感應(yīng)淬火的冷卻技術(shù)探討

上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司（201707）陳生福

感應(yīng)淬火技術(shù)具有的加熱速度快、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)已得到普遍認(rèn)同，且在機(jī)械制造行業(yè)，特別在汽車制造行業(yè)已獲得廣泛的應(yīng)用。長期以來，人們對感應(yīng)淬火中的加熱技術(shù)給予了足夠的重視，作了大量的工作（例如感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)研究（頻率、功率、加熱時(shí)間等方面），并取得良好成績，人們可以獲得一個(gè)理想的熱形和合適的淬火溫度。而對冷卻技術(shù)往往不很在意，甚至忽視，因此，出現(xiàn)一些淬火工藝質(zhì)量問題，諸如硬度不足、硬度不均、淬火裂紋等。鑒于這種情況，本文就感應(yīng)淬火中的冷卻技術(shù)問題，提出一些意見與同行討論。

一、感應(yīng)淬火后為什么要快速冷卻

眾所周知，感應(yīng)淬火一般用于機(jī)械零件的表面層淬火。利用感應(yīng)加熱使鋼鐵零件的某一部位的表面層快速加熱到淬火溫度，然后再快速冷卻淬火（一般是噴射冷卻淬火），使表面層獲得高硬度的馬氏體組織。而其他加熱方式由于加熱速度慢，不能獲得表面層加熱，更難于實(shí)現(xiàn)快速冷卻，自然不能得到表面層淬火。

不同冷卻速度下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能是不同的。圖1顯示了6種冷卻速度在過冷奧氏體等溫分解曲線上（“C”曲線）的表現(xiàn)情況。

圖1 C曲線與各種連續(xù)冷卻速度的關(guān)系

如圖1所示，因冷卻速度不同，造就了不同的熱處理工藝方法，圖中冷卻速度V1代表退火（隨爐冷卻）、V2代表正火（空氣中冷卻或風(fēng)冷），它們分別得到珠光體和細(xì)珠光體組織，通常硬度15～30HRC；冷卻速度V3、V4代表不完全淬火，在普通熱處理中，大（中）型零件的淬火冷卻速度，就是V3、V4所表示的冷卻速度，它要穿過奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，淬火組織是非馬氏體組織（珠光體、索氏體或托氏體）+馬氏體組織，由各種組織的比例多少?zèng)Q定淬火的硬度，一般35～50HRC；冷卻速度V5代表等溫淬火（等溫淬火生產(chǎn)使用很少）；冷卻速度V6代表完全淬火的冷卻速度，普通熱處理的小型零件淬火和感應(yīng)淬火的淬火冷卻速度均相當(dāng)V6表示的速度，淬火后獲得全馬氏體組織，硬度為58～63HRC。V臨代表該種材料的臨界冷卻速度，當(dāng)冷卻速度V≥V臨時(shí)可以獲得全淬火馬氏體組織，而感應(yīng)淬火時(shí)的噴射冷卻是完全可以做到V≥V臨。

由圖1可知，要想淬火得到高硬度的馬氏體，必須使過冷奧氏體的冷卻速度V≥V臨，躲過“C”曲線的鼻子，使過冷奧氏體完整地進(jìn)入Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變溫度），并開始馬氏體轉(zhuǎn)變，直到全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而不發(fā)生非馬氏體組織轉(zhuǎn)變（有些高碳鋼的過冷奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，會(huì)有殘留奧氏體存在，如GCr15）。

圖1是鋼在緩慢加熱條件下制作的，這時(shí)零件心部透熱，過冷奧氏體溫度不易下降，“C”曲線的鼻子可能右移，V臨可能小一些。而感應(yīng)淬火一般是零件表面層的淬火，當(dāng)其表面層加熱在短時(shí)間超過相變溫度Ac1轉(zhuǎn)變奧氏體后，而其心部溫度還是很低的，甚至還是室溫，因此有著巨大的吸熱能力，由于這一因素的存在，“C”曲線的鼻子可能左移，臨界冷卻速度V臨可能更快一些，所以在完成感應(yīng)加熱后，必須是極快速的冷卻，防止低溫的心部將表面層的熱量吸走，使表面層發(fā)生非馬氏體轉(zhuǎn)變，為此，感應(yīng)淬火的冷卻必須是快速冷卻。

