C45E薄壁套表面淬火的研究

文／张涛·中国中车股份有限公司

和谐系列电力机车的NF套采用C45E材质，壁厚为5mm，且内径较小，为φ45mm。要求内孔进行表面淬火处理，硬度≥55HRC，淬硬深度为1～1.5mm。根据淬火深度要求选用高频感应淬火。由于该工件壁薄，且内径小，给实际生产造成一定的困难。通过改进感应圈，并且更改淬火介质为KERUN水基淬火液，使零件达到了技术要求。

本文所研究的NF套为C45E（EN 10083）材质，该材质是一种广泛用于机械制造的优质碳素结构钢。因其技术要求内表面硬度≥55HRC，淬硬深度为1～1.5mm，因此通过对其进行高频感应淬火，使之达到所需性能。

薄壁内孔件对于采用高频表面淬火是具有一定难度的。内孔高频淬火与外圆高频淬火有很大的区别：内孔加热是利用感应圈的外表面磁场进行的；而外圆加热则是利用感应圈的内表面磁场进行的。当环状效应和邻近效应共同作用时，使得在感应圈的内表面处，高频电流的磁场达到最大，而在外表面处为最弱，从而造成感应圈外表面处发生严重的漏磁和磁力线的逸散，从而大大降低感应圈利用外表面加热的效率。因此提高感应圈的加热效率是问题的关键所在。

经过大量的工艺研究和试验，最后通过改进感应圈，并通过采用连续加热淬火的方式，以及采用适当的工艺参数和冷却介质，最终达到了零件的技术要求。

表1 C45E钢的化学成分（wt%）

工艺分析

本试验中，零件所采用的材质为C45E。其化学成分如表1所示。

其零件图如图1所示。图纸内孔的技术要求为：淬火部位硬度≥55HRC，淬硬层深为1～1.5mm。经过分析，对其进行高频感应淬火能够达到所需性能。而感应圈是感应淬火技术的核心，它直接影响零件的加热效果、淬火质量和生产效率。因此感应圈的设计是薄壁内孔高频淬火的关键因素之一。使用高频GP100-C3及GCK10130数控淬火机床，结合零件的技术要求，制定出工艺方案：感应圈改进→工装设计→工艺设计→工艺试验。

图1 C45E薄壁套产品图

感应圈改进

为了提高感应圈对零件内孔（即感应圈外表面）的加热效率，且由于φ45mm薄壁套的感应圈尺寸较小，无法使用导磁体，因此对感应圈进行改进，如图2所示。将感应圈设计为与普通单圈感应圈差别较大的三圈螺旋管，其底部配置喷水碗，并采用连续加热淬火方式。目的是在对零件进行内孔加热时，三圈的结构能够充分弥补漏磁和磁力线逸散的不足，其加热效率要远远优于单管的加热效率。此外，为确保感应圈与零件的合理间隙，避免加热时与零件接触打火起弧，灼伤零件表面及损坏感应圈，并且使其加热效果最佳，因此，确定感应圈与零件单边间隙为2mm。

表2为通过单圈与三圈感应圈加热后的结果对比。从表2可以看出，单圈感应圈的淬火硬度为46～56HRC，淬火不均匀，很难达到技术要求。而三圈感应圈则均达到了技术要求，且硬度偏差很小，淬硬层也得到了有效提高。

图2 感应圈设计图

表2 单圈与三圈感应圈加热效果对比

工装设计

本数控淬火机床上是采用连续加热淬火方式进行的，而零件处于不断旋转并上下移动的状态。因此，为了固定零件，及防止淬火时发生形变，设计了定位套。其工作方式为，机床三爪卡盘将工装φ66mm处夹紧，零件放置在φ57mm部位，因为频繁淬火会导致工装端口处出现变形，因此设计工装高度高于零件，避免其使用部位产生变形，如图3所示。

图3 定位套

工艺设计

工艺参数设计

零件在感应淬火过程中，加热速度快，保温时间短，扩散困难，因此，想要达到奥氏体状态需要更高的温度。而Ac3的上移幅度比Ac1相对要大，根据经验，高频感应淬火温度要比普通炉内加热的淬火温度约提高50～100℃，所以确定其加热温度为890±10℃。

零件保温时间过长容易引起晶粒粗大，所以在保证淬火加热温度的前提下，机床移动速度极其重要，通过实践经验，确定为4mm/s。

淬火介质

零件通过三圈感应圈加热后，分别用水和KERUN水基淬火液进行冷却。在相同的电参数下，淬火效果分别如表3所示。由表3可知，分别采用水和KERUN水基淬火液均达到了硬度要求，且淬硬层无明显差别，均符合要求。

表3 水与KERUN水基淬火液的淬火效果对比表

但经观察，通过水冷后，零件有毛细裂纹出现。而KERUN水基淬火液因为对水有逆溶性，冷却速度相对较慢，因而避免了冷却过快造成的毛细裂纹。两者的冷却速度如表4所示。

表4 水与KERUN水基淬火液的冷却速度对比表

结论

⑴通过对感应圈进行合理的改进，达到了零件的技术要求，并且具有较小的硬度偏差。淬硬层深度也较单圈感应器得到有效提高。

⑵淬火加热后，采用KERUN水基淬火液进行冷却能够有效地避免毛细裂纹的出现。