高频感应淬火硬度低问题浅析

　　摘　要：针对某新型号液压动力转向器的齿条轴零件调试时，发现轴部感应淬火后，表面硬度在600HV0.1以下，比正常回火后要求的规格硬度值还低。通过调整功率、移动速度、工艺参数等，效果均不明显，Z终通过更换改进冷却套，问题得以解决。
　　关键词：45号钢；高频感应淬火；表面硬度；齿条
　　0　前言
　　45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。通过感应加热淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小，强度与耐磨耗性提高等优点，因此被广泛应用于各种重要的结构零件，特别是某些在交变负荷下工作的连杆、轴类等。与普通加热淬火比较，感应淬火具有以下优点：因加热时间短、冷却速度快，工件不易氧化、脱碳；淬火后工件表层可得到极细的马氏体，比普通淬火硬度稍高HRC2—3；只表面淬火、内部未变化，脆性较低及疲劳强度较高；淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化；热效率高，对节能减排有利。因而，齿条轴部采用高频感应淬火工艺进行热处理。
　　1　高频感应淬火原理及工件加热过程
　　高频感应淬火，即在交变磁场中放入导电性物体，利用电磁导电作用，在导电性物体内产生电动势，形成感应电流，感应电流在物体表面流动，通过产生的焦耳热加热物体。并迅速冷却的过程。
　　如图1所示结构，设备采用高频感应淬火设备SOM一100S的IGBT式加热电源，设备频率40kHz，属于移动扫描式高频感应淬火机。淬火介质为粘度低的聚合体水溶性淬火液，感应器与冷却套分别被固定，工件转速为260r/min；移动速度为25mm/s，冷却流量为61L/min，淬火液温为28℃。工件为45号钢，前热处理为调质，内部组织为均匀的回火索氏体，硬度273HV0.1。 　　2　工件表面硬度低的原因分析及工艺对策
　　调试某新型号齿条轴时，淬火后表面硬度检测为592HV0.1（硬度计采用小负荷维氏硬度计MITUTOYO HMl13型号），一般要求淬火硬度在680HV以上。后续工序还需要中频低温回火处理，消除工件表面残余应力，稳定淬火组织。淬火表面回火后，硬度会明显降低，规格要求为600HV以上。而现在淬火后的硬度还达不到Z低规格值要求。并且，工件淬火完成后，工件残留温度明显比其他量产件的高些。如图2所示，工件横向剖切后，测量层深A约为1.34mm（层深按从表面到450HV0.1处所对应的距离）。用3％的硝酸溶液腐蚀后，也能明显看到淬火范围B。与同外径其他型号工件对比，层深浅约0.1mm。观察其显微组织，发现有网状及部分条状铁素体组织，结合硬度值初步判断是由于冷却不足造成的，因残余热量相当于对工件又进行了一次回火，导致硬度降低。 　　为了进一步验证假设，首先对淬火设备进行检测，确认设备的电流、电压、水压、水量等均正常，排除设备原因。然后从工艺上分别进行了以下对策处理：
　　（1）对工件的加热功率进行了几个级别的调试，发现层深改变效果明显，硬度无明显变化。
　　（2）对工件的移动速度，即工件在线圈内的加热时间。进行了几种参数的设定，发现对层深改变明显，硬度仍无明显变化。
　　（3）对工件的淬火液浓度，在允许范围内，分别降低两个点调试。发现硬度方面仍无明显变化。
　　（4）线圈与冷却套之间的位置，分别向上与向下进行了几段调试。按这种工艺思路，发现层深无明显变化，但硬度有所变化，有一个Z佳位置，淬火硬度只能达到650HV0.1，这个硬度与一般正常回火后的硬度相当。
　　（5）更换改进冷却套，新冷却套喷水方向比原有的下调15°，位置调试在（4）的Z佳位置处。此次测量，发现淬火层深比先前异常状态深约0.1mm，淬火表面硬度与日常量产状态的硬度相当，按圆周方向均布四点进行测量，都在735HV0.1以上。
　　3　工艺改变后的表面硬度对比及试验验证
　　3.1不同工艺硬度对比
　　在相同的淬火条件下，如前文所述流量、电压、电流、移动速度一定，回火采用中频5kHz，功率为3kW的移动扫描式感应回火。类似于淬火，IGBT式电源功率不同。分别制作了淬火件、回火件及异常淬火件的硬度与层深关系对比曲线，如图3所示。按图2所示的剖切图，从0.1位置开始向里径向计量。从中可知，在1.5mm以上基本为心部硬度，异常淬火工件，整体硬度明显偏低。 　　3.2试验验证
　　为了进一步证明是因冷却套造成的硬度低。对原有冷却套及改进冷却套进行两组测试，每组对感应器与冷却套又分别设定了几个位置，进行同条件、同参数下的对比分析，原有的异常冷却套对应的几组数据都明显低于改进冷却套对应的硬度值，且都存在一个Z佳的线圈与冷却套位置，低于或者高于这个位置，硬度都会有所降低，并随距离加大硬度值变化愈明显。
　　经过进一步分析，这个Z佳位置，是感应工件瞬间加热达到900℃左右时，淬火液从冷却套斜面上的小孔喷出。倾斜面与工件的垂直面成一定角度，以便从感应加热结束到淬火开始有一个浸淋时间，这个浸淋时间可以帮助提高淬火的均匀性。选择适宜的喷液方向，可以减少大量冷却液从轴上反射回来，引起温度变化及硬度不稳定。同时，这个浸淋延时也不能过长，由于工件表面的淬火，内部透热，这个时间越长，传递到内部的热量越多，快速移动冷却时越难以冷却到内部。工件残留热量相当于让工件又进行一次回火。出现加热后的工件明显存在灼热感，硬度也会出现偏低现象。因此，感应加热后。冷却方式及冷却时机也非常重要。
　　4　结论
　　通过本次齿条轴的调试，在设备参数一定的情况下，对高频感应淬火表面硬度低问题总结如下：
　　（1）工件表面硬度的高低直接取决于感应器与冷却套的位置与淬火液的喷射方向。
　　（2）调试工件时，通过颜色、温度等可定性判断工艺参数及淬火工装夹具是否合理。
　　（3）可推广到所有类似的感应加热淬火中，除加热系统的设备功率、加热时间、移动速度等因素外，冷却系统中的冷却液喷水位置与冷却时机也非常关键。
　　参考文献：
　　【1】R/B齿条轴部淬火机使用说明书[M].上海：宫电高周波设备（上海）有限公司。2012.
　　【2】侯增寿，樊东黎，王广生，等.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，2001.
　　【3】李炯辉，林德成，丁惠麟，等.金属材料金相图谱（上册）[M].北京：机械工业出版社。2006.