感應(yīng)熱處理新工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究

孔春花

1.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所 河南洛陽(yáng) 471004

2.洛陽(yáng)法拉地感應(yīng)設(shè)備有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

1 序言

感應(yīng)熱處理作為一種節(jié)能高效、易于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)工藝方法，在我國(guó)汽車(chē)工業(yè)中發(fā)展迅速，一汽、二汽集團(tuán)的感應(yīng)熱處理零件，按質(zhì)量計(jì)算已占到全部熱處理零件的50%以上。我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)中應(yīng)用感應(yīng)熱處理技術(shù)已處于國(guó)際先進(jìn)水平。通過(guò)感應(yīng)熱處理，可提高零件的抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度以及零件局部耐磨性等綜合力學(xué)性能，具有其他熱處理無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工件服役情況，采用不同的感應(yīng)熱處理工藝方法，可達(dá)到理想的強(qiáng)化效果，滿(mǎn)足產(chǎn)品零件相應(yīng)的力學(xué)性能要求。

筆者作為一名在感應(yīng)熱處理行業(yè)從業(yè)三十多年的科技人員，愿意與大家分享一些科研工作點(diǎn)滴，期望就先進(jìn)感應(yīng)熱處理工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究與同行進(jìn)行交流，給讀者提供一些有效的參考與借鑒。

2 大變徑多臺(tái)階軸感應(yīng)淬火關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究

某大變徑多臺(tái)階軸零件結(jié)構(gòu)和感應(yīng)淬火技術(shù)要求如圖1所示。

圖1 大變徑多臺(tái)階軸零件

該種產(chǎn)品具有3個(gè)或3個(gè)以上臺(tái)階，且截面大小徑變化單邊在10mm以上，為大變徑多臺(tái)階軸類(lèi)零件，其感應(yīng)淬火關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究如下。

（1）工藝難點(diǎn) 用傳統(tǒng)圓環(huán)感應(yīng)器（見(jiàn)圖2）如何實(shí)現(xiàn)多臺(tái)階大變徑軸感應(yīng)淬火層連續(xù)（見(jiàn)圖3）的問(wèn)題；在現(xiàn)有設(shè)備功率條件下，如何實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱和冷卻過(guò)程中溫度梯度的把控；臺(tái)階處預(yù)熱、滯冷及冷卻時(shí)間如何確定。

圖2 圓環(huán)感應(yīng)器

圖3 多臺(tái)階大變徑軸感應(yīng)淬火層

（2）創(chuàng)新性與先進(jìn)性 采用圓環(huán)感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)大變徑軸類(lèi)零件的感應(yīng)淬火。通過(guò)數(shù)控技術(shù)，在現(xiàn)有設(shè)備條件下，通過(guò)大變徑軸類(lèi)零件專(zhuān)用感應(yīng)器制作、工裝夾具研制、淬火工藝研究，選用連續(xù)式加熱、噴液淬火的方式，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，提出一套能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求的淬火工藝，解決了大變徑軸類(lèi)零件感應(yīng)淬火淬硬層分布不連續(xù)的技術(shù)難題，使產(chǎn)品整機(jī)性能得以提高[1]。

3 鏟刀連接座凹球面高頻淬火成套關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究

推土機(jī)產(chǎn)品中所用鏟刀連接座的上蓋凹球面（見(jiàn)圖4a）和下座凹球面（見(jiàn)圖4b）的高頻感應(yīng)淬火成套關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究。

圖4 鏟刀連接座零件

（1）工藝難點(diǎn) 感應(yīng)淬火時(shí)，如何避免尖角效應(yīng)、掌控感應(yīng)間距以及實(shí)現(xiàn)凹球面低速回轉(zhuǎn)；凹球面高頻感應(yīng)淬火時(shí)，如何提高感應(yīng)效率、解決圓環(huán)效應(yīng)影響、實(shí)施有效淬火冷卻以及感應(yīng)器尺寸配用；凹球面高頻感應(yīng)淬火時(shí)，如何解決電控定位、電控調(diào)速，以及感應(yīng)加熱電源、淬火冷卻介質(zhì)的電控應(yīng)用；凹球面高頻感應(yīng)淬火時(shí)，如何確定加熱頻率、電源功率、掃描線(xiàn)速度、加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間，以及加熱方法、冷卻方案選擇等。

