曲面輥表面淬火工藝探析

馬新年，葛花容，彭元飛，袁小婷

我公司與某公司簽訂了一批凹輥供貨合同，其表面淬火硬度要求≥65HRC，淬火層深要求20～25mm。

按照以往的熱處理工藝經(jīng)驗(yàn)，多次試驗(yàn)仍無(wú)法達(dá)到其硬度要求。該件輥套材質(zhì)70Cr3NiMo，規(guī)格如圖1所示。要求輥套曲面淬火，淬火前要求調(diào)質(zhì)（硬度達(dá)286～321HBW）。

1. 淬火工藝方式選擇

對(duì)于材料而言，欲想獲得材料的最好性能，滿足其后續(xù)服役條件，必須選擇合理的熱處理方式來(lái)獲得理想的組織和適當(dāng)?shù)挠捕炔拍軡M足使用要求?？紤]到該曲面輥特殊結(jié)構(gòu)及較高硬度要求，我們選擇感應(yīng)淬火。

2. 工件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工藝方式存在的問(wèn)題

加熱過(guò)程中由于凹輥特殊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，曲率變化大，加之由于感應(yīng)加熱超膚效應(yīng)、棱角效應(yīng)，導(dǎo)致加熱不均勻。其凹面直徑小處與感應(yīng)器間隙太大，相對(duì)其他部位而言，漏磁相當(dāng)嚴(yán)重，難以有效加熱。溫度不足，加熱層較淺，導(dǎo)致直徑小處淬硬層深度不足，硬度不足，且曲面范圍硬度不均勻性較大。而直徑大處，特別是兩邊圓角處則易產(chǎn)生組織過(guò)熱或淬硬層太深，導(dǎo)致組織應(yīng)力過(guò)大而掉角。

冷卻過(guò)程中，由于工件表面曲面曲率的不同導(dǎo)致其冷卻系數(shù)不同，且間隙的變化致使水線與工件曲面夾角不斷變化（見(jiàn)圖2），導(dǎo)致淬火后工件母線上硬度不均勻性較大。

3. 淬火方案確定

工件熱處理金相組織及硬度不均勻性無(wú)法避免，各種保障措施只能在要求范圍內(nèi)減小其變化范圍，理論上在適合的頻率下，感應(yīng)淬火加熱溫度及冷卻速度越均勻、越匹配，越能提高表面淬火硬度、硬度的均勻性及有效的淬硬層深度。

（1）感應(yīng)器設(shè)計(jì) 感應(yīng)器是影響電效率和加熱質(zhì)量的一個(gè)重要因素，而根據(jù)傳統(tǒng)工藝規(guī)范（見(jiàn)表1查本廠表淬工藝標(biāo)準(zhǔn)），考慮到感應(yīng)瞬時(shí)加熱性，采用16mm×17mm的方形銅管（高為600mm）；在其直徑小處減小感應(yīng)器匝間距，增加其電流密度，提高加熱效率，降低淬火加熱不均勻性。工件的最大直徑為860mm，最小直徑為730mm，單邊相差65mm，故選用內(nèi)徑兩端900mm，中間880mm，內(nèi)徑漸變式感應(yīng)器。

表1 加熱功率及感應(yīng)器間隙的選擇

（2）設(shè)備的選擇 由于圖樣要求淬硬層深度為20～25mm，為了達(dá)到層深，采用立式中頻變頻淬火機(jī)床，因感應(yīng)器匝數(shù)較多，故需取掉變壓器（其工件裝于感應(yīng)器中間，類似于降壓變壓器）。其頻率≤1000Hz，不僅加熱深度較深（約45mm），而且可以形成較緩和的淬硬層梯度，此為其使用條件做準(zhǔn)備，在后續(xù)使用過(guò)程中避免由于硬度梯度過(guò)大導(dǎo)致的剝落、斷層、掉塊等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。

（3）移速選擇 理論上為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)淬火，必須減小這種結(jié)構(gòu)造成的冷卻不均衡，在現(xiàn)場(chǎng)操作上需要淬火冷卻時(shí)在①、⑤處加大移速；②、④處適當(dāng)降低移速（見(jiàn)圖2）。

（4）功率調(diào)節(jié) 零件淬火時(shí)，若溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致局部晶粒粗大，從而使組織惡化；若溫度過(guò)低，硬度又達(dá)不到要求。因此，在要求的硬化區(qū)內(nèi)（深度方向）溫度應(yīng)保持在規(guī)定范圍內(nèi)。我們選用同時(shí)加熱到溫，再連續(xù)噴淬，該工件淬火區(qū)截面最小處直徑730mm，感應(yīng)器與工件間隙75mm。為了有效加熱，滿足此處加熱能達(dá)到淬火溫度要求，我們?cè)谟梢欢说街虚g直徑小部位（即由⑤處到③處）加熱過(guò)程中要不斷加大功率。待加熱至區(qū)間②處時(shí)則要開(kāi)始降低功率。

（5）最終淬火加熱方式補(bǔ)充 感應(yīng)器與工件間隙越大，電效率越低，相同的硬化層深度值可以用不同的電流密度與不同的加熱時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了使工件加熱溫度均勻，采用變換功率及變換移速的方式，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)噴淬。為了防止其加熱溫度低，在連續(xù)噴冷時(shí)，功率和移速不斷隨曲面變換，使溫度、冷速與工件曲面相匹配，以達(dá)到硬度層深趨于一致。

圖 1

圖 2

4. 工藝方案實(shí)施

實(shí)際工件表淬前該面單邊余量1.5mm，表面粗糙度Ra=3.2μm，之前調(diào)質(zhì)硬度達(dá)308～325HBW，滿足表面感應(yīng)淬火條件。25mm為最小淬硬層深度，而淬火冷卻水壓2.3MPa。淬火加熱過(guò)程具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖 3

5. 淬火完硬度檢測(cè)及分析

待冷卻50min后，輥面溫度32～35℃，對(duì)其進(jìn)行輥身硬度檢測(cè)如下：

母線一：67HRC、66HRC、65HRC、67HRC；母線二：67HRC、65HRC、66HRC、66.5HRC。

180℃×30h回火，冷卻后交檢，硬度基本滿足要求，硬度波動(dòng)在要求范圍內(nèi)，為曲面變動(dòng)較大工件進(jìn)行感應(yīng)淬火積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。