动车组国产化螺栓的高频淬火工艺试验研究

李正强，王 欣，程 鑫，黄 峻，靳晓波

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

动车组国产化螺栓的高频淬火工艺试验研究

李正强，王 欣，程 鑫，黄 峻，靳晓波

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

对动车组制动系统国产化部件中要求做表面高频淬火的一种螺栓进行了工艺试验研究，通过大量的试验，对工艺参数进行优化后，最终生产出了满足图纸中表面淬火技术要求的零件。

高频淬火；硬度；螺栓

高频淬火是指利用高频电流使工件表面局部进行加热、冷却，获得表面硬化层的热处理方法。利用表面加热淬火得到表面硬化层后，零件的芯部仍可保持原来的显微组织和性能不变，从而达到提高疲劳强度、提高耐磨性并保持芯部韧性的优良综合性能［1］。动车组制动系统国产化部件中有一种螺栓要求做表面高频淬火，目的就是对螺栓表面进行一定深度的强化，提高螺栓表面的耐磨性。本文对该螺栓表面高频淬火的工艺进行了大量试验研究，通过优化工艺参数，最终满足了图纸中对高频淬火的技术要求。

1 螺栓高频淬火技术要求

如图1所示。零件材料为42Cr Mo，技术要求对图1中虚线所覆盖的圆周区域进行高频淬火，并且要求淬火区到头部不得大于2 mm，到尾部不得大于8 mm，且头部不允许被淬上，淬火后表面硬度在610～760 HV范围内，要求硬度值为400 HV的检测点落在0.6～1.2 mm的深度区间内。

2 工艺参数选择

2.1 电流频率

电流透入深度是用来表征高频加热机感应电流趋肤效应程度的物理量，直接影响工件的加热效率和淬火效果。电流密度在工件中的分布是从表面向里衰减的，其衰减大致成指数规律变化。当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368时，该处到表面的距离δ称为电流透入深度，可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度δ以内。

不同的电流频率，在钢中的透入深度是不同的，适合于不同尺寸的工件。一般来说，电流频率越高，电流透入深度越浅，适合尺寸较小的工件透热；电流频率越低，电流透入深度越深，就越适合大型工件的透热。

感应加热频率主要是根据热处理技术要求及加热深度要求选择：（1）高频（10 k Hz以上）加热的深度为0.5～2.5 mm，一般用于中小型零件的加热；（2）中频（1～10 k Hz）加热深度为2～10 mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。各种频率电流在钢中的透入深度见表1［2］。

当材料的电阻率和相对磁导率确定以后，透入深度δ仅与频率f的平方根成反比。频率f与透入深度δ的关系，由公式（1）：

式中f为频率，Hz；δ为透入深度，mm。

根据零件淬火深度要求（0.6～1.2 mm）及式（1），计算出加热电流频率应控制在170～700 k Hz区间内。

2.2 加热方法

感应加热淬火按加热方式主要有同时加热淬火法、连续加热淬火法和纵向加热整体淬火法3种。

同时加热淬火法是零件需要淬硬的区域整个被感应器包围，通电加热到淬火温度后迅速冷却淬火。其优点是可以直接从感应器的喷水孔中喷水冷却，也可以将工件移出感应器迅速浸入淬火槽中冷却，淬火效率高，适用于大批量生产。当工件淬火加热表面积与比功率的乘积≤设备功率时采用。

连续加热淬火法是零件与感应器相对移动，使加热和冷却连续不断地进行，适用于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加热要求的情况。其优点是能使用较小容量的设备处理大型工件。连续加热淬火法主要加热参数是设备的输出功率和感应器与工件之间的相对运动速度。适用于轴类、杆类及尺寸较大平面的工件加热淬火，同时当工件淬火加热表面积与比功率的乘积＞设备功率时采用。

纵向加热整体淬火法也称为横向磁场加热淬火法，使用该方式加热工件时，工件轴向中心线与感应器轴心线重合，当感应器通入交变电流时，通过旋转工件使工件表面均匀升温。达到淬火温度后进行喷射冷却或浸沉冷却，使工件整个表面层同时淬硬。适用于曲面零件和横截面有变化的各种轴类零件。

根据该零件的特点，优先选用连续加热淬火法。

2.3 比功率

零件单位表面的功率又称比功率，是指被加热零件单位面积上所需要的功率。依据比功率计算零件加热需要的总功率，进而选择感应装置功率。比功率越大，加热越快，淬火层越深。比功率P的计算公式如式（2）［2］：

