下3種：250kHz（高頻淬火機床）、8000Hz（中頻淬火機床）及2500Hz（中頻淬火機床）。而大輪拖驅動輪軸要求的淬硬層深度為7～12mm，根據(jù)標準頻率值與淬硬層深度之間的關系（見表1、表2）可知，采用2500Hz的中頻淬火機床對大輪拖驅動輪軸零件進行感應淬火工藝試驗。

表1 標準頻率值與淬硬層深度之間的關系

表2 圓柱零件表面淬火時頻率的選取

1.工藝參數(shù)的確定

感應熱處理工藝調整是在淬火機床、工藝裝備完成后進行的，根據(jù)淬火零件的技術條件，其工藝調整包括電規(guī)范調整和熱處理規(guī)范調整。電規(guī)范調整主要是調出淬火所需功率，并使高中頻電源設備不過載，處在良好的工作狀態(tài)下；熱處理規(guī)范調整主要包括：零件移動速度、加熱溫度、淬火溫度或加熱、預冷時間、淬火冷卻介質選取及其濃度、溫度、流量或壓力，以及零件與感應器相對位置的調整等。

（1）電流頻率 電流頻率的選擇主要是選擇頻率范圍，也即選擇頻率帶，不是要準確的選擇某一個頻率的數(shù)值，那是毫無意義的。應該說，8000Hz和10000Hz基本上是相同的；2500Hz與3000Hz也可通用；但8000Hz與30000Hz，30000Hz與250000Hz就不能通用了，因為他們不在一個頻帶，有一個數(shù)量級的差別。

電流頻率選擇的恰當與否，將對以下幾個方面產生影響：零件淬火生產率、技術經濟指標、淬硬層組織的均勻性、零件脆裂的傾向性、零件的疲勞強度。

考慮上述5個因素，加熱類型應首先選擇透入式加熱。透入式加熱實質是：

式中 f——電流頻率（Hz）；

X淬——淬硬層深度（mm）。

上式說明，為獲得透入式加熱，電流頻率有一個上限值，它與淬硬層深度有直接關系，淬硬層深度要求越深，電流頻率應越低。

綜合上述兩項有：

上式即為透入式加熱電流頻率的選擇范圍。

電流頻率選擇時，除考慮獲得透入式加熱、感應器能可靠工作因素外，還要考慮感應器的電效率。感應器的電效率取決于零件直徑D（或厚度）與電流透入深度的比值。此值又稱電尺寸。其經驗公式為：

將D=87～100mm代入上式中，可得 306＜f＜3303，故暫時可選2500Hz頻率段。

經過反復試驗，大輪拖驅動輪軸工藝優(yōu)化后的電流頻率為：4000Hz＜f＜5700Hz。

（2）電源功率P

式中 ?n——感應器效率，一般取0.9；

?T——變壓器效率，一般取0.9。

P0——單位功率即功率密度，對連續(xù)加熱取1.0～2.0；

S——加熱面積；S=πDh；

其中：h——感應器高度，h=20mm；

D——直徑，D花鍵=87mm。

選花鍵φ37.1mm處作為功率基準進行工藝調試（也可選其他位置作為功率基準進行工藝調試），光軸功率隨感應器與零件間隙大小通過自動跟蹤由設備顯示得出。

要達到規(guī)定淬硬層深度7～12mm，選擇2500Hz頻率段存在一定困難，加之零件欲達到圖樣規(guī)定的淬硬層深度，所用設備客觀上存在一定的差距，加之大輪拖驅動輪軸零件的結構同時具有鍵槽、齒條等復雜結構，而這些結構的存在導致零件在感應淬火時淬裂傾向加大，且要求的淬硬層較深，其所用材料42CrMo淬透性又好，技術含量高、感應淬火難度大，其淬火質量難以保證，屬感應加熱疑難問題。因此，有必要從工藝方法上采用創(chuàng)新的措施，以滿足其工藝技術要求。在采用傳統(tǒng)的加熱工藝前，對該零件進行預熱處理，通過透入式加熱來滿足其淬硬層深度7～12mm的要求。

