車輪的感應(yīng)加熱淬火工藝

甄延波, 閆佳佳, 楚蓓蓓, 耿晨雷, 路少華, 張 遠(yuǎn), 李緒晨, 楊少華

(1. 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司, 山西 長治 046012;2. 火箭軍裝備部駐長治地區(qū)軍事代表室, 山西 長治 046012)

車輪在服役時往往會產(chǎn)生滾動和滑動摩擦,滾動時輪緣及倒圓角部位會因承受機械載荷作用而發(fā)生磨損;而在車輪制動時,產(chǎn)生滑動摩擦、加劇磨損的同時還會產(chǎn)生較大熱量。因此對于車輪來說,既要求高強度、高硬度和耐磨性,又要求良好的韌性和耐熱性[1-2]。

感應(yīng)加熱淬火可以改善車輪表面強度和耐磨性,而不影響心部塑性和韌性。該工藝主要是利用電磁感應(yīng)原理,以渦流形式將車輪表面快速加熱至淬火溫度,而后急劇冷卻,形成一定厚度的表面淬硬層,而心部仍保持著原有的組織狀態(tài),從而滿足車輪表面具有高硬度的耐磨性,而心部則具有硬度、韌性適中的綜合力學(xué)性能要求。因此,本文對車輪進(jìn)行了感應(yīng)加熱淬火工藝研究,確定了最優(yōu)的感應(yīng)加熱淬火方式及感應(yīng)淬火工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 車輪簡介

圖1為公司生產(chǎn)的車輪尺寸及三維結(jié)構(gòu)示意圖,所用材料為45鋼鍛件,需要對其外表面踏面及倒圓角部位淬火,其技術(shù)要求為:表面硬度50～55 HRC(509～599 HV)、淬硬層深度3～5 mm、顯微組織符合JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》中3～7級要求。

圖1 車輪尺寸(a)及三維結(jié)構(gòu)(b)

1.2 試驗材料

試驗所用材料為45鋼,鍛件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)號為Ⅲ-QJ500B-2014,其化學(xué)成分如表1所示,符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求。車輪的預(yù)先熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài),調(diào)質(zhì)硬度為250～280 HBW。

表1 車輪用45鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.3 試驗方法

1) 采用同時加熱淬火方式進(jìn)行表面淬火:所用感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,淬火過程中感應(yīng)器與工件間隙為6 mm、工件沿豎直方向不移動,水平方向旋轉(zhuǎn),感應(yīng)加熱的輸出功率P=224 kW、頻率f=9.5 kHz、加熱時間65 s,加熱結(jié)束后浸入溫度為20～45 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的NaCl溶液中完成淬火。

圖2 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

2) 采用連續(xù)加熱淬火方式進(jìn)行表面淬火:所用感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,淬火過程中感應(yīng)器與工件間隙為6 mm,感應(yīng)圈固定不動,工件沿豎直方向向下移動至其φ400 mm部位到感應(yīng)圈位置,水平方向不旋轉(zhuǎn),感應(yīng)加熱的輸出功率P=339 kW、頻率f=6.3 kHz,加熱過程中分別采用溫度為20～45 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的NaCl溶液,溫度為20～45 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～10%的PAG水溶液(F2000)和溫度為20～40 ℃的清水進(jìn)行噴淋冷卻。

對感應(yīng)加熱淬火后的車輪進(jìn)行線切割取樣,經(jīng)粗磨、精磨后使用THV-1MD型維氏硬度計測量車輪踏面及倒圓角區(qū)域的淬硬層顯微硬度,加載載荷1.961 N,保持10 s。每個截面間隔20 mm、同一截面間隔0.5 mm 取點測試硬度梯度變化情況;然后經(jīng)拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后,觀察淬硬區(qū)宏觀形貌,再用M-41X型光學(xué)顯微鏡觀察淬硬層微觀組織[3]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 淬硬區(qū)宏觀形貌

圖3為采用同時加熱和連續(xù)加熱方式,均用NaCl溶液進(jìn)行淬火時車輪淬硬區(qū)的宏觀形貌。由圖3(a)可知,采用同時加熱淬火的車輪淬硬區(qū)域未形成技術(shù)要求的淬火區(qū)域,車輪踏面下端及倒圓角部位未實現(xiàn)有效的淬火。這主要是因為工件倒圓角部位較踏面區(qū)域的橫向位置大很多,車輪踏面下端及倒圓角部位感應(yīng)淬火時,感應(yīng)器存在漏磁現(xiàn)象,從而影響了溫度場的分布。故工件整體加熱結(jié)束后踏面下端及倒圓角部位由于溫度低,未達(dá)到淬火溫度導(dǎo)致組織未轉(zhuǎn)變,試樣腐蝕后此部位未出現(xiàn)淬硬層形貌。由圖3(b)可知,采用連續(xù)加熱淬火的車輪淬硬區(qū)域已覆蓋到倒圓角部位,淬硬層形貌分布在車輪外表面整個淬火區(qū)域,符合技術(shù)要求。這主要是因為連續(xù)加熱淬火感應(yīng)器是由兩個有效圈焊接成一體的,一個有效圈起導(dǎo)電加熱作用,另一個有效圈起淬火冷卻作用。車輪起始位置倒圓角部位淬火時,導(dǎo)電加熱線圈先工作,適當(dāng)延長預(yù)熱時間,直至倒圓角部位達(dá)到淬火溫度時車輪向下運動,同時淬火冷卻線圈工作,實現(xiàn)倒圓角部位的淬火,在腐蝕后可觀察到淬硬層的宏觀形貌。

圖3 不同方式感應(yīng)淬火后試樣的淬硬區(qū)宏觀形貌(NaCl溶液淬火)

