影響感應淬火質(zhì)量的幾個因素

2014-11-25 11:41:42江蘇雙環(huán)齒輪有限公司淮安223200郝豐林

金屬加工(熱加工) 2014年2期

江蘇雙環(huán)齒輪有限公司（淮安 223200）郝豐林

1.感應淬火工藝分析

感應淬火提供了一種快速在線的熱處理加工方法，其熱效率高，加熱時間短，工件變形小，無氧化脫碳，易于進行局部熱處理，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，與冷加工共線，實現(xiàn)“一個流”生產(chǎn)。表面加熱淬火，必須以快速加熱為前提，即在很短的時間內(nèi)將工件表層加熱到臨界點以上并完成奧氏體化，而感應過渡區(qū)以里的心部則處于低溫狀態(tài)，繼而冷卻淬火，從而使表面硬化。處理的工件具有更高的表面硬度和殘余壓應力，因而在扭轉(zhuǎn)載荷下表現(xiàn)出更優(yōu)異的強度和抗疲勞性能。

由于感應淬火可以選擇的頻率段較多，工頻、中頻、超音頻、高頻、超高頻，硬化層的范圍比較寬，且可以比滲碳淬火做的更深，因而強度更高。具有合理的最佳靜扭強度和抗疲勞性能。因此，在一些載荷較大的農(nóng)機軸、半軸、乘用車的輸出軸上得到應用。

我公司主要生產(chǎn)汽車傳動部件，許多軸類采用感應淬火，主要材料是中碳合金鋼，如40Cr(SAE5140H)、42CrMo4(SAE4140H)、50Mn(UNS10530)、35CrMnSiA等材料，主要是采用調(diào)質(zhì)工藝，也有采用正火工藝。本文主要介紹實際生產(chǎn)中，感應淬火過程中出現(xiàn)的問題及相關(guān)的解決辦法。

感應淬火前的預備熱處理一般有三種，退火處理（球化退火）、正火、調(diào)質(zhì)處理。對于退火工藝主要應用于高碳鋼如彈簧鋼材料和軸承材料。感應淬火前的預備熱處理具體采取什么形式，主要是根據(jù)圖樣要求，也有部分客戶提出要求，我們根據(jù)使用要求制定相關(guān)的感應淬火技術(shù)要求。

對于感應加熱，由于加熱時間短，基體組織越均勻，產(chǎn)生完全奧氏體的可能性越大，冷卻時產(chǎn)生完全馬氏體的幾率也大，直接影響表面硬度和感應淬火深度。調(diào)質(zhì)后的碳化物更均勻，在較短的時間內(nèi)由于碳化物易溶解于奧氏體內(nèi)，速度快，均勻充分，得到的硬度高、均勻。調(diào)質(zhì)硬度越高，其碳化物顆粒越細越均勻，則溶解效果越好。因而調(diào)質(zhì)（球化退火）材料感應淬火效果最好，可以得到良好的表面硬度、淬硬層深度和金相組織。正火材料次之，正火材料感應加熱時間相對調(diào)質(zhì)產(chǎn)品要長，也可以得到良好表面硬度和金相組織。由于正火（退火）的原始組織為片狀珠光體和鐵素體，正火易出現(xiàn)大塊狀或網(wǎng)狀鐵素體，組織不均勻性增大；短時間的快速加熱而導致碳化物來不及充分溶解，即使溶解了也不能充分擴散，合金元素也不能擴散均勻，奧氏體短期內(nèi)無法達到均勻化，原珠光體區(qū)域富碳，原鐵素體區(qū)域貧碳，淬火組織中存在低碳馬氏體，影響感應淬火硬度和硬化層深度。

2.變速箱輸出軸感應淬火后出現(xiàn)的問題

我們開發(fā)一根變速箱輸出軸，客戶要求正火，由于試驗設(shè)備的功率較小，工件淬火后，表面硬度偏低，并且硬度不均勻，產(chǎn)品報廢。設(shè)備廠家建議我們增加調(diào)質(zhì)工序，硬度需與客戶圖樣要求一致。經(jīng)與客戶溝通，提交了偏差申請，客戶同意正式生產(chǎn)采用專用設(shè)備感應淬火，對于正火和調(diào)質(zhì)產(chǎn)品，分別進行感應淬火。采用同一中頻感應淬火參數(shù)，對于熱處理項目進行檢測，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）正火工件的感應淬火組織，馬氏體較粗大。

