一种值得推广的内孔感应淬火工艺调试方法

谢文，许刚

1.十堰天舒感应设备有限公司 湖北十堰 442002

2.湖北工业职业技术学院 湖北十堰 442001

1 零件结构和技术要求

某零件内孔直径为31.7mm，外径为48mm，长94.5mm，结构如图1所示。

技术要求：材料为40CrB钢，内孔感应淬火，表面硬度52~59HRC，淬硬层深Ds＝1.5~3.0mm（45HRC）。

图1 零件结构

2 技术分析

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面层产生密度很高的感应电流，将零件表层迅速加热至奥氏体状态，随后以大于临界冷速快速冷却得到马氏体组织的淬火方法。

高频电流流过环状导体时，最大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象称之为圆环效应，如图2所示。

圆环效应使感应器上的电流密集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但在加热零件内孔时，此效应使感应器电流远离加热零件表面，这是有害的，如图3所示[1]。

为了提高感应器的加热效率，根据感应加热的槽口效应，需要添加形导磁体。

图3 电流远离加热零件表面（一般取a＝1.5mm）

图4 感应器有效圈装上了形导磁体

根据以上理论，设计如下2种感应器，分别从感应器结构、功率和扫描速度、淬火层深及感应器寿命进行比对分析。

3 常规内孔扫描加热喷水淬火方式

常规内孔加热、喷水扫描淬火感应器结构如图5所示。淬火参数见表1，检测结果见表2。

图5 常规内孔加热、喷水扫描淬火感应器结构

表1 常规内孔加热、喷水扫描淬火参数

表2 常规内孔加热、喷水扫描淬火检测结果

这种感应器的优点是制作、调试方便，缺点是由于内孔直径很小，感应器所用铜管也很小，因此没有充足的空间布置喷水盒。此类型感应器的有效圈是靠淬火水冷却的，但是为了保证工件的淬火质量，使工件淬火后不易开裂，淬火冷却介质为在蒸馏水中添加了浓度5%的APG水基淬火液，以降低工件的冷却速度，这样也就同时降低了淬火水对感应器的冷却能力。另外，在淬火过程中，为了保证加热正常进行，淬火液的压力又不能过大，必须确保“不反水”而影响加热，这就进一步降低了淬火水对感应器的冷却能力。生产中如果出现喷水孔堵塞的情况，淬火水对感应器的冷却能力会再一次下降，稍有不慎感应器就很容易烧毁。

为了解决感应器使用寿命的问题，提高生产效率，我们对感应器结构和淬火方式进行进一步研究和改进。

4 内孔加热、外圆喷水淬火的方式

经查阅相关文献[2]，40C r B钢的淬透性在24~26mm，如图6所示。

零件内径为31.7mm、外径为48mm、壁厚为8.15mm，而40CrB的淬透性为24~26mm，远超过零件的壁厚8.15mm，因此做出如下设想：内孔感应器加热，外圆喷水冷却淬火，设计制作出的新型感应器如图7所示。改进淬火参数见表3，检测结果见表4。

图640CrB钢的淬透性曲线

图7 内孔加热、外圆喷水淬火的方式

表3 内孔加热、外圆喷水淬火参数

根据参考文献[1]，当感应器的设计满足5＜ 长/高＜10时，认为感应器设计是良好的，此时感应器效率较高。对于本文所设计的新型感应器，由5＜26.5πn/h1＜10，得出0.06＜n/h1＜0.12，即认为此感应器设计良好、效率较高。根据图7和表3的设计参数，n＝5，h1＝50mm，那么n/h1＝0.1，则感应器设计合理，效率较高。

表4 内孔加热、外圆喷水淬火检测结果

根据表4检测结果，此种内孔扫描加热、外圆喷水完成内孔淬火的方式是合理的，且效率比常规的内孔扫描喷水淬火的方式速度提高了40%，产能相应增加了40%。

另外，由于内孔无需喷水，感应器可以通高压冷却水，所以感应器的使用寿命大幅提高。

该感应器的不足之处是对工装要求较高，如果工装设计或喷水盒位置调整不合理，会出现淬火起始位有8~10mm没有淬火层深，如图8所示。工装设计改进之后，喷水盒位置与感应器内孔加热位置调整合适，淬火起始位置可达到图9所示的效果。

图8 下侧起始淬火位置

图9 工装改进后下侧切样照片

此外由于感应器是多匝的，因此无法按常规感应器添加硅钢片，内孔必须添加导磁泥，且导磁泥、灌封胶、凝固剂的比例必须合适（导磁泥 : 灌封胶A : 凝固剂B＝6.5 : 5 : 1），且单次只能按比例调配1~2个进行灌装。如果配方不合适，或者一次灌装多个，在导磁粉灌装时会因固化先后顺序不一致而导致流动性变差，出现填充不饱满的情况（见图10），如此会造成感应器效率不一致。

图10 导磁粉灌装没有填充饱满

5 两种淬火方式对比

两种淬火方式对比见表5。

表5 两种淬火方式对比