拖拉機(jī)制動(dòng)器壓盤高頻感應(yīng)淬火工藝研究

■ 李瑞卿，孔春花，張沈潔，馬戈，劉進(jìn)營(yíng)

制動(dòng)性能是拖拉機(jī)非常重要的安全指標(biāo)，制動(dòng)性能不合格是拖拉機(jī)的重大質(zhì)量問題。常見的現(xiàn)象有制動(dòng)距離超差和制動(dòng)跑偏，個(gè)別拖拉機(jī)在坡道上不能駐車、失控溜坡。制動(dòng)性能達(dá)不到要求可能危及駕駛員與第三者的生命安全。

解決拖拉機(jī)的制動(dòng)性能長(zhǎng)期以來(lái)存在的關(guān)鍵問題，必須對(duì)其主要零部件進(jìn)行基礎(chǔ)研究。而大中型輪式拖拉機(jī)一般都采用盤式制動(dòng)器。盤式制動(dòng)器中的一種重要零件——制動(dòng)器壓盤，其加工質(zhì)量，尤其是耐磨性能，對(duì)拖拉機(jī)的制動(dòng)性能影響尤為顯著。

目前，提高制動(dòng)器壓盤錐窩耐磨性能的主要方法為表面感應(yīng)淬火，主要存在以下問題：感應(yīng)器仿形性差、淬火工藝難控制。由于制動(dòng)器壓盤錐窩形狀小而不規(guī)則，給感應(yīng)器的制作帶來(lái)很大困難，目前的感應(yīng)器多為“一字形”，窩頭一側(cè)涂覆上導(dǎo)磁粉，這種感應(yīng)器仿形性差，加熱效率低，從而導(dǎo)致表面硬度不足、淬硬層分布不均勻，若加熱時(shí)間過長(zhǎng)則容易過燒甚至燒熔。

1. 試驗(yàn)材料及技術(shù)要求

圖1 制動(dòng)器壓盤結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)用零件為我公司某型號(hào)制動(dòng)器壓盤（結(jié)構(gòu)見圖1），技術(shù)要求：材料為QT500-7，鑄件，毛坯正火處理；6個(gè)錐窩內(nèi)表面淬火硬度45～50HRC，淬硬層深度不小于1.5 mm，且硬化層要求沿錐窩內(nèi)表面均勻分布；無(wú)過燒、裂紋現(xiàn)象發(fā)生。

2. 試驗(yàn)設(shè)備

在GP100-C3高頻感應(yīng)淬火設(shè)備上，利用設(shè)計(jì)制作的仿形感應(yīng)器（見圖2），對(duì)制動(dòng)器壓盤錐窩部位進(jìn)行感應(yīng)淬火。

3. 工藝方法

（1）電流頻率 為實(shí)現(xiàn)規(guī)定深度的高質(zhì)量的感應(yīng)加熱，首先必須正確選擇設(shè)備的頻率。設(shè)備頻率除對(duì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求和提高熱處理質(zhì)量有很大作用外，對(duì)于充分發(fā)揮設(shè)備的效能、提高生產(chǎn)率、節(jié)省電能也很重要。所謂頻率的選擇，這里指的是選擇合理的頻帶或頻率范圍，并不是嚴(yán)格的具體數(shù)值。

圖2 感應(yīng)器實(shí)物

電流頻率選擇的恰當(dāng)與否，將對(duì)以下幾個(gè)方面產(chǎn)生影響。即：零件淬火生產(chǎn)率、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、淬硬層組織的均勻性、零件脆裂的傾向性、零件的疲勞強(qiáng)度。

表面感應(yīng)淬火主要是利用電流的趨膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱時(shí)從工件表面電流最大值I0處測(cè)到I0/e（e為自然對(duì)數(shù)的底）處的深度，稱為電流透入深度d（mm），計(jì)算公式如下：