（2）創(chuàng)新性與先進(jìn)性

1）用于鏟刀連接座凹球面的感應(yīng)淬火裝置及操作方法研究。通過(guò)采取屏蔽環(huán)措施，避免尖角效應(yīng)；通過(guò)設(shè)置回轉(zhuǎn)組件，解決了凹球面水平感應(yīng)間距難以控制的問(wèn)題；通過(guò)設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件，解決了所需低速回轉(zhuǎn)以及豎直感應(yīng)間距難以控制的問(wèn)題。

2）用于鏟刀連接座凹球面的淬火感應(yīng)器（見(jiàn)圖5）及配用尺寸確定方法研究。通過(guò)采用導(dǎo)磁體，解決了感應(yīng)加熱效率提升以及圓環(huán)效應(yīng)的影響問(wèn)題；通過(guò)采取淬火水與淬火冷卻介質(zhì)合二為一的方法，解決了淬火冷卻介質(zhì)的問(wèn)題；通過(guò)采用配用尺寸確定方法，解決了淬火感應(yīng)器尺寸的確定問(wèn)題。

圖5 鏟刀連接座高頻淬火感應(yīng)器

3）一種用于鏟刀連接座感應(yīng)淬火裝置的電控系統(tǒng)研究。通過(guò)采用可編程控制器、增量式編碼器，解決了“起點(diǎn)”及“終點(diǎn)”位置的電控定位問(wèn)題；通過(guò)設(shè)置變頻器，解決了淬火工藝需要多轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電控調(diào)速問(wèn)題；通過(guò)可編程控制器，解決了所需的感應(yīng)加熱電源及淬火冷卻介質(zhì)的電控配用問(wèn)題。

4）淬火工藝及工作流程研究。加熱頻率、掃描線(xiàn)速度的確定；工件加熱功率的選?。患訜釡囟?、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間的確定；淬火冷卻介質(zhì)的流量、壓力等的選用。金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 鏟刀連接座高頻淬火金相

4 驅(qū)動(dòng)輪軸的感應(yīng)熱處理關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

某驅(qū)動(dòng)輪軸的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)輪軸

（1）工藝難點(diǎn) 該零件上有4個(gè)關(guān)鍵、危險(xiǎn)、薄弱處：齒條、鍵槽、臺(tái)階及花鍵尾部，這些部位是零件在工作過(guò)程中的薄弱部位，又是工作時(shí)所受應(yīng)力較大部位，由于受力情況各不相同，其損壞形式主要是在薄弱部位產(chǎn)生的疲勞斷裂和磨損，因此通過(guò)感應(yīng)淬火提高驅(qū)動(dòng)輪軸薄弱部位的疲勞強(qiáng)度非常重要。但驅(qū)動(dòng)輪軸薄弱部位的結(jié)構(gòu)又是導(dǎo)致零件在感應(yīng)淬火時(shí)淬裂傾向加大和淬不上火的部位。同時(shí)該零件要求的淬硬層較深（≥7mm），其所用材料42CrMo淬透性又好，感應(yīng)淬火難度較大，其感應(yīng)加熱淬火質(zhì)量難以保證，屬感應(yīng)淬火疑難問(wèn)題。