故P花鍵取50～70kW進行工藝調試。

經過反復試驗，大輪拖驅動輪軸工藝優(yōu)化后的電源功率P為：P花鍵取50～60kW；P光軸取40～50kW；功率表指數(shù)：9:15。

（3）加熱溫度 確定加熱溫度時，金屬及合金的相變臨界點、再結晶溫度等是基本的理論依據(jù)，但還不能就此來確定各種不同熱處理工藝的加熱溫度，而應根據(jù)具體工件熱處理目的來決定，況且工件的原材料及尺寸，加工過程與擬采用的工藝方法都對加熱溫度的選定有影響。而感應加熱的目的主要是使零件表面達到合適的淬火溫度，并使零件達到一定的淬硬層深度?？梢杂靡韵聝蓚€公式來概括淬火規(guī)范的調整，即

（4）零件移動速度V 零件移動速度V是指零件通過感應器的距離與通過該距離使零件達到淬火溫度所用的時間之比。具體為：

式中 h——感應器高度，本感應器高度為20mm；

t——加熱時間，按經驗數(shù)值取10s。

零件的移動速度V與數(shù)控機床編程時F值（與零件移動速度、感應器間隙大小、加熱功率等有關）關系如下：

在數(shù)控機床編程時F初步選取200～400，為獲得更深的淬硬層，可降低移動速度。經過反復試驗，大輪拖驅動輪軸工藝優(yōu)化后移動速度為：F花鍵=185、Fφ94軸頸=190、Fφ95軸頸=190、Fφ100臺階=190。

（5）變壓比 根據(jù)感應器結構及實踐試驗，取20/1（根據(jù)數(shù)控機床工作情況，可上下調節(jié)為：16/1或18/1等）；經過反復試驗，大輪拖驅動輪軸工藝優(yōu)化后的變壓比為B=16/1。

（6）電參數(shù)

電源電壓：500～600V。

電流：100～120A。

電容：依據(jù)試驗情況中功率因數(shù)值酌情增減，經工藝優(yōu)化試驗后，電容C設置在設備的1、3、4、6檔（左起）。

功率因數(shù)：cosψ=0.9～1；最佳選取為cosψ=1。

零位設置：經工藝優(yōu)化試驗后，基準（零位）設置在：X0=-200。

各部位電參數(shù)見表3。

2.淬火方式

選用連續(xù)式加熱淬火，噴液冷卻的淬火方式。淬火冷卻介質選用的是：0.3%～0.5%聚乙烯醇。淬火冷卻介質壓力：3格（表格指數(shù)）。

表3 各部位加熱時的電參數(shù)

3.淬火加熱時間確定

分段：φ87mm、φ94mm、φ95mm、φ100mm

分析患者在經過第一次冷凍治療后跖疣面積減少情況，把疣體面積減少＞50%的患者和＜50%的患者分為兩組，然后使用隊列研究的方法去分析治愈率和疣體面積變化的關系。

T加熱=T靜止+T滯后（具體數(shù)據(jù)由試驗而定）

4.淬火后金相檢查

物理探傷檢查：目視未發(fā)現(xiàn)裂紋及燒傷等其他異常情況。經磁粉損探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

金相檢測：淬硬層深度取樣部位如圖3所示，金相檢測結果見表4。

圖3 淬硬層深度取樣部位

表4 金相檢測結果

5.感應淬火工藝編程

三、結果分析

1.第一次工藝試驗

存在如下問題：

（1）H1層深符合圖樣要求（3.25～8.25mm）。臺階與H4光軸兩側硬化層深4.5～5.5mm；低于7mm。

（2）齒條根部硬化層，第一齒無；第二齒0.031mm；嚴重偏低（齒條深5.988mm）。不能滿足使用要求，為不合格。

（3）鍵槽根部淬硬層深2.15～2.3mm（鍵槽底部層深符合圖樣要求≥2mm），鍵槽底部硬化層處硬度44～49HRC，偏低；組織中有鐵素體，組織級別為9～10級，為不良組織（感應淬火組織一般要求3～7級合格），馬氏體級別9～10級，不合格。凸緣兩側層深不符合圖樣要求（圖樣要求7～12mm），實測4.47mm、5.09mm、4.89mm、5.31mm，為不合格。

