中小径轴类件感应调质可行性研究

2015-12-27 07:33陈永明谢学兴管敏超

金属加工(热加工) 2015年1期

陈永明，谢学兴，管敏超

为了保证轴杆类零件具有良好的综合力学性能，调质处理无疑是一种较理想的处理方式。

调质的方式有多种，采用电阻炉加热方式的传统调质处理是最常见的，但也存在众多弊端。而采用感应加热方式的调质处理在国内不多见，但因其环保、节能性好的优点，在国外已得到了较广泛的应用。电阻炉调质主要有以下缺点：①保温时间长，氧化脱碳多。②台车炉加热变形量大。③劳动强度大，需要操作人员多。④炉子能耗大。⑤质量稳定性差。

一、台车炉调质现状

图1为经台车炉调质后的长杆类零件，可明显看到表面大量的花斑状氧化皮。图2可见长杆类零件调质后严重的“S”变形与“麻花”变形。

氧化脱碳多不仅造成材料的浪费，更是带来了一系列问题：一方面淬火水槽因为大量的粉末状氧化铁皮（见图3），需要定期将水槽中的水抽干清理出氧化铁皮。氧化铁皮过多容易导致水泵堵塞和水流速减缓，降低淬火效果；另一方面由于材料氧化脱碳，需要在粗加工时增加加工余量，无形之中增加车削环节的工作量。

台车炉调质后拉杆变形的问题更是长期困扰热处理企业的一大难题。如图2的变形量，校直工人需要对拉杆多点反复进行校直才能达到规定的直线度要求。由于第一次变形量大，有些轴杆零件在第一次校直去应力后，往往会反弹。需要进行二次校直和去应力，浪费大量的人力和物力。图4是2013年6月份，我们在车间实地跟踪记录的长杆类零件调质后变形及去应力次数数据。跟踪的总根数为13根，调质后所有拉杆均需校直，经第一次校直后去应力成功的只有4根，第二次校直与去应力的达到9根之多。

虽然经过技术人员不断的努力改进，变形的现象在2013年下半年有较大改观，然而由于受条件限制，在淬火冷却环节发生的不可避免的组织转变不均性和在台车炉加热环节受热的不均性叠加一起，势必造成变形的不可控性，呈无规律分布，难以彻底根除。与此同时，由于台车炉密封性能差，工件在台车炉中加热和保温时间长，氧化脱碳的情况较严重。

为减少氧化脱碳，常用方法是在加热过程中使用保护N2等气氛。但在每月24h×30d的不间断生产情况下，加N2保护气氛会导致成本非常高昂以及实际换气操作的复杂。再加上台车炉需要不断进出炉，导致每次进出炉均需重新加保护气氛，既影响生产效率，又消耗大量N2。

因此我们寻求一种能解决变形和氧化这两大难题的调质处理方法，关注这个行业的最新进展，发现国外有资料介绍应用感应加热技术成功进行实心棒料调质处理的案例，目前最大直径能处理到160mm，而国内相关报道较少。

二、感应加热技术应用于调质处理的理论可行性

感应热处理是利用电磁感应的方法使得被加热工件内部产生涡流，依靠这些涡流的能量达到加热目的，再进行保温、冷却的热处理方法。一直以来在表面处理领域被广泛应用。

感应加热的主要依据是：电磁感应、趋肤效应和热传导三项基本原理。感应加热时，工件中的电流强度自表面向心部呈指数规律衰减，这也是为什么感应淬火时工件表面瞬间能到达高温，而心部仍然处于低温状态的原因。频率越高，此现象越明显。当加热层深度δ为热态电流透入深度的40%～50%时，加热的总效率最高。零件在热态的透热深度与频率的简化关系式为：

若想实现感应加热调质，那么透热深度需达到轴类件的全截面，即零件全透热，从以上公式明显可看出设备频率需保持较低水平。假如设备无法达到低频率，也可通过反复感应加热来将表面的涡流能量不断向内部渗透并结合热传导原理不断使内部到达高温，但这种方式显然会造成较长加热时间以及氧化现象。

