細(xì)長(zhǎng)類(lèi)H13矯直輥的雙頻淬火工藝改進(jìn)

■ 彭元飛，李 良，袁小婷

我公司熱處理車(chē)間近期對(duì)于一批（共9支）矯直輥進(jìn)行表面淬火，材質(zhì)H13，其規(guī)格為φ315mm×4450/5506mm。要求輥身硬度54～56HRC，淬硬層深12～14mm。通過(guò)對(duì)圖樣的技術(shù)要求進(jìn)行分析，淬硬層深要求較大，若單一采用中頻淬火肯定無(wú)法滿(mǎn)足，只有通過(guò)軋輥車(chē)間的雙頻淬火機(jī)床才能達(dá)到所要求層深。

1. 工藝分析及準(zhǔn)備

材質(zhì)H13即為4Cr5MoSiV1，合金工具鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。

該材質(zhì)具有高的耐磨性和淬透性，具有強(qiáng)的抗熱裂能力，合金元素釩含量較高，耐磨性好，具有良好的耐熱性，在較高溫度時(shí)具有較好的強(qiáng)度和硬度，高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和較高的回火穩(wěn)定性。該材質(zhì)一般加熱淬火溫度1020～1050℃，此處建議表面淬火溫度選取上限1050℃。

圖樣要求淬硬層深12～14mm，一般中頻淬火的淬硬層深最多6～8mm，顯然不能采用單一的中頻淬火設(shè)備?？紤]到軋輥車(chē)間的雙頻淬火機(jī)床可以滿(mǎn)足該淬硬層深的要求，具體雙頻淬火變壓器參數(shù)如表2所示。

由于該淬火方式采用工頻和中頻同時(shí)加熱的方式，完全具有高的加熱深度和淬透性，按照常用冷軋輥的淬火方式，建議感應(yīng)器工頻T2測(cè)溫點(diǎn)控制淬火溫度為1030～1040℃，下感應(yīng)器中頻T3測(cè)溫點(diǎn)控制淬火溫度為1040～1050℃，如附圖所示。

感應(yīng)器中測(cè)溫點(diǎn)分布

表1 H13化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 雙頻淬火變壓器參數(shù)

該批矯直輥規(guī)格φ315mm×4450/5506mm，根據(jù)矯直輥直徑選取合適的感應(yīng)器規(guī)格，按表3所示選取。

故選取工頻感應(yīng)器直徑為350mm，中頻感應(yīng)器直徑350mm進(jìn)行淬火，合適的感應(yīng)器間隙有助于加熱過(guò)程的穩(wěn)定性和確保工藝所要求的淬火溫度。

2. 工藝執(zhí)行

（1）淬火前消除應(yīng)力 由于該批矯直輥直徑315mm，總長(zhǎng)5506mm，細(xì)長(zhǎng)比達(dá)20左右。表面淬火極易變形，故表面淬火前需進(jìn)行一次消除應(yīng)力處理，以消除機(jī)加工所產(chǎn)生的應(yīng)力，避免淬火過(guò)程中產(chǎn)生較大的變形。消除應(yīng)力處理溫度550℃、保溫6h，出爐后測(cè)量變形基本在3～6mm，然后對(duì)此均進(jìn)行了再校直。待校直后正常進(jìn)行雙頻淬火。

（2）淬火過(guò)程 提前按照工藝要求裝夾好兩個(gè)感應(yīng)器，矯直輥進(jìn)行正常的雙頻淬火過(guò)程，T2溫度1030℃，T3溫度1050℃，工件淬火移速42mm/min，工件轉(zhuǎn)速20r/min，下端噴淋水圈φ360mm，水壓滿(mǎn)足淬火要求。

起初淬火過(guò)程一切正常，當(dāng)淬火至輥身中間位置時(shí)逐漸發(fā)現(xiàn)淬火溫度T2和T3波動(dòng)較大，T2在1040～1020℃之間波動(dòng)，T3在1050～1030℃之間波動(dòng)，并且隨著該件繼續(xù)向下淬火移動(dòng)，溫度波動(dòng)越來(lái)越大且明顯發(fā)現(xiàn)工件在感應(yīng)器中的擺動(dòng)造成間隙不均勻。直到最后淬火接近輥身上端時(shí)，T2和T3溫度在960～1070℃之間波動(dòng)，輥身發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)與感應(yīng)器發(fā)生碰撞摩擦已經(jīng)無(wú)法正常淬火下移。最終只能勉強(qiáng)完成淬火。

（3）結(jié)果檢測(cè) 最后經(jīng)過(guò)淬火后的矯直輥?zhàn)冃螐澢?0mm左右，無(wú)法進(jìn)行正常的校直。并且檢測(cè)硬度發(fā)現(xiàn)兩條母線(xiàn)硬度相差較大，輥身下端部分硬度分布較均勻，兩條母線(xiàn)均在55～56HRC，從中間開(kāi)始往上，硬度分布極不均勻，一條母線(xiàn)在55～58HRC，另外一條母線(xiàn)只有45～50HRC。由此可見(jiàn)，此次淬火的結(jié)果根本不滿(mǎn)足圖樣的硬度要求和最終的加工要求。

表3 感應(yīng)器間隙的選取

3. 工藝改進(jìn)