式中PL为加热功率，k W；SL为同时加热面积，cm2。

准确计算比功率比较困难，通常采用近似估算、查表或经验数据等方法，表2为比功率P，k W/cm2经验数据及适用范围［2］：

根据该零件的加热方式，加热比功率范围在2.0～ 3.5 k W/cm2。

2.4 感应圈设计

高频淬火感应器主要由有效圈和导线两部分组成［3］，感应器结构如图2所示。

主要参数选择：

（1）感应圈有效直径：感应器有效圈直径与零件直径的关系通常用零件与感应器之间的间隙a表示，a越小，传递给零件的功率P越大，公式如式（3）［4］：

外圆表面淬火时，零件直径d≥50 mm，淬火层深度≥2.5 mm时，a＝4～5 mm；当d≤50 mm时，a＝2～4 mm。根据公式D＝d＋2a，计算出感应器内径D＝28～32 mm。

（2）感应器有效圈高度：感应器有效圈的高度取决于零件淬火部位的高度和零件结构特点，轴类零件连续淬火使用的感应圈宽度B一般取6～8 mm，高度h取6～8 mm。常用有效圈数来说明感应圈的高度，圈数取决于零件淬火层深度，选择圈数时参见表3［4］。

2.4 感应加热设备功率

感应加热设备的功率与工件要求的加热层深度、加热表面积及加热方式有关。

（1）零件加热所需总功率，连续加热淬火总功率的计算公式如下：

h为感应圈高度，cm。

（2）感应加热装置的输出功率，也称额定振荡功率：

式中ηB为淬火变压器效率，为0.65～0.85，常取0.8；ηM为感应器电效率，为0.65～0.85，常取0.8；ηC为回路的传输效率，常取0.9。

通过计算得到感应加热装置的输出功率P1，根据P1再考虑必要的功率余量，通过查阅有关频率范围内的感应加热装置规格，进而选取满足功率要求的设备型号。

2.5 冷却参数和淬火介质［5］

该工件的材质为42Cr Mo，属于中碳低合金钢，淬透性较好。中碳钢表面淬火一般用自来水作淬火介质，感应淬火的冷却方式一般采用喷射冷却，其水压一般为0.1～0.4 MPa。

连续加热淬火的冷却是在工件或感应器开始移动时开始的，加热停止后冷却还要持续一段时间，以保证整个工件淬火后温度均匀，停止加热后冷却的持续时间根据具体工件确定，一般为5～15 s。

3 工艺试制及结果

根据以上分析并结合实际生产条件，经过研究制定工艺方案如下：

（1）选择设备的电流频率为300 k Hz；

（2）确定加热方法为连续加热淬火法；

（3）设备的额定功率为1 500 W；

（4）淬火介质为水；

（5）冷却时间为10 s。

在不同进给、不同功率、不同旋转速度以及有无水冷情况下分别做高频淬火试验，得到不同表层硬度值，如表4所示。

由表4可知：将工件进给控制在1 200 mm/min左右，感应圈加热功率设定为750 W，工作台带动试件旋转速度4 000 r/min，可得到理想的表层硬度。对以上试件进行抽样剖切检测，得到在不同硬化层深度处的硬度值，如图3所示。硬度为400 HV的检测点距表层的距离为0.8 mm，落在0.6～1.2 mm的深度区间内，满足了图纸要求。

4 结 论

（1）试验研究该螺栓高频淬火的几个关键工艺参数为进给量1 200 mm/min，感应圈加热功率750 W，工作台带动试件旋转速度4 000 r/min。

（2）通过对螺栓进行抽样剖切，检测不同硬化层深处的硬度值，硬度为400 HV检测点距表层的距离为0.8 mm，在0.6～1.2 mm深度区间内，满足图纸要求。

［1］ 中国工程机械学会热处理学会编.热处理手册（第1卷），工艺基础［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 张传旭.高频感应加热设备的选用与热处理工艺的制定［J］.热处理，2007，22（3）：54-62.

［3］ 卢瑞昌.高频加热感应器的设计［J］.四川机械，1982，（6）：61-64.

［4］ 董清印.高、中频淬火感应器设计［J］.金属加工，2008，（7）：30-34.

［5］ 钢的淬火冷却与淬火介质的选用［J］.热处理，2011，26（2）：52-58.

Test Study of High Frequency Quenching Process of EMU Localization Bolt

LI Zhengqiang，WANG Xin，CHENG Xin，HUANG Jun，JIN Xiaobo
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In the braking system of EMU，there is a kind of bolt which requires high frequency quenching process.In this paper，the process is studied by lots of test，the process parameters are optimized，and eventually the bolt that can satisfy the drawing requirement of surface hardening technology is produced.

high frequency quenching；hardness；bolt

U26

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.14

1008－7842（2014）06－0058－04

1—）男，助理研究员（

2014－07－31）