拖拉机制动器压盘高频感应淬火工艺研究

2019-01-07李瑞卿孔春花张沈洁马戈刘进营

金属加工(热加工) 2018年12期

■ 李瑞卿，孔春花，张沈洁，马戈，刘进营

制动性能是拖拉机非常重要的安全指标，制动性能不合格是拖拉机的重大质量问题。常见的现象有制动距离超差和制动跑偏，个别拖拉机在坡道上不能驻车、失控溜坡。制动性能达不到要求可能危及驾驶员与第三者的生命安全。

解决拖拉机的制动性能长期以来存在的关键问题，必须对其主要零部件进行基础研究。而大中型轮式拖拉机一般都采用盘式制动器。盘式制动器中的一种重要零件——制动器压盘，其加工质量，尤其是耐磨性能，对拖拉机的制动性能影响尤为显著。

目前，提高制动器压盘锥窝耐磨性能的主要方法为表面感应淬火，主要存在以下问题：感应器仿形性差、淬火工艺难控制。由于制动器压盘锥窝形状小而不规则，给感应器的制作带来很大困难，目前的感应器多为“一字形”，窝头一侧涂覆上导磁粉，这种感应器仿形性差，加热效率低，从而导致表面硬度不足、淬硬层分布不均匀，若加热时间过长则容易过烧甚至烧熔。

1. 试验材料及技术要求

图1 制动器压盘结构示意

试验用零件为我公司某型号制动器压盘（结构见图1），技术要求：材料为QT500-7，铸件，毛坯正火处理；6个锥窝内表面淬火硬度45～50HRC，淬硬层深度不小于1.5 mm，且硬化层要求沿锥窝内表面均匀分布；无过烧、裂纹现象发生。

2. 试验设备

在GP100-C3高频感应淬火设备上，利用设计制作的仿形感应器（见图2），对制动器压盘锥窝部位进行感应淬火。

3. 工艺方法

（1）电流频率为实现规定深度的高质量的感应加热，首先必须正确选择设备的频率。设备频率除对实现技术要求和提高热处理质量有很大作用外，对于充分发挥设备的效能、提高生产率、节省电能也很重要。所谓频率的选择，这里指的是选择合理的频带或频率范围，并不是严格的具体数值。

图2 感应器实物

电流频率选择的恰当与否，将对以下几个方面产生影响。即：零件淬火生产率、技术经济指标、淬硬层组织的均匀性、零件脆裂的倾向性、零件的疲劳强度。

表面感应淬火主要是利用电流的趋肤效应。感应加热时从工件表面电流最大值I0处测到I0/e（e为自然对数的底）处的深度，称为电流透入深度d（mm），计算公式如下：

式中μ——材料的磁导率，当钢加

热到居里点温度以上时，

μ=1（相对磁导率）；

ρ——材料的电阻率（Ω·cm）；

f ——电流频率（Hz）。

钢在8 0 0℃时，当μ=1、ρ=1.11×10-4Ω·cm时，电流透入深度与频率的关系如表1所示。

电流频率选择的首要原则是透入式加热，第二原则是感应器电效率要高。电效率取决于零件直径（厚度）与热状态下电流透入深度的比值，此值又称为电尺寸。当电尺寸大于6时，感应器的电效率约为80%，且电尺寸越小，感应器的电效率越低。综合考虑，制动器压盘锥窝感应淬火，选择电流频率为200kHz。

表1 钢在800℃时电流透入深度与频率的关系

（2）电源功率在一定的频率下，感应加热速度取决于零件单位表面积上所吸收的电功率，也就是所谓的比功率。显然，比功率越大，加热速度越快。加热速度除了与比功率有关外，还与频率有关。在相同的比功率下，频率越高，电流透入深度越浅，具有较高的加热速度。

在设备频率确定后，正确选择比功率值，对满足零件的技术要求是十分重要的。如上所述，频率、比功率确定后，加热速度也就随之而定，经过某一时间后，零件表面一定的厚层就被加热到淬火温度。此时进行淬火冷却，加热淬火层的深度也就完全确定了。实际上，在透入式加热条件下因表面升温速度相对较小，大都是用调整时间的方法来满足要求的加热深度。过多地延长加热时间，将引起表面的严重过热。因此，此时就要重新选择较低的比功率。相反，如要求加热层深度很小时，就需要选用较大的比功率进行加热。

因此，结合感应器的电效率、电流频率、零件硬化层深度等因素，经试验探索，电源功率确定为38kW。

（3）淬火温度当材料和原始组织一定时，相变温度随加热速度增大而提高，为得到合格的淬火组织，相应的淬火温度也应随之提高。通常加热速度越大，淬火温度的上下限越高，允许的淬火温度范围越大。

加热速度由零件获得的实际比功率所决定。实际选取的淬火温度，往往由淬火层的深度要求而确定。较长的加热时间和较高的加热温度，相应地可获得较深的加热深度，反之，加热深度较浅。

确定加热温度时，金属及合金的相变临界点、再结晶温度等是基本的理论依据，但还不能就此来确定各种不同热处理工艺的加热温度，而应根据具体工件的热处理目的来决定，况且工件的原材料及尺寸、加工过程与拟采用的工艺方法都对加热温度的选定有影响。而感应加热的目的，主要是使零件表面达到合适的淬火温度，并使零件达到一定的淬硬层深度。

（4）淬火加热时间加热时间并不是独立的参量，在加热速度一定时，它由所选定的加热温度所决定。不过，反过来说也一样，即实际的加热温度是由加热速度和经试验确定的加热时间所决定的。由于目前在一般的生产条件下，还缺乏可靠的温度测量和控制方法，实际上往往用加热时间而不是用加热温度作为直接的工艺参数。

在生产实践中，对一定直径的零件，可根据淬硬层的深度要求，在按经验数据确定功率的同时，大致选定加热时间。

根据经验数据，经过试验探索，最终确定以下加热方案：两次加热，每次加热时间5.5s，两次加热间隔0.5s。

（5）淬火冷却时间预冷时间：预冷是为了减少淬火变形和开裂。它就是零件加热到淬火温度后，通常在空气中进行短时间的停留，以适当地降低表面温度，再进行喷冷或浸液淬火。

表面淬火冷却时间：一般要求只保证表面淬火层能充分完成马氏体转变，获得足够的硬度即可。但有时为避免产生淬火裂纹，必须严格控制冷却时间，使零件不冷透，而利用零件内部残存的热量进行零件的自回火。

影响淬火冷却时间的主要因素为淬火冷却介质浓度、压力或流量。为防止零件因为冷却速度过快而产生裂纹，本试验使用的是浓度为0.3%的聚乙烯醇水溶液，预冷时间0.5s，淬火冷却介质压力0.05MPa，冷却时间5s。

4. 结果分析

（1）表面缺陷图3为淬火后压盘锥窝表面磁粉无损检测情况，从图中可以看出磁粉在锥窝表面均匀分布，无磁痕堆积。因此，淬火后压盘锥窝表面无烧伤、淬火裂纹等缺陷。

（2）表面硬度、淬硬层深度随机抽取了5件进行了表面硬度和淬硬层深度检测。图4为制动器锥窝部位淬硬层轮廓及深度，表2为制动器压盘锥窝表面硬度、淬硬层深度检测值，其中，表面硬度检测，系每件随机检测4个淬火锥窝部位，从表中可以看出表面硬度均在45～50HRC，淬硬层深度均大于2mm，完全符合图样技术要求。