C45E薄壁套表面淬火的研究

文／張濤·中國中車股份有限公司

和諧系列電力機車的NF套采用C45E材質(zhì)，壁厚為5mm，且內(nèi)徑較小，為φ45mm。要求內(nèi)孔進行表面淬火處理，硬度≥55HRC，淬硬深度為1～1.5mm。根據(jù)淬火深度要求選用高頻感應(yīng)淬火。由于該工件壁薄，且內(nèi)徑小，給實際生產(chǎn)造成一定的困難。通過改進感應(yīng)圈，并且更改淬火介質(zhì)為KERUN水基淬火液，使零件達到了技術(shù)要求。

本文所研究的NF套為C45E（EN 10083）材質(zhì)，該材質(zhì)是一種廣泛用于機械制造的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。因其技術(shù)要求內(nèi)表面硬度≥55HRC，淬硬深度為1～1.5mm，因此通過對其進行高頻感應(yīng)淬火，使之達到所需性能。

薄壁內(nèi)孔件對于采用高頻表面淬火是具有一定難度的。內(nèi)孔高頻淬火與外圓高頻淬火有很大的區(qū)別：內(nèi)孔加熱是利用感應(yīng)圈的外表面磁場進行的；而外圓加熱則是利用感應(yīng)圈的內(nèi)表面磁場進行的。當(dāng)環(huán)狀效應(yīng)和鄰近效應(yīng)共同作用時，使得在感應(yīng)圈的內(nèi)表面處，高頻電流的磁場達到最大，而在外表面處為最弱，從而造成感應(yīng)圈外表面處發(fā)生嚴重的漏磁和磁力線的逸散，從而大大降低感應(yīng)圈利用外表面加熱的效率。因此提高感應(yīng)圈的加熱效率是問題的關(guān)鍵所在。

經(jīng)過大量的工藝研究和試驗，最后通過改進感應(yīng)圈，并通過采用連續(xù)加熱淬火的方式，以及采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)和冷卻介質(zhì)，最終達到了零件的技術(shù)要求。

表1 C45E鋼的化學(xué)成分（wt%）

工藝分析

本試驗中，零件所采用的材質(zhì)為C45E。其化學(xué)成分如表1所示。

其零件圖如圖1所示。圖紙內(nèi)孔的技術(shù)要求為：淬火部位硬度≥55HRC，淬硬層深為1～1.5mm。經(jīng)過分析，對其進行高頻感應(yīng)淬火能夠達到所需性能。而感應(yīng)圈是感應(yīng)淬火技術(shù)的核心，它直接影響零件的加熱效果、淬火質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此感應(yīng)圈的設(shè)計是薄壁內(nèi)孔高頻淬火的關(guān)鍵因素之一。使用高頻GP100-C3及GCK10130數(shù)控淬火機床，結(jié)合零件的技術(shù)要求，制定出工藝方案：感應(yīng)圈改進→工裝設(shè)計→工藝設(shè)計→工藝試驗。

圖1 C45E薄壁套產(chǎn)品圖

感應(yīng)圈改進

為了提高感應(yīng)圈對零件內(nèi)孔（即感應(yīng)圈外表面）的加熱效率，且由于φ45mm薄壁套的感應(yīng)圈尺寸較小，無法使用導(dǎo)磁體，因此對感應(yīng)圈進行改進，如圖2所示。將感應(yīng)圈設(shè)計為與普通單圈感應(yīng)圈差別較大的三圈螺旋管，其底部配置噴水碗，并采用連續(xù)加熱淬火方式。目的是在對零件進行內(nèi)孔加熱時，三圈的結(jié)構(gòu)能夠充分彌補漏磁和磁力線逸散的不足，其加熱效率要遠遠優(yōu)于單管的加熱效率。此外，為確保感應(yīng)圈與零件的合理間隙，避免加熱時與零件接觸打火起弧，灼傷零件表面及損壞感應(yīng)圈，并且使其加熱效果最佳，因此，確定感應(yīng)圈與零件單邊間隙為2mm。

表2為通過單圈與三圈感應(yīng)圈加熱后的結(jié)果對比。從表2可以看出，單圈感應(yīng)圈的淬火硬度為46～56HRC，淬火不均勻，很難達到技術(shù)要求。而三圈感應(yīng)圈則均達到了技術(shù)要求，且硬度偏差很小，淬硬層也得到了有效提高。

圖2 感應(yīng)圈設(shè)計圖

表2 單圈與三圈感應(yīng)圈加熱效果對比

工裝設(shè)計

本數(shù)控淬火機床上是采用連續(xù)加熱淬火方式進行的，而零件處于不斷旋轉(zhuǎn)并上下移動的狀態(tài)。因此，為了固定零件，及防止淬火時發(fā)生形變，設(shè)計了定位套。其工作方式為，機床三爪卡盤將工裝φ66mm處夾緊，零件放置在φ57mm部位，因為頻繁淬火會導(dǎo)致工裝端口處出現(xiàn)變形，因此設(shè)計工裝高度高于零件，避免其使用部位產(chǎn)生變形，如圖3所示。

圖3 定位套

工藝設(shè)計

工藝參數(shù)設(shè)計

零件在感應(yīng)淬火過程中，加熱速度快，保溫時間短，擴散困難，因此，想要達到奧氏體狀態(tài)需要更高的溫度。而Ac3的上移幅度比Ac1相對要大，根據(jù)經(jīng)驗，高頻感應(yīng)淬火溫度要比普通爐內(nèi)加熱的淬火溫度約提高50～100℃，所以確定其加熱溫度為890±10℃。

零件保溫時間過長容易引起晶粒粗大，所以在保證淬火加熱溫度的前提下，機床移動速度極其重要，通過實踐經(jīng)驗，確定為4mm/s。

淬火介質(zhì)

零件通過三圈感應(yīng)圈加熱后，分別用水和KERUN水基淬火液進行冷卻。在相同的電參數(shù)下，淬火效果分別如表3所示。由表3可知，分別采用水和KERUN水基淬火液均達到了硬度要求，且淬硬層無明顯差別，均符合要求。

表3 水與KERUN水基淬火液的淬火效果對比表

但經(jīng)觀察，通過水冷后，零件有毛細裂紋出現(xiàn)。而KERUN水基淬火液因為對水有逆溶性，冷卻速度相對較慢，因而避免了冷卻過快造成的毛細裂紋。兩者的冷卻速度如表4所示。

表4 水與KERUN水基淬火液的冷卻速度對比表

結(jié)論

⑴通過對感應(yīng)圈進行合理的改進，達到了零件的技術(shù)要求，并且具有較小的硬度偏差。淬硬層深度也較單圈感應(yīng)器得到有效提高。

⑵淬火加熱后，采用KERUN水基淬火液進行冷卻能夠有效地避免毛細裂紋的出現(xiàn)。