中小徑軸類件感應調質可行性研究

陳永明，謝學興，管敏超

為了保證軸桿類零件具有良好的綜合力學性能，調質處理無疑是一種較理想的處理方式。

調質的方式有多種，采用電阻爐加熱方式的傳統(tǒng)調質處理是最常見的，但也存在眾多弊端。而采用感應加熱方式的調質處理在國內不多見，但因其環(huán)保、節(jié)能性好的優(yōu)點，在國外已得到了較廣泛的應用。電阻爐調質主要有以下缺點：①保溫時間長，氧化脫碳多。②臺車爐加熱變形量大。③勞動強度大，需要操作人員多。④爐子能耗大。⑤質量穩(wěn)定性差。

一、臺車爐調質現(xiàn)狀

圖1為經臺車爐調質后的長桿類零件，可明顯看到表面大量的花斑狀氧化皮。圖2可見長桿類零件調質后嚴重的“S”變形與“麻花”變形。

氧化脫碳多不僅造成材料的浪費，更是帶來了一系列問題：一方面淬火水槽因為大量的粉末狀氧化鐵皮（見圖3），需要定期將水槽中的水抽干清理出氧化鐵皮。氧化鐵皮過多容易導致水泵堵塞和水流速減緩，降低淬火效果；另一方面由于材料氧化脫碳，需要在粗加工時增加加工余量，無形之中增加車削環(huán)節(jié)的工作量。

臺車爐調質后拉桿變形的問題更是長期困擾熱處理企業(yè)的一大難題。如圖2的變形量，校直工人需要對拉桿多點反復進行校直才能達到規(guī)定的直線度要求。由于第一次變形量大，有些軸桿零件在第一次校直去應力后，往往會反彈。需要進行二次校直和去應力，浪費大量的人力和物力。圖4是2013年6月份，我們在車間實地跟蹤記錄的長桿類零件調質后變形及去應力次數數據。跟蹤的總根數為13根，調質后所有拉桿均需校直，經第一次校直后去應力成功的只有4根，第二次校直與去應力的達到9根之多。

雖然經過技術人員不斷的努力改進，變形的現(xiàn)象在2013年下半年有較大改觀，然而由于受條件限制，在淬火冷卻環(huán)節(jié)發(fā)生的不可避免的組織轉變不均性和在臺車爐加熱環(huán)節(jié)受熱的不均性疊加一起，勢必造成變形的不可控性，呈無規(guī)律分布，難以徹底根除。與此同時，由于臺車爐密封性能差，工件在臺車爐中加熱和保溫時間長，氧化脫碳的情況較嚴重。

為減少氧化脫碳，常用方法是在加熱過程中使用保護N2等氣氛。但在每月24h×30d的不間斷生產情況下，加N2保護氣氛會導致成本非常高昂以及實際換氣操作的復雜。再加上臺車爐需要不斷進出爐，導致每次進出爐均需重新加保護氣氛，既影響生產效率，又消耗大量N2。

因此我們尋求一種能解決變形和氧化這兩大難題的調質處理方法，關注這個行業(yè)的最新進展，發(fā)現(xiàn)國外有資料介紹應用感應加熱技術成功進行實心棒料調質處理的案例，目前最大直徑能處理到160mm，而國內相關報道較少。

二、感應加熱技術應用于調質處理的理論可行性

感應熱處理是利用電磁感應的方法使得被加熱工件內部產生渦流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的，再進行保溫、冷卻的熱處理方法。一直以來在表面處理領域被廣泛應用。

感應加熱的主要依據是：電磁感應、趨膚效應和熱傳導三項基本原理。感應加熱時，工件中的電流強度自表面向心部呈指數規(guī)律衰減，這也是為什么感應淬火時工件表面瞬間能到達高溫，而心部仍然處于低溫狀態(tài)的原因。頻率越高，此現(xiàn)象越明顯。當加熱層深度δ為熱態(tài)電流透入深度的40%～50%時，加熱的總效率最高。零件在熱態(tài)的透熱深度與頻率的簡化關系式為：

若想實現(xiàn)感應加熱調質，那么透熱深度需達到軸類件的全截面，即零件全透熱，從以上公式明顯可看出設備頻率需保持較低水平。假如設備無法達到低頻率，也可通過反復感應加熱來將表面的渦流能量不斷向內部滲透并結合熱傳導原理不斷使內部到達高溫，但這種方式顯然會造成較長加熱時間以及氧化現(xiàn)象。

因此，設備應優(yōu)先選擇中頻機或工（低）頻機，只有這樣，工件到達奧氏體化溫度的時間才會比臺車爐加熱短很多，減少氧化脫碳，可以節(jié)省毛坯加工余量，精簡現(xiàn)有的加工方式。

鑒于設備實際頻率不可能無限小，當F=100Hz時，δ=50mm。目前國際上已有應用直徑200～300mm的大型軸類件的感應加熱，但直徑增大，對設備的功率、能耗等均提出了很高的要求。倘若選擇合適的頻率，配備不同電源，感應圈制作成多組線圈式，分段進行加熱，工件呈流水線生產，在加熱段后面配上環(huán)形噴液圈，使得工件可以對稱冷卻，盡可能使得工件在徑向同步冷卻。冷卻后再配備多組回 火感應器，直接進行感應加熱回火。圖5是國外一家公司感應調質生產線的示意。

調質生產線的組成，從左到右的布局為：①上料工位。②感應加熱，奧氏體化。③噴淋工位。④感應加熱回火和保溫區(qū)域。 ⑤冷卻卸料臺。這是一條在國際上也比較先進的生產線，據獲悉在美國、韓國等地已經投入生產使用。

