盾构轴承滚道的中频淬火工艺
发布时间：2013-09-26端木培兰a 王明礼a 霍晓磊b 孙小东a 王云广a
（洛阳LYC轴承有限公司 a.技术中心；b.特大型轴承厂，河南洛阳 471039）
（洛阳LYC轴承有限公司 a.技术中心；b.特大型轴承厂，河南洛阳 471039）
摘 要：盾构主轴轴承特殊的工作条件决定其必须具有极高的可靠性，轴承滚道中频淬火的硬度和硬化层深度是决定其是否具有高可靠性的重要指标之一。为了使盾构主轴轴承滚道的中频淬火质量满足较高的技术要求，采用样圈进行了大量的中频淬火工艺试验，通过试验验证，给出了盾构主轴轴承滚道中频淬火工艺及工艺参数。
关键词：盾构轴承；滚道；中频淬火；硬化层
“土压平衡盾构主轴承的研制”属于公司承担的国家“八六三”重点科研项目。盾构主轴轴承是盾构掘进机上承受载荷（主要是冲击载荷）Z大的部件之一，工作条件极其恶劣。该轴承与传统轴承相比，属于3排组合结构，具有滚道结构特殊、滚道淬火面积大且可靠性要求极高等特点。若按照常规的中频淬火工艺进行淬火，滚道淬火后的硬度和硬化层深度难以达到技术要求，该问题已经成为制约盾构轴承研制的技术瓶颈。针对这一难题，对盾构轴承试验样圈滚道进行了大量的中频淬火工艺试验，通过工艺试验，找到了能够满足土压平衡盾构主轴轴承技术要求的中频淬火工艺。
1 试样的化学成分及技术要求
试样材料为42CrMo，其化学成分见表1。原材料状态为调质处理，表面硬度为231 HB。试样的截面尺寸见图1。技术要求为：（1）C，G淬火面硬度要求≥57 HRC；（2）C面有效硬化层深度≥6 mm；（3）G面有效硬化层深度≥3.5 mm。
关键词：盾构轴承；滚道；中频淬火；硬化层
“土压平衡盾构主轴承的研制”属于公司承担的国家“八六三”重点科研项目。盾构主轴轴承是盾构掘进机上承受载荷（主要是冲击载荷）Z大的部件之一，工作条件极其恶劣。该轴承与传统轴承相比，属于3排组合结构，具有滚道结构特殊、滚道淬火面积大且可靠性要求极高等特点。若按照常规的中频淬火工艺进行淬火，滚道淬火后的硬度和硬化层深度难以达到技术要求，该问题已经成为制约盾构轴承研制的技术瓶颈。针对这一难题，对盾构轴承试验样圈滚道进行了大量的中频淬火工艺试验，通过工艺试验，找到了能够满足土压平衡盾构主轴轴承技术要求的中频淬火工艺。
1 试样的化学成分及技术要求
试样材料为42CrMo，其化学成分见表1。原材料状态为调质处理，表面硬度为231 HB。试样的截面尺寸见图1。技术要求为：（1）C，G淬火面硬度要求≥57 HRC；（2）C面有效硬化层深度≥6 mm；（3）G面有效硬化层深度≥3.5 mm。
2 中频淬火试验
试验在GC13600淬火机床上进行，检测仪器为HR-150洛氏硬度计和WYT-15糖量计。
2.1 淬火加热感应器的设计
试验采用仿型感应器对C面和G面同时进行淬火。设计感应器时，应考虑尖角效应对加热面的影响，增大倒角处的耦合间隙，尽可能使整个加热面的温度趋于均匀，感应器示意图见图2。
试验在GC13600淬火机床上进行，检测仪器为HR-150洛氏硬度计和WYT-15糖量计。
2.1 淬火加热感应器的设计
试验采用仿型感应器对C面和G面同时进行淬火。设计感应器时，应考虑尖角效应对加热面的影响，增大倒角处的耦合间隙，尽可能使整个加热面的温度趋于均匀，感应器示意图见图2。
2.2 淬火介质
目前，国内常用的淬火介质有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。PVA的主要缺点是使用浓度低（约0.1％-0.3％），不易管理，易老化变质。PAG在长期使用中性能比较稳定，而且浓度比为6％-8％，很容易用折光仪测定，容易控制，本例选用PAG。
2.3 淬火工艺参数
感应淬火由于加热速度快，奥氏体不一定会完全均匀化，提高温度可以减轻或消除这种现象，而过高的温度会使表面过热，淬火后易产生裂纹，所以，42CrMo钢的感应淬火温度选择880-920℃；根据技术要求的硬化层深度，选择2500 Hz的电流加热频率；工件移动速度慢会影响生产效率，太快易导致淬火裂纹，本例选用110-130 mm/min。
试样淬火工艺参数见表2。回火工艺为（170±10）℃x4 h，空冷。
目前，国内常用的淬火介质有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。PVA的主要缺点是使用浓度低（约0.1％-0.3％），不易管理，易老化变质。PAG在长期使用中性能比较稳定，而且浓度比为6％-8％，很容易用折光仪测定，容易控制，本例选用PAG。