（2）正火處理的工件感應淬火后硬化層相對于調(diào)質(zhì)硬化層要淺一些。

（3）表面硬度也比調(diào)質(zhì)的低1～3HRC（但是一旦增加感應淬火時間，正火工件和調(diào)質(zhì)工件的表面硬度和硬化層沒有太大的區(qū)別，但是組織相比較更粗）。

（4）正火工件的變形規(guī)律性不強。調(diào)質(zhì)工件變形很小，甚至沒有變化（因此對于以后大批量采用正火作為預備熱處理的工件，需要熱后加工（主要是長度尺寸），保證尺寸合格，并且不同鋼材爐號的材料也要做變形試驗，保證加工余量。調(diào)質(zhì)工件的加工成本比正火工件的冷加工成本高很多。因為調(diào)質(zhì)工件首先要正火，就是說多了一道淬火+高溫回火工藝；調(diào)質(zhì)工件粘度高，刀具消耗多，冷加工成本也高（正火增加熱后尺寸修正的成本相對于調(diào)質(zhì)還是低很多）。

（5）調(diào)質(zhì)狀態(tài)的工件硬化層分布較正火狀態(tài)的明顯，正火狀態(tài)的過渡區(qū)較大。用硝酸酒精腐蝕觀察正火狀態(tài)的模糊。仔細觀察正火和調(diào)質(zhì)工件的過渡區(qū)，在調(diào)質(zhì)工件的過渡區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)馬氏體組織，而在正火工件的過渡區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)，間接地證明了對于感應加熱，由于加熱時間短，基體組織越均勻，產(chǎn)生完全奧氏體的可能性越大，冷卻時產(chǎn)生完全馬氏體的幾率也大。

3.裂紋原因分析

一種軸類產(chǎn)品采用批量生產(chǎn)的感應淬火工藝淬火，在首件檢測中發(fā)現(xiàn)裂紋，檢測發(fā)現(xiàn)主要是材料帶狀組織超差（見圖1）。

圖1 原材料心部帶狀組織 100×

如果原材料帶狀組織超差，檢測沒有發(fā)現(xiàn)。隨后沒有鍛造，采用棒料生產(chǎn)，雖然增加正火工序，但是改善很少。采用正常的感應淬火工藝，非常容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)裂紋。感應加熱在鐵素體帶出現(xiàn)粗大的板條馬氏體，金相組織達到3級，甚至2級。檢測硬化層時，由于帶狀組織的存在，造成硬化區(qū)域硬度波動很大，檢測到珠光體帶高碳，針狀馬氏體硬度高，在原鐵素體帶感應淬火得到板條馬氏體＋貝氏體＋先共析鐵素體，此位置硬度低，硬化層很難準確檢測。我們采用降低功率，降低掃描速度的感應淬火工藝，處理后的產(chǎn)品沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，并且馬氏體降為3.5級。

感應淬火出現(xiàn)裂紋，很多與原材料的表面缺陷有關(guān)，若材料表面存在軋制流線或表面發(fā)紋缺陷，隨后的感應淬火會出現(xiàn)縱裂。

由于生產(chǎn)的產(chǎn)品比較多，有時不能固定設(shè)備生產(chǎn)，就需要有時采用4～8kHz的設(shè)備生產(chǎn)，有時需要轉(zhuǎn)到10～40kHz的設(shè)備生產(chǎn)。我們發(fā)現(xiàn)頻率高，處理的產(chǎn)品表面硬度也偏高。我們認為出現(xiàn)的原因是：由于感應加熱的特點，頻率越低，電流透入的深度越深。這樣造成的后果是表面溫度較次表面溫度低，并且隨加熱深度增加，偏差會越大。這可能就是中頻淬火表面硬度低于高頻淬火表面硬度的一個主要原因。頻率越低加熱深度越大，熱容量越多，不像頻率高加熱深度淺（表面溫度高），熱容量少，淬火液可以及時帶走。由于熱量多，對表面也有回火作用。這可能就是中頻淬火表面硬度低于高頻淬火表面硬度的另一個主要原因。