（4）原結構花鍵齒面有少量微小淬火裂紋（裂紋長3.0mm有4條，裂紋長為6.0mm一條）。裂紋均在同一側齒面的2/3齒高處，深度0.44mm。裂紋處機加工刀痕較粗，裂紋在粗刀痕的凹痕底部。機加工刀痕較粗和機加工應力較大對裂紋產生起到促進作用，裂紋產生原因：機加工應力+感應淬火應力在粗刀痕的凹痕底部應力集中處超過零件材料強度所致。因為裂紋細小，且不在花鍵根部應力集中部位對使用影響不大。裂紋處鍵槽根部硬化層深6.56mm。

2.原因分析

加熱不足，致使多處淬硬層深度不足；花鍵處淬火冷卻激烈，造成存在裂紋；鍵槽根部淬火溫度不足、冷卻不足，造成組織不合格、硬度偏低。

3.改進措施

提高加熱功率。花鍵處的調試功率應為50～52kW；完善淬火程序，原程序第一次加熱，齒條第一齒停頓時間F4，擬增加停頓時間變?yōu)镕5，另鍵槽長度區(qū)域移動速度F200，擬調整為F190；第二次加熱，擬增加第一齒停頓時間F1?；ㄦI頂端淬火液冷卻時間由F35調整為F32（-）；為減少淬裂傾向，增大淬火液濃度；修訂臺階與H4光軸兩端加熱停頓點的距離，第一次加熱由29mm變?yōu)?4mm，第二次加熱由35mm變?yōu)?0mm；在機床上再確定距離；調整噴水壓力，由2.5MPa提高到3MPa左右。

四、結語

經工藝優(yōu)化后的感應淬火試驗，無論淬硬層深度、淬火硬度、無損檢測等完全滿足技術要求，試驗效果非常理想，取得了令人滿意的結果。其結論如下：

（1）適當?shù)慕档土思訜犷l率，優(yōu)化了電參數(shù)。

（2）控制淬火冷卻速度，選用斜噴水圈，選擇合適淬火冷卻介質濃度，其濃度應嚴格控制在8%～10%。感應圈與噴水圈的距離為關鍵尺寸。

（3）優(yōu)化淬火程序，在齒條尾部、鍵槽尾部及臺階處適當增加停留時間，確保難加熱處的淬火溫度符合要求。

（4）鍵槽和齒條根部有少量鐵素體，相當于亞溫淬火。對有些零件來說，亞溫淬火是一種先進的熱處理方法。亞溫淬火處理組織為馬氏體+少量鐵素體。鐵素體組織相對耐磨性不利，但少量的鐵素體對疲勞裂紋擴展反而有利，疲勞裂紋尖端遇到鐵素體后，鐵素體發(fā)生塑性變形而松弛疲勞裂紋尖端的應力集中，延緩疲勞裂紋擴展速率。

（5）亞溫淬火保留了一定量的未溶鐵素體，鐵素體是一種軟相，一般會導致鋼鐵材料零件的強度降低，但亞溫淬火加熱溫度低，奧氏體長大傾向小，而且奧氏體晶粒的長大主要表現(xiàn)為晶界的遷移，由于鐵素體的存在，阻礙其晶界遷移，抑制了奧氏體晶粒的長大，同時因奧氏體化溫度低，不利于原子擴散，晶界遷移緩慢。以上因素導致奧氏體晶粒明顯細化，淬火后得到細小的馬氏體組織，起到細晶強化作用。

（6）亞溫淬火的好處：提高馬氏體組織的硬度、細化晶粒、緩解應力集中、減少零件變形及幾乎不降低硬度及強度。

（7）具體到驅動輪軸的鍵槽和齒條根部承受的主要是扭轉彎曲交變應力，斷裂形式為疲勞斷裂，因此，馬氏體+鐵素體雙相組織的疲勞性能可能比純馬氏體組織還高，最起碼對疲勞性能影響不大，因為硬化層硬度達到技術要求。

因而得出結論：驅動輪軸零件中鍵槽尾部結構應為平滑過渡，建議原鍵槽由立銑加工改為臥銑加工。