軋機(jī)導(dǎo)衛(wèi)架端頭異形截面的感應(yīng)淬火工藝及畸變控制

王敬偉, 范梅香, 林乙丑, 石如星, 席志永, 劉志剛

(1. 洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司, 河南 洛陽 471039;2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心, 河南 洛陽 471003)

除鱗導(dǎo)衛(wèi)裝置是軋機(jī)的重要部分,其作用主要有兩個(gè)方面:一是將軋件導(dǎo)入軋輥并保護(hù)軋輥不受軋件的沖擊;二是除去軋件上的氧化鐵皮。另外軋輥冷卻、除塵、水幕攔截等裝置都集成在導(dǎo)衛(wèi)裝置上,以節(jié)省空間[1]。當(dāng)代先進(jìn)的除磷導(dǎo)衛(wèi)裝置除具有基本的鋼板導(dǎo)向作用外,還要滿足板坯除磷、軋輥冷卻及煙塵抑制等各項(xiàng)要求[2]。導(dǎo)衛(wèi)架整體拼焊并選用碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板作為端頭,端頭尖角部位采用感應(yīng)淬火方式提高表面硬度,并在后續(xù)的加工中適當(dāng)修正以滿足圖紙尺寸要求。焊接結(jié)構(gòu)件一般須通過焊后500～600 ℃的退火消除焊接應(yīng)力,感應(yīng)淬火經(jīng)180～220 ℃回火后,淬火部位可獲得較高硬度并有一定韌性的回火馬氏體組織,旨在保證感應(yīng)淬火面的硬度及耐磨性。從導(dǎo)衛(wèi)架的加工工藝性來考慮,導(dǎo)衛(wèi)架端頭在感應(yīng)淬火之前必須完成焊接和焊后退火,從而可有效避免感應(yīng)淬火部位因高溫退火失去硬化效果。

感應(yīng)加熱原理有集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)和尖角效應(yīng)等,其中尖角效應(yīng)是感應(yīng)加熱中與工件本身的淬火區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)的效應(yīng),尖角效應(yīng)的存在易造成工件尖角部位產(chǎn)生過熱、過燒及開裂等質(zhì)量問題。所謂尖角效應(yīng)是指在感應(yīng)加熱過程中,當(dāng)感應(yīng)電流通路被阻斷時(shí),會(huì)使該處電流密度增大,溫度迅速升高,而頻率愈高效應(yīng)越明顯,因多發(fā)生在孔口、棱邊、尖角處,因此稱為尖角效應(yīng)。本文所需感應(yīng)淬火的端頭,由于硬化區(qū)域?yàn)閹Ъ饨堑漠愋谓孛媲也粚?duì)稱,因此在感應(yīng)淬火過程中必然存在尖角效應(yīng)導(dǎo)致的過熱、過燒及開裂風(fēng)險(xiǎn),以及會(huì)存在端頭在加熱和冷卻過程中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的不對(duì)稱問題,導(dǎo)致彎曲畸變風(fēng)險(xiǎn)。因此,導(dǎo)衛(wèi)架端頭感應(yīng)淬火的主要難度在于避免工件尖角效應(yīng)的同時(shí)控制因不對(duì)稱所帶來的畸變。

本文基于已焊接的端頭整體導(dǎo)衛(wèi)架,設(shè)計(jì)了專用仿形感應(yīng)器,通過工藝試驗(yàn)及優(yōu)化參數(shù),完成了導(dǎo)衛(wèi)架端頭部位的感應(yīng)淬火處理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及要求

圖1為軋機(jī)牌坊導(dǎo)衛(wèi)架,其中導(dǎo)衛(wèi)架左下尖角部位為端頭,材質(zhì)為C35E鋼,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 10269,其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為0.32～0.39C、≤0.4Si、0.5～0.8Mn、≤0.03P、≤0.015S、≤0.4Cr、≤0.4Ni、≤0.1Mo、≤0.63(Cr+Mo+Ni)。要求虛線覆蓋面感應(yīng)淬火硬度≥40 HRC。

圖1 導(dǎo)衛(wèi)架(a)及端頭(b)示意圖Fig.1 Schematic diagram of guide frame(a) and end(b)