4.國外類似感應淬火分析

國外一些公司開發(fā)的乘用車或皮卡車的輸出軸，采用感應淬火。采用的材料沒有采用含合金元素較多的42CrMo、35CrMo，而是采用正火作為預處理的50Mn。分析其主要原因如下：

合金元素錳主要以固溶體的形式存在，錳屬于弱碳化物形成元素，鉻、鉬、鎢屬于中強碳化物形成元素，與碳元素的親和力強。合金元素形成的碳化物越穩(wěn)定，熱處理加熱時碳化物的溶解及奧氏體的均勻化越困難。合金元素影響碳化物的穩(wěn)定性，影響碳原子的擴散系數(shù)，而且合金元素分布不均勻，所以合金元素影響奧氏體的形成速度，碳化物的溶解及奧氏體的均勻化。對擴散系數(shù)的影響，強碳化物形成元素如Cr、V、Mo、W等降低碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，因而減慢奧氏體形成速度。由于合金元素奪走了一部分碳，這樣形成的奧氏體其中的碳量也會減少，形成的馬氏體硬度偏低。淬硬性及淬火后的硬度主要與鋼件的含碳量有關(guān)，但更確切地講，鋼件淬火后的硬度應該是與溶于奧氏體中的碳量有關(guān)。所以，鋼件的最終淬火硬度與奧氏體化程度和奧氏體均勻化程度有關(guān)。國外認為是否采用合金元素含量高的鋼種及是否調(diào)質(zhì)并不重要，關(guān)鍵是材料的淬透性，就是感應加熱層，冷卻后一定要得到需要的硬化層和表面硬度。對于基體是調(diào)質(zhì)還是正火，一般選用正火。因為正火后的材料，加工性能優(yōu)于調(diào)質(zhì)。還有國外對于產(chǎn)品都要經(jīng)過臺架試驗和跑車試驗，最終決定采用正火工藝。只要產(chǎn)品通過了測試，產(chǎn)品就是合格的，技術(shù)要求也就是合理的。對于有些文獻（見圖2）也對此情況進行說明。

圖2

根據(jù)圖2所示，A層深首先在淬硬層-心部交界處損壞。而B層深則可充分發(fā)揮表面淬硬層的作用，其損壞可能發(fā)生在表面，也可能在淬硬層-心部交界處。如果比B層深再進一步加大淬硬層深度，強度不會再好，其將在表面損壞。同時由于淬硬層過深，表面壓應力將下降（表層在淬火時，馬氏體轉(zhuǎn)變時體積膨脹，而使表層留下壓應力，相反若是全部淬硬，結(jié)果表面將是張應力）。就是說只要將一定深度的表層進行淬火強化，使其扭轉(zhuǎn)強度適當超過施加在半軸上的切應力，即可滿足使用性能要求。當半軸承受扭轉(zhuǎn)負荷時，在零件的表面切應力最大，而在中心為零。軸類零件的抗扭轉(zhuǎn)疲勞性能和總層深有很好的對應關(guān)系。在相同的總層深條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，心部硬度較高的具有較好的疲勞性能。但是也發(fā)現(xiàn)當其總層深達到直徑的25%～30%，經(jīng)過調(diào)質(zhì)的和未經(jīng)過調(diào)質(zhì)的抗疲勞性能漸趨接近。因此對抗疲勞扭轉(zhuǎn)性能、靜扭強度，強度極限、心部硬度和總層深都很重要，需要有合理的匹配。通過感應表面淬火，需要得到一個合理的硬度（或強度）分布曲線。心部硬度低的淬硬層要適當加深。因此要根據(jù)設(shè)計載荷情況，選擇材料的淬透性要滿足要求。試驗也證明在相同總層深的情況下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)且心部硬度較高的鋼具有較好的疲勞性能（表面磁粉檢測，表面采用強力噴丸工藝，可以檢測和提高壽命）。

