超大直徑、超高載荷環(huán)形導(dǎo)軌低頻淬火工藝技術(shù)研究

張 虎，張艷紅

(武漢重型機床集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，湖北 武漢 430205)

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超大直徑、超高載荷環(huán)形導(dǎo)軌低頻淬火工藝技術(shù)研究

張 虎，張艷紅

(武漢重型機床集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，湖北 武漢 430205)

針對超大直徑、超高載荷環(huán)形導(dǎo)軌低頻淬火工藝技術(shù)展開研究，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求，分析了工藝技術(shù)難點，提出了一系列參數(shù)和工藝技術(shù)假設(shè)，在相關(guān)試驗的基礎(chǔ)上，獲得了超大直徑、超高載荷環(huán)形導(dǎo)軌低頻的淬火工藝參數(shù)。

超大直徑；超高載荷；環(huán)形導(dǎo)軌；低頻淬火

武漢重型機床集團(tuán)有限公司承接的某國防重點裝備上的關(guān)鍵零件——環(huán)形導(dǎo)軌，主要起回轉(zhuǎn)與支承作用，要求其有足夠的剛度和精度保持性。導(dǎo)軌面上有車體滾動，車體承重約1 400 t，這就要求導(dǎo)軌面具有非常高的強度和耐磨性。

該項目為國家重點項目，由于技術(shù)保密性，國內(nèi)外沒有相關(guān)資料可以借鑒。為了確保項目的順利進(jìn)行，本文從材料特性分析、零件技術(shù)要求、工藝特性分析、熱處理工藝參數(shù)、淬火感應(yīng)器的制造、淬火裂紋的控制以及淬火變形校正等幾個方面展開研究，并進(jìn)行了相關(guān)試驗，得出了合理的熱處理工藝參數(shù)。

1 40CrNiMoA材料特性分析

在40CrNiMoA超高強度鋼中，w(C)=0.36%～0.44%、w(Cr)=0.6%～0.9%、w(Ni)=1.25%～1.75%、w(Mo)=0.15%～0.25%，其經(jīng)熱處理后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。鉻和鎳等合金元素的加入使其淬透性較好，并使鐵素體的強度和韌度得到提高；鉬和鉻等碳化物形成元素的加入，可阻止奧氏體晶粒度長大，提高鋼的回火穩(wěn)定性，在使用中有一定的沖擊性和斷裂韌度，以及高的疲勞強度，可滿足環(huán)形導(dǎo)軌對材質(zhì)的要求[1]。

2 環(huán)形導(dǎo)軌的零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

環(huán)形導(dǎo)軌材質(zhì)為40CrNiMoA，毛坯為鍛件，外形尺寸如圖1所示。環(huán)形導(dǎo)軌可等分為10段，單件質(zhì)量約為4 200 kg，單段長度近5 200 mm。其技術(shù)要求為導(dǎo)軌經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到32～36 HRC；導(dǎo)軌面經(jīng)過表面淬火處理，硬度達(dá)到48～52 HRC，淬硬層深度>10 mm，淬火變形<1.5 mm，淬火面不允許存在任何形式裂紋。

圖1 環(huán)形導(dǎo)軌零件示意圖

3 工藝特性分析

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求分析認(rèn)為,該環(huán)形導(dǎo)軌表面淬火的主要難點如下。

1)很難達(dá)到設(shè)計要求的硬化層深度(>10 mm)。常規(guī)感應(yīng)淬火一般硬化層深度為3～5 mm，資料數(shù)據(jù)表明，40CrNiMoA感應(yīng)淬火最大硬化層深度一般為8 mm。另外，導(dǎo)軌為弧形，弦長5 200 mm，弦高700 mm，要求淬火變壓器能兩軸聯(lián)動或者淬火機床回轉(zhuǎn)直徑達(dá)到16 000 mm，對淬火設(shè)備要求較高，在國內(nèi)多次尋找專業(yè)熱處理廠家均表示無法滿足要求。