C35E鋼的臨界點(diǎn)為Ac1=724 ℃,Ac3=802 ℃,Ms=350～360 ℃。感應(yīng)淬火時(shí),控制奧氏體化溫度在860～890 ℃之間。從結(jié)構(gòu)來看,端頭感應(yīng)淬火部位為異形截面,端頭感應(yīng)淬火區(qū)域角度40°,長(zhǎng)度達(dá)2120 mm。其主要風(fēng)險(xiǎn)在于感應(yīng)淬火區(qū)域不可避免的尖角效應(yīng)以及彎曲畸變。通過制備與導(dǎo)衛(wèi)架尺寸相同的等比端頭試驗(yàn)件,對(duì)其硬度、開裂及畸變風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分評(píng)價(jià)。試驗(yàn)端頭尺寸如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

選用設(shè)備為某中頻感應(yīng)淬火機(jī)床,工作頻率0.2～4 kHz,最大輸出功率600 kW。設(shè)計(jì)專用仿形感應(yīng)器,分段感應(yīng)淬火并評(píng)價(jià)畸變風(fēng)險(xiǎn)及硬度。采用手持紅外線單點(diǎn)測(cè)溫槍進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。采用某便攜式里氏硬度計(jì)D型探頭檢測(cè)端頭感應(yīng)淬火后的表面硬度,每處位置檢測(cè)3點(diǎn)取平均值。采用刀口尺評(píng)價(jià)感應(yīng)淬火后的畸變情況。采用磁粉探傷對(duì)端頭尖角部位進(jìn)行探傷。

1.3 工藝參數(shù)選擇

1.3.1 電流頻率的計(jì)算

電流頻率是根據(jù)零件所要求的淬硬層深度確定的,為保證零件表面淬硬層的深度δ,必須使感應(yīng)透熱深度Δ熱大于所要求的淬硬層深度δ,這樣才可以使淬火層同時(shí)達(dá)到比較均勻的溫度,因此一般多采用較低的頻率以滿足δ≤Δ熱,但隨著頻率的降低,通過感應(yīng)器的電流密度顯著增加,不僅需要加強(qiáng)感應(yīng)器的冷卻,而且使電效率下降,容易造成加熱不足,影響表面淬火質(zhì)量。對(duì)于一般碳鋼,其感應(yīng)加熱時(shí)的透熱深度可用公式(1)[3]計(jì)算:

(1)

式中:f為電流頻率。導(dǎo)衛(wèi)架對(duì)淬硬層深度并無特殊要求,則可按常規(guī)硬化層深度計(jì)算感應(yīng)透熱深度,應(yīng)滿足公式(2):

(2)

按淬硬層深度1～3 mm,可推算感應(yīng)淬火時(shí)所需頻率為1.7～6.9 kHz,由于某中頻感應(yīng)淬火機(jī)床頻率最大為4 kHz,故感應(yīng)頻率可選范圍為1.7～4 kHz。

1.3.2 感應(yīng)器的設(shè)計(jì)

從圖1可以看出,導(dǎo)衛(wèi)架端頭感應(yīng)淬火區(qū)域特征為帶尖角、非對(duì)稱且感應(yīng)淬火面兩側(cè)連續(xù),若端頭兩邊的感應(yīng)淬火面感應(yīng)淬火過程分開執(zhí)行,感應(yīng)器及感應(yīng)加熱操作過程將十分簡(jiǎn)單,但是無法避免尖角部位需經(jīng)歷兩次淬火的事實(shí),因此,該部位存在極大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。若避免該部位經(jīng)歷兩次淬火,則須保留導(dǎo)衛(wèi)架端頭沿長(zhǎng)度方向的軟帶,該軟帶將不利于導(dǎo)衛(wèi)架的使用。基于對(duì)感應(yīng)淬火面的特征分析,認(rèn)為感應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一次加熱一次淬火的感應(yīng)熱處理方式,該方案可以有效避免開裂及軟帶帶來的工藝難度和使用壽命的損失。為了能夠讓感應(yīng)淬火面在一次加熱完成,專門設(shè)計(jì)了仿形感應(yīng)器。