二、感應(yīng)淬火的冷卻方式

1.同時(shí)加熱淬火的冷卻方式

為保證感應(yīng)淬火的冷卻是極快速冷卻，感應(yīng)淬火一般采用噴射冷卻。零件淬火部位同時(shí)加熱到淬火溫度，轉(zhuǎn)瞬間就有淬火液噴射到位，將加熱部位冷卻淬火，圖2是同時(shí)加熱淬火的示例，零件在旋轉(zhuǎn)中進(jìn)行感應(yīng)加熱，加熱終了，在旋轉(zhuǎn)中噴水淬火。同時(shí)加熱淬火的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，淬火質(zhì)量穩(wěn)定，噴水冷卻參數(shù)調(diào)整好，可以實(shí)現(xiàn)自行回火。

2.連續(xù)加熱淬火的冷卻方式

圖2 φ60mm小軸局部中頻同時(shí)淬火示意

圖3是軸類零件連續(xù)淬火（也稱為掃描淬火）的示例，零件邊旋轉(zhuǎn)邊下降、邊加熱邊噴水。圖中噴水孔與軸線之間夾角θ與零件直徑有關(guān)，一般說來直徑越小，θ角越小。直徑越小，噴水θ角越大，向加熱區(qū)的反水越大，影響加熱溫度，θ角與零件直徑關(guān)系見表1。圖3所示是自身附帶噴水器的感應(yīng)器，只適用于直徑＜40mm、淬火層＜3mm的小軸使用。

圖3 φ16mm小軸連續(xù)淬火示意

表1 軸類零件連續(xù)淬火噴水角θ與直徑的關(guān)系

對于直徑更大、淬火層更深的較大型軸類零件，要在感應(yīng)器下面另加噴水器，噴水器的大小以噴水量滿足需要為準(zhǔn)。這些軸類零件要求淬火層很深，感應(yīng)器自身噴水，冷卻量不足的，有時(shí)甚至完全冷卻不下來，可以在感應(yīng)器下方安裝兩塊比較大的噴水板（見圖4），噴水板也可以是弧形的，由噴水板噴水冷卻淬火，噴水板與軸線可以平行，也可有一定的角度。噴水板冷卻的最大好處是反水很小。

軸類零件連續(xù)感應(yīng)淬火可使用噴水板，也可使用噴水圈，具體使用什么要根據(jù)實(shí)際情況確定。

圖4 淬火層較深的軸類零件冷卻裝置

3.浸沉冷卻方式

淬火層要求很深的大型零件的淬火冷卻可以用浸沉冷卻方式，如圖5所示。圖中零件是大型挖掘機(jī)引導(dǎo)輪，其淬火部位形狀近乎直角（見圖5），位于輪子兩側(cè)，淬火層深度大于4mm，單側(cè)淬火面積將近1000cm2，預(yù)計(jì)加熱功率近500kW、加熱時(shí)間60s左右。如用噴射冷卻淬火，淬火水泵流量將達(dá)80m3/h，由于水泵流量大，現(xiàn)場必須裝設(shè)大型水箱（或水槽），否則幾分鐘將水箱抽空，這樣的設(shè)計(jì)顯然是不合理的。