2)很難達(dá)到設(shè)計要求的淬火變形(<1.5 mm)。淬硬層越深，淬火變形越大，變形超差后采用傳統(tǒng)的機械校正法幾乎難以校平。

3)40CrNiMoA鋼淬透性較好，表面淬火時容易產(chǎn)生裂紋，對冷卻介質(zhì)冷卻速度要求較高。

針對上述技術(shù)難點，采用技術(shù)措施如下。

1)現(xiàn)有臥式淬火機床電源為IGBT電源，功率為350 kW，頻率為5～30 kHz，設(shè)備外形尺寸為14 m×2.5 m×2 m。通過與設(shè)備廠家的充分溝通，并進(jìn)行可行性分析，認(rèn)為在現(xiàn)有的臥式淬火機床設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過對電源進(jìn)行局部改造，可使設(shè)備頻率降到約為1 500 Hz，滿足淬火設(shè)備頻率要求。

2)為減小淬火變形，工藝流程上增加預(yù)備正火處理，細(xì)化晶粒，消除鍛造內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備。淬火變形后，根據(jù)變形規(guī)律，采用在淬火面背面局部加熱的“拉背”技術(shù)校正變形，使變形控制在1.5 mm以內(nèi)。

3)為抑制淬火裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)軌面的邊角必須倒鈍，同時淬火前增加預(yù)熱處理，以減少在感應(yīng)加熱過程中因工件截面較大、內(nèi)部吸熱較快而造成的熱量損失，便于快速加熱。預(yù)熱可提高熱應(yīng)力，降低淬火冷卻過程中開裂的風(fēng)險。

4 環(huán)形導(dǎo)軌熱處理工藝

環(huán)形導(dǎo)軌工藝流程為：鍛造→正火→粗銑→超聲波探傷→調(diào)質(zhì)→半精銑→表面淬火→著色探傷→精銑→入庫。

4.1 正火處理

大型鍛件常常存在成分與組織不均勻、晶粒粗大等缺陷，鍛后進(jìn)行正火處理，可達(dá)到細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，改善鋼的切削加工性能，消除由于截面尺寸不同在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的顯微組織的不均勻性，為后序表面淬火作組織準(zhǔn)備的目的。為降低正火后的硬度和消除內(nèi)應(yīng)力，得到良好的機械加工性，還應(yīng)進(jìn)行附加回火。具體工藝曲線如圖2所示。

圖2 正火處理工藝曲線

4.2 調(diào)質(zhì)處理

在環(huán)形導(dǎo)軌粗銑并超聲波探傷后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，工藝類似正火處理，工藝曲線如圖3所示。為了得到更大的淬硬層深度，淬火冷卻介質(zhì)采用體積比為8%濃度的PAG合成淬火液。通過淬火和高溫回火處理后，表層硬度達(dá)到32～36 HRC，滿足設(shè)計要求。

圖3 調(diào)質(zhì)處理工藝曲線

4.3 表面淬火工藝參數(shù)

4.3.1 設(shè)備頻率的選擇

4.3.2 感應(yīng)器設(shè)計及導(dǎo)磁體的選擇

根據(jù)環(huán)形導(dǎo)軌淬火面形狀，感應(yīng)器設(shè)計成仿形平面淬火感應(yīng)器，即2根銅管加熱，其中一根銅管上帶噴水孔，實現(xiàn)邊加熱邊冷卻的連續(xù)淬火方式。首先，將φ16 mm紫銅管用拉方工裝制成截面14 mm×11 mm的方銅管，然后進(jìn)行彎形、開孔，最后與紫銅板焊接而成。

為提高加熱效率，采用導(dǎo)磁體減少磁力線的逸散，它是平面與內(nèi)孔感應(yīng)加熱不可缺少的附件。此外，導(dǎo)磁體可進(jìn)一步強化外表面加熱和局部加熱，改善復(fù)雜形狀工件加熱區(qū)的磁場分布，以獲得均勻的溫度分布[3]。根據(jù)導(dǎo)磁體的驅(qū)流作用，將其裝卡在銅管上。導(dǎo)磁體的材料通常有鐵氧體、硅鋼片和矽鋼片，試驗證明，中、高頻導(dǎo)磁體對電源振蕩波形圖有較大干擾，使加熱狀態(tài)極其不穩(wěn)定；因此，在低頻率淬火時應(yīng)使用低頻矽鋼片導(dǎo)磁體，且以厚度≤0.2 mm為佳。

