阀芯表面感应淬火工艺研究

2021-05-20王宗勇邵宗光荆兴亚

中国金属通报 2021年4期

王宗勇，邵宗光，荆兴亚，江平

（徐州阿马凯液压技术有限公司，江苏徐州 221004）

多路阀作为工程机械液压系统控制元件，在使用过程中的性能和使用寿命，阀芯的表面处理质量起着决定性影响。表面感应淬火，作为阀芯表面热处理方式之一，应用广泛。研究表面感应淬火工艺及其淬火参数对表面处理质量的影响，对于提高液压阀使用性能和寿命，有着重要意义。

1 概述

阀芯表面感应淬火质量，是利用电磁感应原理，流过感应线圈的交变电流产生交变磁场，在交变磁场作用下，工件产生涡流效应，由于感应电流的集肤效应，涡流效应主要集中在工件表面进行，使得工件表面温度迅速升高，升高至淬火温度之后，通过淬火液的快速冷却，来完成表面淬火[1]。因此感应电流大小、感应扫描速度、等待时间、冷却时间等参数对淬火效果有着很大的影响，本文通过正交试验设计，验证各参数对感应淬火效果的影响大小及趋势。

2 工艺验证

由于阀芯结构的特殊性（阀芯结构见图1），阀芯表面感应淬火一般采用分段扫描淬火的方式，感应电流大小（淬火机床采用功率百分比进行表示）、感应扫描速度（即移动速度）、等待时间、冷却时间等参数，对感应淬火工件的表面硬度、有效淬硬层深度等影响较大。

图1 阀芯结构

本文选取4个影响因素，设计四因素五水平正交试验，验证每种因素影响大小和趋势。为制定更为合理的淬火工艺参数和保证产品质量，提供数据支持。

表1 四因素五水平正交试验表

2.1 验证准备

试验采用100kW额定功率、100kHz额定频率的高频感应加热设备，对图1所示的工件进行表面感应淬火，工件共计50根，分25组进行验证，检测结果取每组平均值。

工件材料为SAE 1144易切削钢，其化学成分见下表。从化学成分可知，该材料属于高硫中碳钢，有良好的切削性能，可直接淬火，淬火温度为850℃。

表2 SAE1144易切削钢化学成分

图2 工件原始金相组织 ×100

感应线圈结构如图3所示，其中1为感应线圈，2为供水管，3为喷水结构。工件通过上下顶尖固定，并通过电机带动上顶尖旋转，工件随之旋转，感应线圈与工件之间相对移动，以完成工件淬火加工。

图3 感应线圈结构图

2.2 验证结果

根据表1因素水平表，设计正交试验表，按照正交试验表对每组工件进行表面淬火，并编号。对验证工件进行切割取样，利用显微硬度计进行固定间隔测量，检验表面硬度和有效硬化层深度。

表3 淬火工艺验证结果

2.3 结果分析

对试验结果进行分析，表面硬度随着淬火功率增加而增大，淬硬层深度随着淬火功率的增大而增加，随着工件移动速度的增加而减小。这是由于淬火功率直接影响涡流效应，淬火功率越大，产生的热量越强，越容易达到淬火温度，表面硬度更高；热量越强，越容易使热量传递到更深处，淬硬层深度就越大。而工件移动速度增加，加热时间减小，热量传递效应减弱，淬硬层深度越小。

这也可以从电流密度的角度进行分析，表层距表面x深度处的电流密度[2]。

电流频率越高，电流透入深度越小，淬硬层深度越浅。

图4 淬火功率对表面硬度的影响趋势

有研究表面，高频感应淬火工件的淬硬层深度约为工件半径的10%～20%[3]，金相组织分为三层，表层为马氏体，心部为工件原始金相组织，中间为过渡层。通过试验结果，根据表面硬度和淬硬层深度，优选参数，设定投功功率： 92.5%，移前/冷前等待时间：0.4/0.3s；加热移动速度：800 mm/min；冷却时间：2s。在该参数下，对工件进行表面感应淬火，制作样片，利用金相显微镜观察工件金相组织，判定淬硬层金相组织马氏体等级为四级，且表面无裂纹。