淬火過程簡述如下：淬火前將引導(dǎo)輪定位于轉(zhuǎn)臺(tái)5之上，轉(zhuǎn)臺(tái)在水面上方，當(dāng)感應(yīng)器進(jìn)入零件的加熱位置后，開始中頻加熱，加熱終了后，引導(dǎo)輪以較快速度沉入淬火水（液）中冷卻淬火（加熱和冷卻時(shí)引導(dǎo)輪一直在旋轉(zhuǎn)）。為防止淬火部位附著氣泡，影響淬火硬度和硬度的均勻性，有兩只弧形的輔助噴水器1對著淬火部位的凹角噴射淬火水，同時(shí)向水槽內(nèi)注入溫度較低的淬火水。當(dāng)然溫度升高的水由溢流口流回輔助水槽，并經(jīng)過濾器后用熱交換器降溫。浸沉冷卻方式適用于淬火層要求較深的盤形零件。

圖5 大型零件的浸沉式淬火冷卻

4.噴水器的噴水孔設(shè)計(jì)

同時(shí)加熱淬火噴水圈往往是感應(yīng)器有效圈本身，要注意噴水孔分布設(shè)計(jì)，尤其是噴水孔就位于感應(yīng)器的有效圈上（見圖2），因有效圈的間隙不能太大，一般2～3mm，這樣淬火水柱短促而激烈，造成冷卻的不均勻性，易產(chǎn)生淬火裂紋。而淬火裂紋都是圓周方向的，這說明冷卻不均勻，產(chǎn)生較大的軸向拉應(yīng)力。只有將軸向水孔的距離減小，自然會(huì)減小軸向拉應(yīng)力，淬火裂紋情況一定會(huì)改善。為此，圖6噴水圈的水孔圓周距離為7mm，軸向距離為3mm。這種設(shè)計(jì)對改善或消除淬火螺旋帶也有好處。噴水板的水孔可以均布，噴水板與淬火表面的距離較遠(yuǎn)，一般有30～50mm，甚至更大，這對消除淬火裂紋有利。有效圈的間隙大小，對淬火裂紋有明顯影響，見表2。

圖6 噴水孔分布設(shè)計(jì)

表2 間隙大小對淬火裂紋的影響

噴水孔的直徑與淬火液的品種有關(guān)，淬火液是水時(shí)φA＝1.2～1.8mm，淬火液是聚合物水溶液時(shí)φA＝1.8～2.5mm。

三、淬火液的最大流量計(jì)算

淬火液的最大流量計(jì)算，可有兩種算法：①根據(jù)已知零件的最大淬火面積進(jìn)行計(jì)算。②根據(jù)淬火設(shè)備的最大功率進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)而確定淬火水泵的流量。

1.根據(jù)已知零件的最大淬火面積進(jìn)行計(jì)算

感應(yīng)加熱表面淬火需要快速冷卻，因此多用噴射冷卻方式，噴射冷卻的冷卻強(qiáng)度稱為噴淋密度，用L0代表。噴淋密度的物理意義是：為保證淬火質(zhì)量，單位時(shí)間向單位淬火面積噴射了多少淬火液。噴淋密度與噴淋壓力有關(guān)，噴淋壓力越大，噴淋密度也越大，一般說來淬火面積越大，淬火液噴射壓力會(huì)減小，噴淋密度也會(huì)減小。有關(guān)資料介紹的噴淋密度數(shù)據(jù)見表3。

表3 感應(yīng)加熱噴射淬火的噴淋密度L0

淬火液的最大流量Qm等于噴淋密度L0與淬火最大面積Sm的乘積，見式（1）：

例1：某廠曲軸中頻淬火

該曲軸淬火部位有中間大主軸頸淬火面積87cm2、小主軸頸淬火面積58cm2、連桿軸頸淬火面積54cm2。該設(shè)備的最大用水量出現(xiàn)在一個(gè)中間大主軸頸和一個(gè)小主軸頸同時(shí)噴射冷卻時(shí)。此時(shí)淬火面積Sm1=145cm2，選L0=30×10-6m3/cm2·s。

Qm1=30×10-6×145×3600=15.7(m3/h)