（2）創(chuàng)新性與先進(jìn)性 為解決上述問(wèn)題，本項(xiàng)目擬從驅(qū)動(dòng)輪軸所用材料、結(jié)構(gòu)及其熱處理工藝等方面入手，對(duì)其分類(lèi)逐項(xiàng)地進(jìn)行技術(shù)可行性分析，探索出大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸類(lèi)零件在臺(tái)階、鍵槽、花鍵尾部及齒條處加熱時(shí)溫度梯度把控上的關(guān)鍵感應(yīng)淬火技術(shù)，有效地解決了薄弱部位處易燒熔、淬裂、掉塊及齒條處淬火淬硬層連續(xù)的問(wèn)題，滿(mǎn)足了驅(qū)動(dòng)輪軸類(lèi)零件淬火硬度及淬硬層深度等多項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的要求。試驗(yàn)使用感應(yīng)器如圖8所示，驅(qū)動(dòng)輪軸金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)輪軸感應(yīng)淬火用感應(yīng)器

圖9 驅(qū)動(dòng)輪軸感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)結(jié)果

5 制動(dòng)器壓盤(pán)零件高頻淬火關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究

制動(dòng)器壓盤(pán)零件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 制動(dòng)器壓盤(pán)零件

制動(dòng)器壓盤(pán)技術(shù)要求：6個(gè)錐窩對(duì)基準(zhǔn)面的位置度為0.10mm，錐窩表面淬火，硬度45～50HRC，淬硬層深≥1.5mm。

錐窩加工后實(shí)際結(jié)果：機(jī)加工后位置度大部分在0.15～0.22mm，個(gè)別甚至達(dá)到0.30mm左右；加工過(guò)程困難，錐（球）窩淬火后加工因零件硬度高加工易讓刀，造成錐窩位置度超差及刀具成本高等。

（1）技術(shù)難點(diǎn)

1）如何解決錐窩面在感應(yīng)淬火時(shí)出現(xiàn)的尖角效應(yīng)問(wèn)題。

2）如何解決錐窩凹球面在包裹其有效感應(yīng)圈弧面進(jìn)行感應(yīng)淬火時(shí)出現(xiàn)的感應(yīng)間距。

3）如何解決感應(yīng)加熱效率提升以及圓環(huán)效應(yīng)的影響問(wèn)題。

（2）創(chuàng)新性與先進(jìn)性

1）用于制動(dòng)器壓盤(pán)錐窩的淬火感應(yīng)器（見(jiàn)圖11）及配用尺寸確定方法研究。采用圓銅管制作感應(yīng)器雙匝感應(yīng)圈的有效感應(yīng)弧端的方法，增大了有效感應(yīng)面積，有效地解決了感應(yīng)加熱效率難以提升的問(wèn)題；壓盤(pán)錐窩內(nèi)表面感應(yīng)器的仿形性，保證了淬硬層能夠在錐窩內(nèi)均勻分布；使感應(yīng)器加熱線(xiàn)圈與錐窩能夠有效貼合，既保證了加熱效率和淬硬層深度，又避免了產(chǎn)生的燒熔和打火的現(xiàn)象；通過(guò)采用配用尺寸確定方法，解決了淬火感應(yīng)器尺寸的確定問(wèn)題。

“二老爹啊，我也不知道為什么呀，徐二爺家要是條件不夠，當(dāng)初我們也不會(huì)報(bào)上去呀。”村支書(shū)周明也很納悶兒這件事，賠著笑臉在解釋。

圖11 制動(dòng)器壓盤(pán)高頻淬火用感應(yīng)器

2）一種用于制動(dòng)器壓盤(pán)錐窩的感應(yīng)淬火裝置（見(jiàn)圖12）及操作方法研究。采用圓形純銅管制作單匝仿形感應(yīng)器，避免尖角效應(yīng)；在裝置中設(shè)置可調(diào)方向、間距的升降回轉(zhuǎn)工裝組件，有效地解決了錐窩凹球面在包裹其有效感應(yīng)圈弧面進(jìn)行感應(yīng)淬火時(shí)出現(xiàn)的感應(yīng)間距難以控制的問(wèn)題；以壓盤(pán)中心定位、感應(yīng)淬火時(shí)用高度標(biāo)尺、分度盤(pán)精確控制位置方式，使壓盤(pán)在感應(yīng)淬火過(guò)程中旋轉(zhuǎn)定位加熱，進(jìn)一步確保了淬火質(zhì)量。