圖4 桿類零件變形校直去應力次數比例

圖5 感應調質生產線

三、試驗數據以及力學性能比較

試樣材料：42CrMo，尺寸規(guī)格：120mm×500mm。

1. 外協(xié)廠家淬火機床試驗

感應調質試驗首先在外協(xié)廠家的淬火機床上展開。圖6和圖7分別為淬火前和淬火時的照片。設備電源頻率20～30kHz，感應器為單圈感應器，且噴水圈和加熱圈為一體式，這種感應器結構適合做表面淬火，不太適合做深層加熱。在有限的條件情況下，我們嘗試盡最大可能地使淬火層變深，選擇了非常小的比功率。具體工藝參數見表1。

經回火后試樣如圖8、圖9所示，端面出現(xiàn)了環(huán)裂現(xiàn)象，經與國外先進機床制造公司的工程師溝通，這是感應調質不可避免的現(xiàn)象，感應調質生產線在生產過程中也一直存在這種現(xiàn)象，徑向深度在10mm左右，軸向深度也是10mm左右。因此，根據實際生產經驗，要求廠家原材料長度大于4000mm，一般選擇國內鋼廠的標準長度6000mm，整根棒料經感應調質后再進行鋸割等處理，這樣有利于減少端部廢料的產生。

圖10和圖11為試樣的金相組織，從圖可知本次試驗淬火深度不足10mm?？偨Y失敗原因：不僅因為電源頻率過高，更主要原因是感應器的設計問題，噴水圈和加熱圈未設計成分體式，這樣導致難以連續(xù)對試樣進行加熱，做不到模擬調質生產線時的加熱狀態(tài)。另外，感應器噴水孔呈單排排布，內接進水口只有2個，這樣也導致在加熱后，工件內部冷卻難以實現(xiàn)快速冷卻。

2. 國內專業(yè)廠家試驗

由于受現(xiàn)有條件的限制，以致在外協(xié)單位淬火試驗的失敗，我們和國內專業(yè)廠家進行合作試驗，采用現(xiàn)有的感應淬火機床模擬感應調質的加熱及回火，冷卻采用浸液冷卻。圖12為試樣的加熱狀態(tài)，可明顯看到試樣上部已完全透熱，呈現(xiàn)漂亮的金黃色。圖13為切取的試塊。表2和表3分別為淬火、回火工藝參數，圖14為試樣沿截面的硬度梯度。

由圖14 不難看出，工件淬硬層已大于40mm。表面層的硬度稍低是由于表面存在少量脫碳。后經金相顯微鏡觀察，距表面45mm處的金相組織為索氏體，無游離鐵素體。圖15為試樣近表面的金相組織，顯示為純回火索氏體。圖16為試樣距表面50mm的金相組織，顯示為少量回火索氏體與大量的貝氏體，但沒有出現(xiàn)游離鐵素體組織。按我廠調質標準，其調質深度已超過50mm，基本已淬透。隨后，我們對試樣進行線切割取樣，做了力學性能試驗，結果見表4，可以看到性能較為穩(wěn)定。

表1 試驗工藝參數

3. 國外專業(yè)廠家試驗

我們采集了一組國外的專業(yè)廠家的試驗數據與2013年相同規(guī)格試樣臺車爐調質后采集的數據做對比分析。兩者材料牌號稍有不同，但化學成分基本一致，具體材料成分見表5。表6為爐子調質與感應調質的力學性能比較。

由表6不難看出，由于42CrMoS4采用的是感應調質，雖然調質硬度較我們單位的更高，但是其斷后伸長率卻沒降低反而更高，而斷面收縮率和沖擊吸收能量也旗鼓相當。這和感應淬火的特性有關，感應淬火件屬于瞬間到溫，快速冷卻，其淬火后的晶粒比爐子調質更細，硬度較普通淬火要高2～3HRC，回火后材料的塑韌性自然更高。

四、感應調質本土化的可行性

1. 感應調質的適用范圍與設備布置

感應調質適用于中小直徑的軸類零件進行流水線生產。因此，對于直徑過大或數量較少的零件，不推薦采用感應調質。要求直徑≤160mm為宜。

由于感應調質采用的是生產線模式，需要不小的占地面積。40000mm×10000mm的區(qū)域，可以滿足布置一條標準感應調質生產線。

2. 感應調質所需先決條件

當前的長桿類零件是先將原材料粗加工后進行爐子調質，形狀如圖17所示。而感應調質需要的為圓棒料，因此，進行感應調質的前提是去除凹槽以及端部的凸起部分。解決這一問題的辦法是將當前的模式改為鋼廠標準6m長圓棒料先進行感應調質，再進行鋸割和機加工。

表2 感應加熱工藝參數

表3 感應回火工藝參數

表4 力學性能數據

五、結語

（1）感應加熱技術應用于中小徑軸桿件的調質從技術上是可以實現(xiàn)的，而且已在國外廣泛應用，國內的東北特鋼大連基地已有一條感應調質生產線。

（2）感應調質后零件的力學性能并不亞于甚至優(yōu)于電阻爐的調質，硬度的均勻性也更好。根據現(xiàn)場觀察，感應調質后零件的變形量也遠小于電阻爐調質。

（3）結合實際生產及試驗數據，感應調質生產線適用于直徑≤120mm的軸桿類零件，更具經濟合理性。

圖17 長桿類零件調質前的粗加工狀態(tài)

表5 試樣材料化學成分（質量分數） （%）

表6 爐子調質和感應調質力學性能比較