淬火感應(yīng)器上鉆有與底面成45°、φ1.5 mm的斜孔，孔間距以3 mm為宜。為防止淬火液倒流，影響加熱效果，除噴水孔與淬火面呈一定角度外，還應(yīng)在感應(yīng)器前方增加空氣吹掃裝置，以及時帶走回流飛濺的冷卻液。

4.3.3 淬火溫度的選擇

由于感應(yīng)加熱速度快，奧氏體轉(zhuǎn)變在較高溫度下進(jìn)行，在一定的加熱速度范圍內(nèi)，臨界點隨加熱速度的增加而提高；另由于感應(yīng)加熱一般不進(jìn)行保溫，為了在加熱過程中能使先共析鐵素體(亞共析鋼)等游離的第2項充分溶解，要求感應(yīng)加熱表面淬火溫度采用較高的加熱溫度。一般感應(yīng)淬火溫度比普通淬火溫度高30～200 ℃[4]。40CrNiMoA奧氏體化溫度為835 ℃，普通淬火溫度為860～880 ℃，感應(yīng)淬火溫度初步選為880～900 ℃。試驗證明，采用偏下限的淬火溫度時，淬火硬化層深度只有6.5～7 mm；而采用偏上限的淬火溫度，雖然淬火硬化層深度可以達(dá)到10 mm以上，但淬火面兩邊易出現(xiàn)淬火裂紋。

4.3.4 淬火速度及工件與感應(yīng)器之間的間隙選擇

中、高頻連續(xù)淬火速度一般以3～5 mm/s為宜，而對于低頻連續(xù)淬火，為了得到更深的淬硬層，在保證表面不過熱條件下，可采用降低比功率，延長加熱時間，增加工件與感應(yīng)器的間隙，以及預(yù)熱處理等工藝方法。試驗表明，在淬火溫度保持不變的前提下，當(dāng)淬火速度為1.5～2 mm/s時，淬硬層深度達(dá)到10.5 mm；當(dāng)淬火速度為3 mm/s時，淬硬層深度為8.5 mm。試驗中發(fā)現(xiàn)，在低頻淬火時，感應(yīng)器與工件之間的間隙較常規(guī)中、高頻淬火的間隙大，這是因為低頻淬火時，產(chǎn)生的磁場更強，感應(yīng)器與工件之間會產(chǎn)生較大的吸引力，可能會導(dǎo)致感應(yīng)器與工件接觸而燒傷工件表面；但感應(yīng)器與工件之間的間隙也不能太大，否則會減小渦流的透入深度，從而影響淬火硬化層深度。試驗證明，工件與感應(yīng)器的間隙取6～7 mm較為合適。

4.3.5 冷卻介質(zhì)的選擇

感應(yīng)淬火的冷卻速度和冷卻均勻性是十分重要的參數(shù)，如果淬火冷卻介質(zhì)的冷卻性能不良或冷卻方式不佳，均有可能造成淬火裂紋或其他缺陷，而40CrNiMoA屬于低合金高強度高，淬透性較好，資料顯示，該鋼水淬時最大淬透直徑可到100 mm，但水淬時容易產(chǎn)生裂紋。冷卻速度太快和淬火冷卻不均勻均易引起不同程度的裂紋。試驗證明，當(dāng)淬火水溫為30 ℃噴水冷卻時，在環(huán)形導(dǎo)軌邊角處容易出現(xiàn)不同程度的淬火裂紋。通過磨削后著色探傷檢測可知，裂紋深度≤0.5 mm。淬火噴射壓力越大，淬火裂紋數(shù)量越多，這是因為隨著噴射壓力的提高，噴出的水柱越強勁，冷卻的均勻性越差，淬火裂紋自然也越多[5]。實踐證明，采用體積比為0.1%～4%濃度的PAG合成淬火液噴冷時，對抑制裂紋效果不明顯；當(dāng)濃度>4%時，雖能有效抑制裂紋的產(chǎn)生，但濃度提高后冷卻能力下降，淬火硬化層深度也隨之下降。在把淬火硬化層深度作為首要滿足要求的前提下，通過對比試驗，結(jié)果表明，選擇噴水冷卻，控制噴射水壓在0.15～0.2 MPa，同時淬火前進(jìn)行預(yù)備熱處理，能大幅抑制淬火裂紋的產(chǎn)生。