2.3 淬火工艺参数
感应淬火由于加热速度快，奥氏体不一定会完全均匀化，提高温度可以减轻或消除这种现象，而过高的温度会使表面过热，淬火后易产生裂纹，所以，42CrMo钢的感应淬火温度选择880-920℃；根据技术要求的硬化层深度，选择2500 Hz的电流加热频率；工件移动速度慢会影响生产效率，太快易导致淬火裂纹，本例选用110-130 mm/min。
试样淬火工艺参数见表2。回火工艺为（170±10）℃x4 h，空冷。
2.4 检验结果
对试样按表2中的工艺参数淬火并进行回火后，对其表面硬度、硬化层深度及淬火裂纹等项目进行了检验，结果见表3，淬火硬化层形状见图3-图8。
对试样按表2中的工艺参数淬火并进行回火后，对其表面硬度、硬化层深度及淬火裂纹等项目进行了检验，结果见表3，淬火硬化层形状见图3-图8。
根据试验结果，并且综合考虑产品质量和生产效率等因素，确定了土压平衡盾构轴承滚道的淬火工艺如下：加热方式为（170±10）℃x2 h炉中预热；感应器移动速度为130 mm/min；淬火温度为（900±20）℃；加热功率为25-30 kW（以淬火温度为准）；淬火频率为2500 Hz；淬火介质浓度比为c（PAG）=6％-8％，温度为25～40℃。
3 结果分析
（1）从表2可以看出：淬火前增加预热，可使随后的淬火硬化层深度明显增加。1#-3#工艺的c面和G面淬硬层深度均未达到技术要求，而经过预热后的Y-1#-Y-3#淬火工艺得到的表面硬度和淬硬层深度均达到了技术要求。这是由于预热使工件内部得到了热量储备，零件在后续的加热过程中其内部的散热速度减慢，热量得到聚集，淬火时加热深度较深，因此，淬火后硬化层深度得以增加。
（2）从图3～图8硬化层形状的分布可以看出：每个试样的淬火面均存在硬化层不均匀的现象，C面和G面交界的油沟处与C面和G面的倒角处相比淬硬层较浅，这是因为淬火面不同部位的加热和散热状态的不同所致。电磁感应加热的边缘效应使得C面和G面的倒角处加热深度较深，所以淬火后硬化层就深；由于C面和G面交界的油沟处需要的热量多，而该部位热量向零件内部散热较快，所以淬火后硬化层较浅。油沟处的硬化层过浅，会使此处的强度降低，轴承在受倾覆力矩的作用时，极易从该处开裂失效。要改善油沟处的硬化层均匀性，需要调节感应器的耦合间隙，加大倒角处与油沟处的耦合间隙差值，即调整加热面的升温速度。
（3）工件的移动速度越慢，其硬化层深度越深。这是因为工件速度慢，加热时间长，工件获得的总热量就越多，且预冷时间加长，间接地延长了热传导时间，使淬火工件的加热深度增加，因而，冷却后得到的硬化层深度就越深。
4 结论
（1）在一定的范围内，工件的移动速度越慢，硬化层深度越深。
（2）淬火前，将工件进行预热处理，会使工件的硬化层深度明显增加。
3 结果分析
（1）从表2可以看出：淬火前增加预热，可使随后的淬火硬化层深度明显增加。1#-3#工艺的c面和G面淬硬层深度均未达到技术要求，而经过预热后的Y-1#-Y-3#淬火工艺得到的表面硬度和淬硬层深度均达到了技术要求。这是由于预热使工件内部得到了热量储备，零件在后续的加热过程中其内部的散热速度减慢，热量得到聚集，淬火时加热深度较深，因此，淬火后硬化层深度得以增加。
（2）从图3～图8硬化层形状的分布可以看出：每个试样的淬火面均存在硬化层不均匀的现象，C面和G面交界的油沟处与C面和G面的倒角处相比淬硬层较浅，这是因为淬火面不同部位的加热和散热状态的不同所致。电磁感应加热的边缘效应使得C面和G面的倒角处加热深度较深，所以淬火后硬化层就深；由于C面和G面交界的油沟处需要的热量多，而该部位热量向零件内部散热较快，所以淬火后硬化层较浅。油沟处的硬化层过浅，会使此处的强度降低，轴承在受倾覆力矩的作用时，极易从该处开裂失效。要改善油沟处的硬化层均匀性，需要调节感应器的耦合间隙，加大倒角处与油沟处的耦合间隙差值，即调整加热面的升温速度。
（3）工件的移动速度越慢，其硬化层深度越深。这是因为工件速度慢，加热时间长，工件获得的总热量就越多，且预冷时间加长，间接地延长了热传导时间，使淬火工件的加热深度增加，因而，冷却后得到的硬化层深度就越深。
4 结论
（1）在一定的范围内，工件的移动速度越慢，硬化层深度越深。
（2）淬火前，将工件进行预热处理，会使工件的硬化层深度明显增加。
来源：《轴承》2010年12期