選L0=40×10-6m3/cm2·s，Qm2=20.9m3/h。故選為淬火水泵的流量為20m3/h。

例2：某8t載重汽車半軸表面中頻淬火

已知半軸直徑55mm、長度1000mm、全長淬火。硬度要求52～58HRC、淬火層＞7mm（該半軸采用縱向加熱整體淬火法，此種方法比功率較小，最小比功率P0不能用表4選）。經(jīng)計(jì)算半軸的淬火面積為1727cm2，選L01=15×10-6m3/cm2·s，

Qm1≈15×10-6×1727×3600=92m3/h，

選L02=20×10-6m3/cm2·s，Qm2≈122m3/h。

考慮到水泵電能消耗，選用流量100m3/h的淬火水泵。半軸的表面淬火硬度和淬火層深度均達(dá)到了技術(shù)要求。

以上兩例說明，用式（1）計(jì)算淬火液的最大流量Q是必要的，也是正確的，但要根據(jù)具體情況進(jìn)行修正。

2.根據(jù)淬火設(shè)備的最大功率計(jì)算淬火液最大流量

如果感應(yīng)淬火零件種類是不固定的，自然零件最大淬火面積無從說起，這時(shí)可根據(jù)淬火設(shè)備的最大功率，計(jì)算出零件最大的淬火面積，進(jìn)而確定淬火液的最大流量，即淬火水泵的流量。

感應(yīng)淬火有兩種加熱方式，即透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱，透入式加熱效率高，節(jié)約能源。透入式加熱的表面淬火零件有優(yōu)良的力學(xué)性能：淬火層具有大的壓應(yīng)力、過渡層很薄、過渡層的拉應(yīng)力峰值內(nèi)移，零件的強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度得以提高。

所有感應(yīng)淬火工藝都在努力實(shí)現(xiàn)透入式加熱。透入式加熱要求有較大的比功率（用P0表示），比功率的定義：零件感應(yīng)加熱部分的單位面積在加熱時(shí)擁有的功率，其單位是kW/cm2。對于表面淬火而言，比功率是有一定范圍的（見表4）。中頻和超音頻電流因電流熱透入深度較深，更易實(shí)現(xiàn)透入式加熱。

各種頻率的感應(yīng)淬火設(shè)備均在名牌上標(biāo)明該設(shè)備的額定輸出功率（Pe），就是最大輸出功率。利用最小比功率（P0min）除以額定功率（Pe），我們可以計(jì)算出設(shè)備同時(shí)加熱淬火的最大面積（Sm）：

表4 軸類零件感應(yīng)淬火的比功率（P0）

表5列入應(yīng)用最多中頻和超音頻設(shè)備，它們各種額定功率的同時(shí)加熱淬火最大淬火面積（選P0min=0.8kW/cm2），再用式（1）即可算出淬火液的最大流量。

表5 軸類零件同時(shí)加熱淬火的最大面積Sm

連續(xù)淬火時(shí)的最大淬火面積系指感應(yīng)器包圍的零件面積。利用上述知識(shí)同樣可以計(jì)算連續(xù)淬火時(shí)淬火液的最大流量。

四、淬火介質(zhì)的選用

1.水是最清潔、最環(huán)保、最廉價(jià)的淬火介質(zhì)

水作為淬火介質(zhì)已有幾千年的歷史，直到現(xiàn)在水仍然被廣泛使用。水是最清潔、最環(huán)保、最廉價(jià)的淬火介質(zhì)。但水作為淬火介質(zhì)也有嚴(yán)重缺點(diǎn)，其中最主要缺點(diǎn)是在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間冷卻速度太快，易產(chǎn)生淬火變形和裂紋。因此，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜而重要的零件，感應(yīng)淬火時(shí)不能用水作淬火介質(zhì)。35鋼零件及形狀簡單的合金鋼零件（例如GCr15軸承鋼的圓棒）都可以用自來水淬火。