式中μ——材料的磁導(dǎo)率，當(dāng)鋼加

熱到居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，

μ=1（相對(duì)磁導(dǎo)率）；

ρ——材料的電阻率（Ω·cm）；

f ——電流頻率（Hz）。

鋼在8 0 0℃時(shí)，當(dāng)μ=1、ρ=1.11×10-4Ω·cm時(shí)，電流透入深度與頻率的關(guān)系如表1所示。

電流頻率選擇的首要原則是透入式加熱，第二原則是感應(yīng)器電效率要高。電效率取決于零件直徑（厚度）與熱狀態(tài)下電流透入深度的比值，此值又稱為電尺寸。當(dāng)電尺寸大于6時(shí)，感應(yīng)器的電效率約為80%，且電尺寸越小，感應(yīng)器的電效率越低。綜合考慮，制動(dòng)器壓盤錐窩感應(yīng)淬火，選擇電流頻率為200kHz。

表1 鋼在800℃時(shí)電流透入深度與頻率的關(guān)系

（2）電源功率 在一定的頻率下，感應(yīng)加熱速度取決于零件單位表面積上所吸收的電功率，也就是所謂的比功率。顯然，比功率越大，加熱速度越快。加熱速度除了與比功率有關(guān)外，還與頻率有關(guān)。在相同的比功率下，頻率越高，電流透入深度越淺，具有較高的加熱速度。

在設(shè)備頻率確定后，正確選擇比功率值，對(duì)滿足零件的技術(shù)要求是十分重要的。如上所述，頻率、比功率確定后，加熱速度也就隨之而定，經(jīng)過某一時(shí)間后，零件表面一定的厚層就被加熱到淬火溫度。此時(shí)進(jìn)行淬火冷卻，加熱淬火層的深度也就完全確定了。實(shí)際上，在透入式加熱條件下因表面升溫速度相對(duì)較小，大都是用調(diào)整時(shí)間的方法來(lái)滿足要求的加熱深度。過多地延長(zhǎng)加熱時(shí)間，將引起表面的嚴(yán)重過熱。因此，此時(shí)就要重新選擇較低的比功率。相反，如要求加熱層深度很小時(shí)，就需要選用較大的比功率進(jìn)行加熱。

因此，結(jié)合感應(yīng)器的電效率、電流頻率、零件硬化層深度等因素，經(jīng)試驗(yàn)探索，電源功率確定為38kW。

（3）淬火溫度 當(dāng)材料和原始組織一定時(shí)，相變溫度隨加熱速度增大而提高，為得到合格的淬火組織，相應(yīng)的淬火溫度也應(yīng)隨之提高。通常加熱速度越大，淬火溫度的上下限越高，允許的淬火溫度范圍越大。

加熱速度由零件獲得的實(shí)際比功率所決定。實(shí)際選取的淬火溫度，往往由淬火層的深度要求而確定。較長(zhǎng)的加熱時(shí)間和較高的加熱溫度，相應(yīng)地可獲得較深的加熱深度，反之，加熱深度較淺。

確定加熱溫度時(shí)，金屬及合金的相變臨界點(diǎn)、再結(jié)晶溫度等是基本的理論依據(jù)，但還不能就此來(lái)確定各種不同熱處理工藝的加熱溫度，而應(yīng)根據(jù)具體工件的熱處理目的來(lái)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(duì)加熱溫度的選定有影響。而感應(yīng)加熱的目的，主要是使零件表面達(dá)到合適的淬火溫度，并使零件達(dá)到一定的淬硬層深度。

（4）淬火加熱時(shí)間 加熱時(shí)間并不是獨(dú)立的參量，在加熱速度一定時(shí)，它由所選定的加熱溫度所決定。不過，反過來(lái)說(shuō)也一樣，即實(shí)際的加熱溫度是由加熱速度和經(jīng)試驗(yàn)確定的加熱時(shí)間所決定的。由于目前在一般的生產(chǎn)條件下，還缺乏可靠的溫度測(cè)量和控制方法，實(shí)際上往往用加熱時(shí)間而不是用加熱溫度作為直接的工藝參數(shù)。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)一定直徑的零件，可根據(jù)淬硬層的深度要求，在按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定功率的同時(shí)，大致選定加熱時(shí)間。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過試驗(yàn)探索，最終確定以下加熱方案：兩次加熱，每次加熱時(shí)間5.5s，兩次加熱間隔0.5s。