（1）原因分析 此類(lèi)軋輥淬火過(guò)程中起初變形較小，當(dāng)淬火至輥身中間位置時(shí)變形較為明顯，出現(xiàn)稍微的彎曲，造成輥身轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程間隙不均勻，而間隙不均勻又必然造成加熱溫度的不均勻。同樣的功率下，輥身上的高點(diǎn)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)總是在靠近感應(yīng)器的點(diǎn)上，低點(diǎn)隨著輥身的轉(zhuǎn)動(dòng)總是在遠(yuǎn)離感應(yīng)器的點(diǎn)上，這樣隨著淬火過(guò)程輥身的下移，高點(diǎn)溫度越來(lái)越高，低點(diǎn)溫度越來(lái)越低，溫度的高低不勻又造成了輥身的進(jìn)一步彎曲，進(jìn)而造成間隙不勻而導(dǎo)致溫度不均，這樣便產(chǎn)生了一個(gè)惡性循環(huán)，只能使輥身彎曲越來(lái)越大，兩條母線(xiàn)硬度相差越來(lái)越大。

（2）淬火溫度的調(diào)整 考慮到H13材料的淬透性較高且淬火溫度范圍較寬，然而圖樣要求的54～56HRC硬度也不是很高，容易達(dá)到，故可適當(dāng)降低淬火溫度，工頻T2溫度控制在700～800℃起預(yù)熱作用，中頻T3控制在1030℃左右，主要起淬火加熱作用。降低淬火溫度后，可以有效避免高的淬火溫度引起的變形。

（3）感應(yīng)器間隙的改變 由于加熱過(guò)程會(huì)出現(xiàn)間隙不均造成溫度不均進(jìn)而加大變形的情況，主要是因?yàn)榧訜釡囟葘?duì)感應(yīng)器間隙的敏感性較大，只有降低這種敏感性才能降低它們之間的相互影響，因此可考慮選取較大直徑的感應(yīng)器，這樣感應(yīng)器與輥身之間的間隙增大后，這種敏感性就降低了，從而相互影響也自然降低了。當(dāng)出現(xiàn)微小變形后，高低點(diǎn)的溫度相差不會(huì)太大，變形量就不會(huì)繼續(xù)惡性增加，從而保持在一定的范圍內(nèi)。

基于此，應(yīng)該選取φ450mm的兩個(gè)感應(yīng)器，雖然加大了感應(yīng)器間隙，但是工頻感應(yīng)器只需要加熱溫度在700～800℃，所以不存在加熱溫度不夠的問(wèn)題，而中頻感應(yīng)器在此間隙下全功率輸入剛好能滿(mǎn)足1030～1040℃范圍，即便中頻的T3溫度略有欠缺時(shí)，也可以通過(guò)略微提高工頻T2溫度來(lái)增加T3溫度。

（4）淬火前消除應(yīng)力工藝改變 通過(guò)淬火后工件的變形情況推斷，第一次消除應(yīng)力不徹底，550℃的消除應(yīng)力溫度也偏低。第一次消除應(yīng)力處理后雖然進(jìn)行了校直卻沒(méi)有進(jìn)行第二次消除應(yīng)力處理，而又帶著校直產(chǎn)生的應(yīng)力直接淬火，最終導(dǎo)致更大的變形。

現(xiàn)采取650℃的高溫消除應(yīng)力處理，出爐后進(jìn)行校直，校直后再進(jìn)行消除應(yīng)力處理，即：消除應(yīng)力→校直→消除應(yīng)力→校直→消除應(yīng)力→……不斷往復(fù)多次進(jìn)行，直到工件消除應(yīng)力出爐后不再有變形量為止，這樣方可進(jìn)行表面淬火。相信通過(guò)高溫反復(fù)消除應(yīng)力校直，會(huì)大大降低工件自身的各種殘余應(yīng)力，有助于淬火后變形的控制。

（5）淬火過(guò)程的改變 淬火后出現(xiàn)兩條母線(xiàn)硬度不均勻的情況，主要是因?yàn)榧訜徇^(guò)程中工件旋轉(zhuǎn)間隙不均勻，從而造成淬火溫度高低相差甚大。只有均勻加熱才能避免出現(xiàn)硬度“陰陽(yáng)面”的情況，要想間隙均勻，可以嘗試淬火過(guò)程中輥身在感應(yīng)器中不旋轉(zhuǎn)直接淬火。

采取輥身不旋轉(zhuǎn)直接淬火，雖然淬火過(guò)程中也可能出現(xiàn)輥身變形造成間隙不均勻，但是在整個(gè)過(guò)程中有專(zhuān)人密切查看輥身與感應(yīng)器間隙的變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)輥身高點(diǎn)離感應(yīng)器近，低點(diǎn)離感應(yīng)器遠(yuǎn)，間隙有所不均，立即示意操作者慢速旋轉(zhuǎn)工件，調(diào)整到合適的間隙位置繼續(xù)加熱。這樣在整個(gè)淬火過(guò)程中就不會(huì)出現(xiàn)溫度不均勻的問(wèn)題。

4. 結(jié)果檢測(cè)

經(jīng)過(guò)降低淬火溫度、增大感應(yīng)器間隙、高溫反復(fù)消除應(yīng)力、淬火過(guò)程輥身不旋轉(zhuǎn)這四點(diǎn)工藝改進(jìn)，最終取得了較好的效果。經(jīng)測(cè)量，變形振擺基本在8～10mm，這樣的彎曲程度在后續(xù)校直過(guò)程中比較容易操作。

經(jīng)過(guò)回火后硬度檢測(cè)（見(jiàn)表4），完全滿(mǎn)足圖樣要求且不同母線(xiàn)硬度基本一致。

表4 回火后硬度檢測(cè) （HRC）

5. 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于這類(lèi)細(xì)長(zhǎng)比大的H13矯直輥，其表面淬火工藝從四個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用效果明顯，既減小了變形，又保證了輥身硬度的均勻性。這給我們積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為以后細(xì)長(zhǎng)類(lèi)軋輥和零件的表面淬火提供了可靠的保障。