50℃以上的自來水冷卻速度明顯降低，有些形狀較復(fù)雜、淬火層比較薄的零件，如花鍵軸等也可以用高溫度的自來水作淬火介質(zhì)。

2.淬火冷卻介質(zhì)的選用

一些形狀復(fù)雜的合金鋼零件、淬火層要求很深的零件以及淬火變形要求很小的零件，感應(yīng)淬火時(shí)要使用淬火冷卻介質(zhì)。常用的淬火冷卻介質(zhì)有以下兩類，各有所長。

（1）聚乙烯醇合成淬火介質(zhì) 聚乙烯醇（PVA）原來是作為生產(chǎn)維尼隆和粘結(jié)劑的原料，它根據(jù)不同的聚合度和醇解度，可以有許多品種。聚合度1750、醇解度88%的聚乙烯醇有著良好的水溶性。將其水溶后再加入防腐劑、消泡劑、防銹劑制成10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水溶液，就是合成淬火介質(zhì)原液，使用時(shí)再加水稀釋到0.1%～0.5%。聚乙烯醇淬火介質(zhì)有逆溶性，當(dāng)工件溫度高于濁點(diǎn)時(shí)聚乙烯醇從水溶液中析出，像漿糊一樣粘在工件上，從而降低了淬火介質(zhì)對零件的冷卻速度，防止了淬火裂紋產(chǎn)生。聚乙烯醇淬火介質(zhì)是聚合物淬火冷卻介質(zhì)中最古老的一種，應(yīng)用了多年，也有缺點(diǎn)：①濁點(diǎn)太低（約47℃），使用溫度很難保證，造成冷卻性能不穩(wěn)定。②使用濃度太低，檢測困難。③淬火后會(huì)在工件上留下一層薄膜，如需去除也很麻煩。聚乙烯醇淬火介質(zhì)現(xiàn)在仍有應(yīng)用，但已逐漸被聚烯烴乙二醇（PAG）等淬火介質(zhì)代替。聚乙烯醇合成淬火介質(zhì)的優(yōu)勢是使用濃度低，價(jià)格便宜。

（2）聚烯烴乙二醇淬火介質(zhì) 聚烯烴乙二醇（PAG）淬火介質(zhì)作為聚合物淬火介質(zhì)的第二代產(chǎn)品，于20世紀(jì)80年代后期開發(fā)成功。好富頓公司的AQ251，德潤寶公司的Aquatensid BW，陶氏公司Ucon系列以及南京科潤KR6480等產(chǎn)品均是PAG型淬火介質(zhì)，與PVA相比其濁點(diǎn)較高（大約70℃），因此冷卻性能相對穩(wěn)定；濃度較高，易于檢測；無毒、無污染、不易老化等多方面優(yōu)點(diǎn)，為此，一些重要零件如風(fēng)電機(jī)組的軸承圈，汽車零件中的等速萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向齒條、合金鋼曲軸、凸輪軸、飛輪齒圈，以及機(jī)械零件中的滾珠絲杠等零件，感應(yīng)淬火時(shí)多采用聚烯烴乙二醇（PAG）淬火介質(zhì)，取得了良好效果。圖7是 PAG型淬火介質(zhì)的冷卻性能曲線，從圖中可以看到當(dāng)工件溫度為300℃時(shí)，濃度5%的PAG冷卻速度約50℃/s，濃度10%的PAG冷卻速度約28℃/s，濃度15%的PAG冷卻速度約20℃/s，比水的冷卻速度小得多。PAG淬火介質(zhì)濃度很容易檢測，使用折光儀就可以輕松檢測淬火介質(zhì)的濃度。

圖7 三種濃度的PAG淬火液冷卻能力比較

五、結(jié)語

感應(yīng)淬火要快速冷卻，感應(yīng)淬火冷卻有噴射和浸沉等多種方式，淬火液最大流量的計(jì)算可采用最大淬火面積和最大功率兩種計(jì)算方法，淬火介質(zhì)的配比濃度對冷卻速度有影響。