4.4 淬火變形校正方法

盡管采取了多種減小淬火變形的方法，但是淬火變形仍不可避免，且淬硬層越深，變形越大。環(huán)形導(dǎo)軌表面淬火變形規(guī)律為淬火面中部凸起，兩端下凹，通過多次試驗，測出淬火面中部凸起最大值為7.5～8 mm。由于導(dǎo)軌面硬度高達(dá)48 HRC以上，且淬火硬化層深度>10 mm，采用常規(guī)的冷壓校直法和熱校直法均難以校正。根據(jù)多年的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，采用“拉背”技術(shù)校直法，可將變形校正在合適范圍。

所謂“拉背”技術(shù)校直法，即對淬火面背面進(jìn)行加熱，找出工件凸起部位，以最高點為中心，兩頭各一段距離，以一端為起點，通過感應(yīng)加熱此區(qū)域，采用連續(xù)加熱法加熱淬火面背面，加熱溫度同淬火溫度，以移動至另一端為終點；然后對加熱部分進(jìn)行激冷，使加熱部位迅速收縮，以達(dá)到校正的一種方法。通過此方法進(jìn)行校正，可將淬火變形控制在≤1 mm，滿足加工余量要求?！袄场奔夹g(shù)校直法的重點在于找出合適的加熱部位，控制好加熱溫度和感應(yīng)器移動速度，加熱完后進(jìn)行激冷，校正后需要進(jìn)行回火處理。因為工件畸變矯正的實質(zhì)是通過外力作用于工件，使其產(chǎn)生與原變形方向相反的變形，從而相互抵消，達(dá)到矯正的目的。由于外力的作用產(chǎn)生相反的變形，工件內(nèi)部必然產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，此應(yīng)力也稱工件的校直應(yīng)力。若不對其進(jìn)行消除，工件在后續(xù)的加工或使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力與該應(yīng)力合成，當(dāng)合成應(yīng)力超過工件的屈服極限時，工件就會產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)新的畸變。

5 結(jié)語

40CrNiMoA大直徑環(huán)形導(dǎo)軌低頻感應(yīng)淬火前應(yīng)進(jìn)行預(yù)備正火熱處理，以達(dá)到細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力，為后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備的目的；粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，增加環(huán)形導(dǎo)軌整體強度；半精加工后對環(huán)形導(dǎo)軌面進(jìn)行低頻感應(yīng)淬火處理，頻率控制在1 400～1 500 Hz較宜，淬火溫度為880～900 ℃。為了減少裂紋的產(chǎn)生，低頻淬火前應(yīng)進(jìn)行350 ℃保溫4 h的預(yù)備熱處理，噴水壓力控制在0.15～0.2 MPa。淬火變形后，可通過“拉背”技術(shù)校直法將淬火變形校正在合適的工藝留量范圍內(nèi)，以滿足后續(xù)加工要求。

[1] 秦征平.40CrNiMo熱處理工藝的改進(jìn)[J].一重技術(shù)，2009(1)：31-32.

[2] 中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.

[3] 石霖,朱兆良.兵工金屬材料熱處理手冊[M].北京: 兵器工業(yè)出版社，1991.

[4] 夏立芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1986.

[5] 江國清，林信智.淬火冷卻條件下不良造成的淬火裂紋[J].金屬加工，2014(3)：20-22.

責(zé)任編輯 馬彤

Research of Low Frequency Quenching Process on Super-diameter and Super-load Circular-guideway

ZHANG Hu，ZHANG Yanhong

(Technology Institute, Wuhan Heavy Machine Tool Group Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

The low frequency quenching process on super-diameter and super-load circular-guideway is analyzed. Aiming at the structure feature and technical requirement of parts, firstly explore the technical difficulty, and then propose a series of hypothetical parameters and technological process. Basing on serial test results, the parameters of low frequency quenching process on super-diameter and super-load circular-guideway are found.

super-diameter，super-load，circular-guideway，low frequency quenching process

TG 156

A

張虎(1983-)，男，工程師，主要從事重型機床關(guān)鍵零件熱處理等方面的研究。

2016-08-08