（5）淬火冷卻時(shí)間 預(yù)冷時(shí)間：預(yù)冷是為了減少淬火變形和開裂。它就是零件加熱到淬火溫度后，通常在空氣中進(jìn)行短時(shí)間的停留，以適當(dāng)?shù)亟档捅砻鏈囟?，再進(jìn)行噴冷或浸液淬火。

表面淬火冷卻時(shí)間：一般要求只保證表面淬火層能充分完成馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得足夠的硬度即可。但有時(shí)為避免產(chǎn)生淬火裂紋，必須嚴(yán)格控制冷卻時(shí)間，使零件不冷透，而利用零件內(nèi)部殘存的熱量進(jìn)行零件的自回火。

影響淬火冷卻時(shí)間的主要因素為淬火冷卻介質(zhì)濃度、壓力或流量。為防止零件因?yàn)槔鋮s速度過快而產(chǎn)生裂紋，本試驗(yàn)使用的是濃度為0.3%的聚乙烯醇水溶液，預(yù)冷時(shí)間0.5s，淬火冷卻介質(zhì)壓力0.05MPa，冷卻時(shí)間5s。

4. 結(jié)果分析

（1）表面缺陷 圖3為淬火后壓盤錐窩表面磁粉無(wú)損檢測(cè)情況，從圖中可以看出磁粉在錐窩表面均勻分布，無(wú)磁痕堆積。因此，淬火后壓盤錐窩表面無(wú)燒傷、淬火裂紋等缺陷。

（2）表面硬度、淬硬層深度 隨機(jī)抽取了5件進(jìn)行了表面硬度和淬硬層深度檢測(cè)。圖4為制動(dòng)器錐窩部位淬硬層輪廓及深度，表2為制動(dòng)器壓盤錐窩表面硬度、淬硬層深度檢測(cè)值，其中，表面硬度檢測(cè)，系每件隨機(jī)檢測(cè)4個(gè)淬火錐窩部位，從表中可以看出表面硬度均在45～50HRC，淬硬層深度均大于2mm，完全符合圖樣技術(shù)要求。

圖3 淬火后壓盤錐窩表面磁粉無(wú)損檢測(cè)情況

圖4 制動(dòng)器壓盤錐窩部位淬硬層輪廓及深度

表2 制動(dòng)器壓盤錐窩表面硬度、淬硬層深度檢測(cè)值

5. 結(jié)語(yǔ)

本文在GP100-C3高頻感應(yīng)淬火設(shè)備上，利用設(shè)計(jì)制作的仿形感應(yīng)器，對(duì)制動(dòng)器壓盤錐窩部位進(jìn)行感應(yīng)淬火，得到如下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)研制出了用于制動(dòng)器壓盤錐窩的高頻感應(yīng)淬火的感應(yīng)器。

（2）通過試驗(yàn)成功研發(fā)了制動(dòng)器壓盤錐窩的高頻感應(yīng)淬火工藝：①電參數(shù)：槽路電壓8.6kV，柵極電流1.6A，陽(yáng)極電流3.8A，陽(yáng)極電壓9.9kV，燈絲電壓33.3V。②工藝參數(shù)：兩次加熱，間隔0.5s，每次加熱時(shí)間5.5s，加熱到淬火溫后噴水冷卻5s。

（3）利用上述工藝成功解決了制動(dòng)器壓盤錐窩表面硬度不足，淬硬層分布不均勻，若加熱時(shí)間過長(zhǎng)則容易過燒，甚至燒熔的問題。