曲面辊表面淬火工艺探析

2015-12-27马新年葛花容彭元飞袁小婷

金属加工(热加工) 2015年1期

关键词：感应器淬火曲面

马新年，葛花容，彭元飞，袁小婷

我公司与某公司签订了一批凹辊供货合同，其表面淬火硬度要求≥65HRC，淬火层深要求20～25mm。

按照以往的热处理工艺经验，多次试验仍无法达到其硬度要求。该件辊套材质70Cr3NiMo，规格如图1所示。要求辊套曲面淬火，淬火前要求调质（硬度达286～321HBW）。

1. 淬火工艺方式选择

对于材料而言，欲想获得材料的最好性能，满足其后续服役条件，必须选择合理的热处理方式来获得理想的组织和适当的硬度才能满足使用要求。考虑到该曲面辊特殊结构及较高硬度要求，我们选择感应淬火。

2. 工件结构导致工艺方式存在的问题

加热过程中由于凹辊特殊结构的特点，曲率变化大，加之由于感应加热超肤效应、棱角效应，导致加热不均匀。其凹面直径小处与感应器间隙太大，相对其他部位而言，漏磁相当严重，难以有效加热。温度不足，加热层较浅，导致直径小处淬硬层深度不足，硬度不足，且曲面范围硬度不均匀性较大。而直径大处，特别是两边圆角处则易产生组织过热或淬硬层太深，导致组织应力过大而掉角。

冷却过程中，由于工件表面曲面曲率的不同导致其冷却系数不同，且间隙的变化致使水线与工件曲面夹角不断变化（见图2），导致淬火后工件母线上硬度不均匀性较大。

3. 淬火方案确定

工件热处理金相组织及硬度不均匀性无法避免，各种保障措施只能在要求范围内减小其变化范围，理论上在适合的频率下，感应淬火加热温度及冷却速度越均匀、越匹配，越能提高表面淬火硬度、硬度的均匀性及有效的淬硬层深度。

（1）感应器设计感应器是影响电效率和加热质量的一个重要因素，而根据传统工艺规范（见表1查本厂表淬工艺标准），考虑到感应瞬时加热性，采用16mm×17mm的方形铜管（高为600mm）；在其直径小处减小感应器匝间距，增加其电流密度，提高加热效率，降低淬火加热不均匀性。工件的最大直径为860mm，最小直径为730mm，单边相差65mm，故选用内径两端900mm，中间880mm，内径渐变式感应器。

表1 加热功率及感应器间隙的选择

（2）设备的选择由于图样要求淬硬层深度为20～25mm，为了达到层深，采用立式中频变频淬火机床，因感应器匝数较多，故需取掉变压器（其工件装于感应器中间，类似于降压变压器）。其频率≤1000Hz，不仅加热深度较深（约45mm），而且可以形成较缓和的淬硬层梯度，此为其使用条件做准备，在后续使用过程中避免由于硬度梯度过大导致的剥落、断层、掉块等严重失效现象。

（3）移速选择理论上为了实现平稳淬火，必须减小这种结构造成的冷却不均衡，在现场操作上需要淬火冷却时在①、⑤处加大移速；②、④处适当降低移速（见图2）。

（4）功率调节零件淬火时，若温度过高会导致局部晶粒粗大，从而使组织恶化；若温度过低，硬度又达不到要求。因此，在要求的硬化区内（深度方向）温度应保持在规定范围内。我们选用同时加热到温，再连续喷淬，该工件淬火区截面最小处直径730mm，感应器与工件间隙75mm。为了有效加热，满足此处加热能达到淬火温度要求，我们在由一端到中间直径小部位（即由⑤处到③处）加热过程中要不断加大功率。待加热至区间②处时则要开始降低功率。

（5）最终淬火加热方式补充感应器与工件间隙越大，电效率越低，相同的硬化层深度值可以用不同的电流密度与不同的加热时间来实现。为了使工件加热温度均匀，采用变换功率及变换移速的方式，对其进行连续喷淬。为了防止其加热温度低，在连续喷冷时，功率和移速不断随曲面变换，使温度、冷速与工件曲面相匹配，以达到硬度层深趋于一致。