因此，设备应优先选择中频机或工（低）频机，只有这样，工件到达奥氏体化温度的时间才会比台车炉加热短很多，减少氧化脱碳，可以节省毛坯加工余量，精简现有的加工方式。

鉴于设备实际频率不可能无限小，当F=100Hz时，δ=50mm。目前国际上已有应用直径200～300mm的大型轴类件的感应加热，但直径增大，对设备的功率、能耗等均提出了很高的要求。倘若选择合适的频率，配备不同电源，感应圈制作成多组线圈式，分段进行加热，工件呈流水线生产，在加热段后面配上环形喷液圈，使得工件可以对称冷却，尽可能使得工件在径向同步冷却。冷却后再配备多组回火感应器，直接进行感应加热回火。图5是国外一家公司感应调质生产线的示意。

调质生产线的组成，从左到右的布局为：①上料工位。②感应加热，奥氏体化。③喷淋工位。④感应加热回火和保温区域。 ⑤冷却卸料台。这是一条在国际上也比较先进的生产线，据获悉在美国、韩国等地已经投入生产使用。

图4 杆类零件变形校直去应力次数比例

图5 感应调质生产线

三、试验数据以及力学性能比较

试样材料：42CrMo，尺寸规格：120mm×500mm。

1. 外协厂家淬火机床试验

感应调质试验首先在外协厂家的淬火机床上展开。图6和图7分别为淬火前和淬火时的照片。设备电源频率20～30kHz，感应器为单圈感应器，且喷水圈和加热圈为一体式，这种感应器结构适合做表面淬火，不太适合做深层加热。在有限的条件情况下，我们尝试尽最大可能地使淬火层变深，选择了非常小的比功率。具体工艺参数见表1。

经回火后试样如图8、图9所示，端面出现了环裂现象，经与国外先进机床制造公司的工程师沟通，这是感应调质不可避免的现象，感应调质生产线在生产过程中也一直存在这种现象，径向深度在10mm左右，轴向深度也是10mm左右。因此，根据实际生产经验，要求厂家原材料长度大于4000mm，一般选择国内钢厂的标准长度6000mm，整根棒料经感应调质后再进行锯割等处理，这样有利于减少端部废料的产生。

图10和图11为试样的金相组织，从图可知本次试验淬火深度不足10mm。总结失败原因：不仅因为电源频率过高，更主要原因是感应器的设计问题，喷水圈和加热圈未设计成分体式，这样导致难以连续对试样进行加热，做不到模拟调质生产线时的加热状态。另外，感应器喷水孔呈单排排布，内接进水口只有2个，这样也导致在加热后，工件内部冷却难以实现快速冷却。

2. 国内专业厂家试验

由于受现有条件的限制，以致在外协单位淬火试验的失败，我们和国内专业厂家进行合作试验，采用现有的感应淬火机床模拟感应调质的加热及回火，冷却采用浸液冷却。图12为试样的加热状态，可明显看到试样上部已完全透热，呈现漂亮的金黄色。图13为切取的试块。表2和表3分别为淬火、回火工艺参数，图14为试样沿截面的硬度梯度。

由图14 不难看出，工件淬硬层已大于40mm。表面层的硬度稍低是由于表面存在少量脱碳。后经金相显微镜观察，距表面45mm处的金相组织为索氏体，无游离铁素体。图15为试样近表面的金相组织，显示为纯回火索氏体。图16为试样距表面50mm的金相组织，显示为少量回火索氏体与大量的贝氏体，但没有出现游离铁素体组织。按我厂调质标准，其调质深度已超过50mm，基本已淬透。随后，我们对试样进行线切割取样，做了力学性能试验，结果见表4，可以看到性能较为稳定。

表1 试验工艺参数

3. 国外专业厂家试验

我们采集了一组国外的专业厂家的试验数据与2013年相同规格试样台车炉调质后采集的数据做对比分析。两者材料牌号稍有不同，但化学成分基本一致，具体材料成分见表5。表6为炉子调质与感应调质的力学性能比较。

由表6不难看出，由于42CrMoS4采用的是感应调质，虽然调质硬度较我们单位的更高，但是其断后伸长率却没降低反而更高，而断面收缩率和冲击吸收能量也旗鼓相当。这和感应淬火的特性有关，感应淬火件属于瞬间到温，快速冷却，其淬火后的晶粒比炉子调质更细，硬度较普通淬火要高2～3HRC，回火后材料的塑韧性自然更高。