2.2 顯微硬度

表2為采用連續(xù)加熱方式,分別用NaCl溶液、PAG水溶液和清水進(jìn)行噴淋淬火時車輪外表面的硬度檢測結(jié)果,檢測位置如圖3(b)所示。由表2可以看出,NaCl溶液淬火區(qū)域的表面硬度在710～750 HV0.2(60.5～62.5 HRC),PAG水溶液淬火時為405～443 HV0.2 (42.5～45.5 HRC),清水淬火時為643～708 HV0.2 (57.5～60.5 HRC)。使用NaCl溶液或清水淬火后,車輪表面硬度較高,可以通過回火處理來達(dá)到表面硬度技術(shù)要求;使用PAG水溶液淬火時硬度較低,未達(dá)到技術(shù)要求。主要原因是采用PAG水溶液時試樣的冷卻速度較慢,實際冷卻速度低于車輪材料45鋼的臨界冷卻速度,在高溫區(qū)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,淬火后奧氏體組織并未轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體組織,而是主要以大量貝氏體組織存在。所以淬火后出現(xiàn)了表面硬度值較低的現(xiàn)象。

表2 連續(xù)加熱方式感應(yīng)淬火后試樣的表面硬度分布(HV0.2)

圖4為采用連續(xù)加熱淬火方式,用清水進(jìn)行噴淋淬火時車輪踏面和倒圓角部位淬硬層至基體的顯微硬度變化曲線?？梢钥闯?感應(yīng)加熱淬火后車輪踏面A、B、C位置最外層硬度值最高,表面硬度達(dá)到666～708 HV0.2;D位置和E位置分別在距表面1 mm和2.5 mm處的硬度最高,分別為700、720 HV0.2,其最外層硬度值分別為640、690 HV0.2;R位置最外層硬度值最高,接近700 HV0.2。這可能是由于車輪所用原材料45鋼鍛件存在組織偏析。另外,車輪踏面和倒圓角部位的硬度分布均隨著深度的增加先緩慢降低,到達(dá)一定位置時突然下降至基體硬度260 HV0.2左右。按照GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》中規(guī)定:有效硬化層深度為零件表面到硬度值等于極限硬度的距離,而極限硬度為零件表面所要求的最低硬度的0.8倍。由車輪技術(shù)要求的下限值509 HV得出其極限硬度值為407 HV。由此確定A、B、C、D、E和R位置的淬硬層深度分別為3.8、3.6、3.4、4.7、4.7和3.8 mm。因此,車輪淬火區(qū)域的淬硬層深度為3.4～4.7 mm,符合其淬硬層深度的技術(shù)要求。

圖4 連續(xù)加熱感應(yīng)淬火后車輪踏面(a)和倒圓角位置(b)的硬度分布曲線(清水淬火)

對采用連續(xù)加熱方式、清水噴淋淬火后的車輪進(jìn)行230 ℃×2 h低溫回火處理后,表面硬度滿足其技術(shù)要求50～55 HRC(509～599 HV)。因此,在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)前提下,最經(jīng)濟(jì)的淬火冷卻介質(zhì)“清水”為最優(yōu)選擇。

2.3 顯微組織

圖5為采用連續(xù)加熱方式,用清水進(jìn)行噴淋淬火時車輪的顯微組織形貌。圖5(a)為基體組織,主要為回火索氏體+鐵素體。這是因為車輪在感應(yīng)淬火之前經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理,出現(xiàn)了回火索氏體組織,但由于車輪在調(diào)質(zhì)處理時有效厚度較大,心部在淬火冷卻時未淬透,出現(xiàn)了鐵素體組織。圖5(b)為過渡區(qū)組織,主要為基體調(diào)質(zhì)處理的回火索氏體組織+部分珠光體、鐵素體組織,還有表面淬火不完全的貝氏體組織。圖5(c)為淬硬層組織,為細(xì)小的針狀馬氏體,是感應(yīng)加熱淬火的正常組織[4],淬火過程中冷卻能力不足出現(xiàn)的鐵素體、殘留奧氏體并不明顯[5]。根據(jù)JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》中的組織評級要求,感應(yīng)淬火后此組織為5～7級,為合格組織。

圖5 連續(xù)加熱感應(yīng)淬火后車輪的顯微組織形貌(清水淬火)

3 工藝驗證

采用連續(xù)加熱方式,用清水進(jìn)行噴淋淬火的感應(yīng)淬火方式對45鋼車輪鍛件進(jìn)行工業(yè)化試生產(chǎn),淬火后目視車輪表面無裂紋、局部燒熔等缺陷。采用便攜式里氏硬度計對淬火+低溫回火處理后的車輪表面硬度進(jìn)行了檢測,硬度符合要求。

圖6 連續(xù)加熱感應(yīng)淬火后車輪的表面形貌

4 結(jié)論

1) 采用同時加熱方式對車輪進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火,其外表面踏面下端及倒圓角部位未實現(xiàn)有效淬火;采用連續(xù)加熱方式時車輪外表面踏面及倒圓角部位實現(xiàn)了有效淬火。

2) 采用連續(xù)加熱方式、用清水和NaCl溶液進(jìn)行噴淋淬火后,車輪表面硬度值較高,均在技術(shù)要求以上;選用PAG水溶液進(jìn)行噴淋淬火時,表面硬度值較低,未達(dá)到技術(shù)要求。

3) 采用連續(xù)加熱方式、用清水進(jìn)行噴淋淬火時,車輪外表面淬火區(qū)域的表面硬度為643～708 HV0.2 (57.5～60.5 HRC),通過回火處理后,硬度為50～55 HRC、淬硬層深度為3.4～4.7 mm、顯微組織為5～7級,均達(dá)到了其技術(shù)要求。