大型铸钢件中频淬火工艺试验

王明礼，孙小东，陈翠丽，王丽霞，孙运玲

（洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039）

与锻件相比，铸件内部存在着大量的气孔、砂眼，而且还存在着比锻件严重得多的疏松等铸造缺陷，在对其进行中频淬火加热过程中，这些气孔和严重的疏松部位将会形成局部涡流，致使缺陷处温度过高，极易导致淬火裂纹。为了解决铸件中频淬火这一技术难题，对铸钢试样进行了中频淬火工艺试验，以期得到理想的铸件中频淬火工艺。

1 试验材料

试样材料为ZG42CrMo，铸造后经正、回火处理，尺寸为400 mm×200 mm×200 mm，其化学成分见表1；技术要求：表面硬度为55～62 HRC，硬化层深度为5 mm，表面无淬火裂纹。

表1 中频淬火试样的化学成分 %

2 工艺试验及检测

2.1 1＃～6＃试样中频淬火试验

1＃～6＃试样的试验工艺参数见表2，采用的淬火设备是BPSD-100／2500。按表2中的6种淬火工艺试验后，对试样进行了回火处理，回火工艺为（170±10）℃×4 h。对回火后的试样进行了表面着色探伤、硬度及硬化层深度检测，结果见表3。

从表3可以看出：除4＃试样淬火后表面无裂纹外，其余5个试样表面均存在着不同程度的裂纹。

表2 1＃～6＃试样中频淬火工艺参数

表3 试验检测数据

从表3还可以看出，除了3＃，6＃试样的硬化层深度符合要求外，其余试样的硬化层深度均未达到技术要求。尽管3＃，6＃两个试样的硬化层深度能够达到技术要求，但是，由于这两个试样采用的工艺是低速和偏高温度，故试样淬火后均出现了淬火裂纹。4＃工艺虽然没有出现淬火裂纹，但由于试验采用了较快的工件移动速度，因此，硬化层深度及硬度均未达到技术要求。

2.2 7＃～9＃试样中频淬火试验

为了解决淬火裂纹的问题，通过降低中频淬火温度对7＃～9＃试样进行了中频淬火工艺试验。采用的淬火设备仍为BPSD-100／2500，7＃～9＃试样试验工艺参数和检测结果分别见表4和表5。

从表5可以看出，经过着色探伤检验，7＃，8＃，9＃试样中频淬火后均未发现淬火裂纹，但是，由于淬火温度较低，3个试样的表面硬度和硬化层深度均没有达到技术要求。

表4 7＃～9＃试样淬火工艺参数

表5 7＃～9＃试样试验检测数据

2.3 11＃～15＃和21＃～25＃试样中频淬火试验

为了找到能够满足产品技术要求的理想中频淬火工艺，对原有的中频淬火工艺进行了比较大的改进：（1）为工件在淬火前增加预处理工艺；（2）采用PAG作为中频淬火的冷却介质；（3）降低淬火设备的频率；（4）采用低温起步的淬火工艺。

试验工艺参数见表6，检测结果见表7。

表6 试样工艺参数

表7 试验后检查情况

从表7的检验结果可以看出，通过改进工艺后，所有试样均未发现淬火裂纹；除13＃～15＃，25＃试样外，其余试样的硬度、硬化层深度均符合技术要求。

3 结果分析

从以上工艺试验的检验结果可以看出：

（1）中频淬火前的预热处理有效地避免了淬火裂纹的产生，并且明显增加了硬化层深度。这是由于预热处理可以有效地降低淬火时快速加热产生的热应力，从而避免了裂纹的产生。由于预处理可以给后续的淬火加热积蓄热量，使中频淬火加热层深度增加，因此，显著提高了淬火后的硬化层深度。

（2）硬化层深度随着淬火频率的降低而增加。由文献［1］知，在材料的ρ和μ一定时，频率f越低，电流透入深度δ越大，淬火后得到的硬化层也就越深。

（3）使用PAG得到的硬化层深度比用聚乙烯醇淬火后的硬化层深度明显增加。PAG是聚氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物，调整两者的比例，可以得到70～88℃的逆溶点。随着温度的上升，溶解度下降。由于逆溶性的存在，工件在淬火时，经过蒸气膜阶段和沸腾阶段后，工件周围的液体温度高于逆溶点，PAG析出并在工件表面形成一个PAG的溶质膜。PAG的浓度越高，则该膜就越厚，溶液从工件脱热的能力就越差。这就是PAG降低低温区冷却能力的机理。即控制PAG的浓度就可以控制PAG溶质膜的厚度，从而可以得到比较理想的低温区冷却能力。

与聚乙烯醇相比，PAG在高温阶段基本保持了水的冷却速度快的特点，低温（300℃以下）阶段冷却速度慢的特点，因此，使用PAG淬火的零件具有较深的硬化层深度和较低的裂纹敏感性。

（4）工件移动速度对硬化层有显著的影响。工件移动速度越低，硬化层就越深。但当采用过低的工件移动速度时，因为工件加热时间长，极易增加工件表面的过热倾向，导致淬火裂纹的产生。由于铸钢材料内部存在大量的气孔、砂眼、严重的疏松等缺陷，这些铸造缺陷对加热温度非常敏感，所以，在对铸钢件进行中频淬火时，不宜采用过低的工件移动速度。

（5）结合生产效率等因素，得到理想的中频淬火工艺为：800℃预热+900℃淬火。在整个淬火工艺中，工件移动速度为130 mm／min，淬火频率为2 000 Hz，淬火介质为6%的PAG。

4 结论

（1）中频淬火前的预热处理能够明显地降低铸钢件的裂纹敏感性，因此，可以有效避免淬火裂纹的产生，同时，还能够增加工件的硬化层深度。

（2）降低中频淬火设备频率，既能够有效增加硬化层深度，又可以降低工件表面过热程度，降低裂纹的敏感性。

（3）PAG淬火介质与聚乙烯醇相比，前者更容易提高工件的硬化层深度，降低工件中频淬火时的裂纹敏感性。

（4）在对铸钢件进行中频淬火时，采用低温起步的方法可以有效防止铸钢件起步裂纹的产生。

（5）铸钢件的理想中频淬火工艺为：800℃预热+900℃淬火。