為避免尖角部位發(fā)生尖角效應(yīng),考慮通過驅(qū)磁合理平衡尖角及其余部位的加熱效率。在感應(yīng)淬火生產(chǎn)實(shí)踐中,驅(qū)磁的目的是防止感應(yīng)器漏磁,并提高感應(yīng)器對(duì)工件的加熱效率,采用不驅(qū)磁加熱方式可大大降低尖角部位的加熱效率,讓該部位實(shí)現(xiàn)較為緩慢的加熱,從而避免端頭尖角部位發(fā)生尖角效應(yīng)。仿形感應(yīng)器見圖3。

圖3 仿形感應(yīng)器示意圖Fig.3 Schematic diagram of profiling sensor

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

導(dǎo)衛(wèi)架端頭的感應(yīng)淬火試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 端頭感應(yīng)淬火試驗(yàn)方案及相關(guān)檢測(cè)結(jié)果

2.1 感應(yīng)器設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

對(duì)于較大的感應(yīng)淬火件,其工序通常需要增加調(diào)質(zhì)預(yù)處理工序,調(diào)質(zhì)所獲得的索氏體組織可以保證感應(yīng)加熱時(shí)加熱部位快速奧氏體化,從而有效避免因組織均勻化所消耗過多時(shí)間,降低尖角過熱和開裂風(fēng)險(xiǎn)。本文基于導(dǎo)衛(wèi)架端頭調(diào)質(zhì)預(yù)處理進(jìn)行感應(yīng)淬火處理。試驗(yàn)結(jié)果表明,尖角處溫度控制良好,均在工藝要求范圍之內(nèi),且溫度均勻性良好,說明依據(jù)端頭感應(yīng)淬火區(qū)域采用仿形感應(yīng)器感應(yīng)淬火處理具有合理性。通過對(duì)試驗(yàn)件感應(yīng)頻率、行走速度、冷卻方式(連續(xù)冷卻)等工藝參數(shù)的調(diào)試,評(píng)估了開裂、硬度、畸變等風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明,對(duì)端頭尖角部位的驅(qū)磁避讓處理,有效地降低了端頭尖角部位的過熱過燒風(fēng)險(xiǎn),從而大大降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)對(duì)尖角部位磁粉探傷,顯示無裂紋,硬度合格,且畸變較小。端頭試驗(yàn)的結(jié)果表明,仿形感應(yīng)器及驅(qū)磁設(shè)計(jì)具有合理性。

2.2 硬度分析

硬度數(shù)據(jù)表明,端頭經(jīng)感應(yīng)加熱并進(jìn)行水冷淬火的部位硬度滿足圖紙要求,均勻性良好,而風(fēng)冷部位硬度雖然基本也滿足圖紙硬度要求,但是均勻性較差。從工藝的實(shí)現(xiàn)角度考慮,導(dǎo)衛(wèi)架端頭采用水冷方案。

2.3 畸變分析

非對(duì)稱感應(yīng)加熱勢(shì)必會(huì)引起導(dǎo)衛(wèi)架端頭兩側(cè)感應(yīng)淬火面應(yīng)力分布差異,也就意味著畸變是必然會(huì)發(fā)生的問題,且畸變方向會(huì)朝著感應(yīng)淬火面積大的方向凸起。為理解該現(xiàn)象,可先假定一面加熱,在感應(yīng)淬火前未對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)畸變等措施的情況下,最終表淬面畸變趨勢(shì)是向加熱面凹陷[4],其原理在于,非對(duì)稱感應(yīng)加熱時(shí)的溫度差,較小面相對(duì)較大面的升溫速度快,故在加熱之初,較小面有伸長(zhǎng)趨勢(shì),但是由于較大面溫度相對(duì)較低,故有受拉趨勢(shì),因此該過程為較小面受壓應(yīng)力,而較大面受拉應(yīng)力,此時(shí)畸變表現(xiàn)為向感應(yīng)淬火面較小的方向凸起或向較大面凹陷。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)和加熱溫度的升高,當(dāng)較小面先于較大面達(dá)到塑性溫度區(qū)間,較大面的拉應(yīng)力會(huì)讓較小面產(chǎn)生一定的塑性變形,該過程從較小面達(dá)到塑性溫度區(qū)間一直持續(xù)到淬火結(jié)束。感應(yīng)淬火過程的畸變也是從開始的平直到向較大面凹陷,待熱應(yīng)力和組織應(yīng)力得到充分的平衡后,端頭的畸變趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄虼竺嫱蛊?。通過對(duì)端頭試驗(yàn)件的感應(yīng)淬火,很好地驗(yàn)證了這個(gè)現(xiàn)象,整體畸變趨勢(shì)為朝較大面凸起,畸變約4 mm。