一種軸類產(chǎn)品（42CrMo）批量生產(chǎn)已經(jīng)一年多，某批次生產(chǎn)首檢發(fā)現(xiàn)硬化層不合格，感應淬火工藝一直沒有改變，這時出現(xiàn)這種情況可能與原材料、淬火液濃度、淬火設(shè)備等有關(guān)系。我們的設(shè)備有能量監(jiān)控，對于能量值與以前的比較沒有變化，淬火液的濃度也在正常范圍內(nèi)。檢查調(diào)質(zhì)硬度發(fā)現(xiàn)偏低（在23.8～25.2HRC之間，圖樣要求25～35HRC）。對以前的產(chǎn)品試塊材料和現(xiàn)在的產(chǎn)品材料進行光譜分析，結(jié)果見表1。

檢測結(jié)果說明這兩批材料都在合格范圍內(nèi)，沒有異常。對于金相進行檢測：圖5～圖7是不合格產(chǎn)品金相，圖8～圖10是合格品（試塊）金相。

根據(jù)圖3和圖4可以看出，不合格品過渡區(qū)很寬，表2的檢測結(jié)果也可以證實。

表1 化學成分檢測（質(zhì)量分數(shù)）（%）

經(jīng)過調(diào)查得知，這批產(chǎn)品更換了調(diào)質(zhì)廠家。新的調(diào)質(zhì)廠家采用一臺舊的多用爐淬火，并且裝爐量超過了額定載荷的30%。造成加熱溫度不均勻，冷卻也不均勻（后來的產(chǎn)品重新轉(zhuǎn)回原調(diào)質(zhì)公司，感應淬火正常）。這批產(chǎn)品感應淬火質(zhì)量就與調(diào)質(zhì)有關(guān)。感應加熱是一種快速加熱方式，奧氏體化程度和均勻化程度不僅與原始組織有關(guān)，而且與加熱速度有關(guān)。原始組織越均勻，加熱速度緩慢，完成奧氏體化并均勻化所需的時間就短，反之則相反。所以，從理論上講，雖然是同種材料（含碳量相同），但因原始組織不同，加熱速度不同，當其奧氏體化程度不同時，必然會造成淬火硬度的差異。從這個意義上講，同種材料采用正火、退火和調(diào)質(zhì)等不同的預處理狀態(tài)，在同一設(shè)備上采用相同的工藝參數(shù)淬火后，硬度是有所不同的。鋼的原始組織越細，奧氏體形成速度越快。因原始組織中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大，同時珠光體片間距越小，碳原子的擴散距離減小，奧氏體中的濃度梯度增大，所以奧氏體形成速度加快，如原始組織為托氏體的奧氏體的形成速度比索氏體和珠光體都快。珠光體中的碳化物有片狀的，也有粒狀的，試驗表面碳化物呈片狀的奧氏體形成速度較粒狀的快。由于片狀珠光體中的碳化物與鐵素體的相界面積大，易于形核也易于溶解，片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時受碳在奧氏體的擴散控制，而粒狀珠光體轉(zhuǎn)變時受碳在鐵素體中的擴散控制，因此前者的速度快（這也可能是軸類花鍵，正火態(tài)比調(diào)質(zhì)態(tài)在少數(shù)花鍵上易出現(xiàn)裂紋的原因）。如果調(diào)質(zhì)過程中，因欠熱導致奧氏體化不充分而出現(xiàn)較多未溶鐵素體（塊狀鐵素體）及因淬火冷卻不良而出現(xiàn)先共析鐵素體時，隨后的高溫回火得到的不是均勻的回火索氏體（組織出現(xiàn)球化的趨勢），這種組織對于感應淬火來說，由于加熱速度太快了，經(jīng)感應加熱后的奧氏體很難均勻，自然影響到淬火后的硬度及硬度均勻性。甚至出現(xiàn)了過渡區(qū)域很寬，淬火區(qū)域不明顯，甚至比正火狀態(tài)的組織也差（這就是檢查調(diào)質(zhì)組織時，只要發(fā)現(xiàn)烏黑一片，組織很難分清，感應淬火后的硬度就偏低，尤其是頻率比較低的中頻及超音頻。但是對于高頻，影響會少一些）。