圖12 制動(dòng)器壓盤(pán)高頻淬火用夾具

3）淬火工藝及工作流程研究。加熱頻率、電源功率、掃描線(xiàn)速度的確定；工件加熱功率的選??；加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間的確定；淬火冷卻介質(zhì)的流量、壓力等的選用。

6 凸緣零件感應(yīng)淬火工藝研究

凸緣零件結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 凸緣零件結(jié)構(gòu)

由于凸緣零件工作過(guò)程中外圓面和端面要承受較大的摩擦力，要求有較高的硬度和耐磨性，因此零件外圓面和端面需要進(jìn)行淬火處理。

（1）感應(yīng)淬火難點(diǎn)

1）尖角效應(yīng)難以避免：在實(shí)施感應(yīng)淬火時(shí)，凸緣外圓和端面之間倒角形成的外圓棱邊、端面棱邊，易出現(xiàn)尖角效應(yīng)，尖角處的電流易出現(xiàn)密集，從而產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生淬火裂紋。

2）感應(yīng)距離難以控制：在實(shí)際感應(yīng)淬火時(shí)，凸緣外圓和端面之間倒角所形成斜面的感應(yīng)距離不易控制，影響倒角處的淬火效果，而且影響淬火區(qū)域的淬火均勻性。

（2）創(chuàng)新性與先進(jìn)性 凸緣零件端面與外圓面之間存在倒角、棱邊，是該感應(yīng)器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其淬火要求，淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)及配用尺寸的確定采用以下措施。

1）在有效圈（見(jiàn)圖14）的設(shè)計(jì)方面，采用矩形管制作感應(yīng)器有效圈，設(shè)計(jì)為分段式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)加熱外圓面和端面。

圖14 凸緣感應(yīng)器

2）通過(guò)配用尺寸確定的方法，確定有效圈各尺寸，有效地保證了零件的淬火質(zhì)量（淬硬層檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖15），收到良好的淬火效果。

圖15 淬硬層檢驗(yàn)結(jié)果

3）該淬火感應(yīng)器構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)用可靠，易于制作，且配用方法簡(jiǎn)單可行，易于實(shí)施，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

7 結(jié)束語(yǔ)

1）縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)熱處理技術(shù)作為先進(jìn)的工藝方法，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用迅速擴(kuò)大，因而感應(yīng)熱處理工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)研究是感應(yīng)熱處理應(yīng)用的前提。

2）合理的工裝設(shè)計(jì)與制造是保證零件感應(yīng)熱處理效果的關(guān)鍵。

3）先進(jìn)可靠自動(dòng)化感應(yīng)加熱成套設(shè)備的推廣應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)熱處理技術(shù)進(jìn)步的根本保障。

4）熱處理是國(guó)家工業(yè)制造核心競(jìng)爭(zhēng)力，由于長(zhǎng)期“重冷輕熱”，因此導(dǎo)致“熱處理后繼無(wú)人”。熱處理行業(yè)的興衰直接關(guān)系到制造業(yè)的強(qiáng)盛與否，沒(méi)有人才，上面三點(diǎn)皆為空談！強(qiáng)烈呼吁國(guó)家層面要加以關(guān)注。

最后，希望我們用“華為與蘋(píng)果比高低”的精神[2]，使我國(guó)熱處理技術(shù)“更上一層樓”，十年后，不是我們向國(guó)外找差距，而是國(guó)外熱處理行業(yè)向中國(guó)找差距！愿我國(guó)感應(yīng)加熱界的專(zhuān)家、學(xué)者加強(qiáng)交流與合作，推動(dòng)我國(guó)感應(yīng)加熱技術(shù)快速發(fā)展與進(jìn)步！