針對(duì)所發(fā)生的畸變問題,理論上有3種應(yīng)對(duì)措施:第一種措施為對(duì)感應(yīng)淬火面適當(dāng)留量,以平衡感應(yīng)淬火過程所引起的畸變,并通過精加工保證圖紙尺寸精度;第二種措施為對(duì)表淬面或整個(gè)工件預(yù)熱,當(dāng)工件預(yù)熱至某一較高溫度再進(jìn)行感應(yīng)淬火,可大大減小非對(duì)稱面兩側(cè)的溫差,進(jìn)而減小畸變,但限于材料及硬度要求,通常無法對(duì)表淬面或整個(gè)工件預(yù)熱;第三種措施為合理實(shí)施反畸變,該工藝方法需結(jié)合導(dǎo)衛(wèi)架的結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)件畸變趨勢(shì),先對(duì)感應(yīng)淬火面積小的一邊進(jìn)行感應(yīng)加熱,讓其先行凸起,用于抵抗兩側(cè)感應(yīng)加熱時(shí)來自大面的壓應(yīng)力,然后再進(jìn)行感應(yīng)加熱和淬火的工藝實(shí)施,如此可將畸變控制在盡可能低的范圍。對(duì)比3種方案,由于碳素結(jié)構(gòu)鋼C35E的淬透性相對(duì)較差,若留量加工,將會(huì)影響導(dǎo)衛(wèi)架端頭工作面的硬度均勻性,為此考慮導(dǎo)衛(wèi)架的端頭采用反畸變方案。

2.4 預(yù)熱與反畸變

端頭試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果表明,直接對(duì)非對(duì)稱感應(yīng)淬火面進(jìn)行感應(yīng)淬火,必然會(huì)產(chǎn)生畸變。為解決該問題,在導(dǎo)衛(wèi)架的生產(chǎn)中,專門對(duì)導(dǎo)衛(wèi)架進(jìn)行了整體預(yù)熱及局部反畸變。

預(yù)熱目的是在執(zhí)行反畸變操作時(shí),避免因反畸變應(yīng)力過大而對(duì)導(dǎo)衛(wèi)架產(chǎn)生不必要或無法預(yù)期的損害,同時(shí),預(yù)熱的溫度不宜超過感應(yīng)淬火后的回火溫度,故預(yù)熱溫度設(shè)定為180 ℃。局部反畸變操作是利用了表淬時(shí)向加熱面凹陷或在非對(duì)稱加熱時(shí)朝大面凸起的原理,導(dǎo)衛(wèi)架反畸變的量可參考端頭試驗(yàn)件的畸變量,但由于端頭與導(dǎo)衛(wèi)架已焊接,畸變抗力相對(duì)較大,故該反畸變量可適當(dāng)減小,工藝要點(diǎn)在于對(duì)圖2所示的端頭右下方非感應(yīng)淬火面(尺寸142 mm)進(jìn)行低功率快速掃描加熱,設(shè)定溫度控制目標(biāo)不超過300 ℃,最終以反畸變的量不超過4 mm為準(zhǔn)。對(duì)該部位進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí),加熱溫度適中且尚不至于產(chǎn)生塑性變形,此時(shí)整體向較小的淬火面凸起,該反畸變操作所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力可抵消部分來自非對(duì)稱感應(yīng)淬火過程的畸變,因此效果是有益的,非感應(yīng)淬火面過高或過低的加熱溫度會(huì)導(dǎo)致過畸變或效果不佳。如上分析表明,該導(dǎo)衛(wèi)架的工藝及操作難度極大。

2.5 導(dǎo)衛(wèi)架端頭感應(yīng)淬火

對(duì)導(dǎo)衛(wèi)架端頭的感應(yīng)淬火方向采用支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門修正后,采用等比端頭試驗(yàn)件的工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)感應(yīng)淬火后相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導(dǎo)衛(wèi)架端頭感應(yīng)淬火后相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)對(duì)導(dǎo)衛(wèi)架端頭進(jìn)行工藝實(shí)施,淬火后硬度與回火后硬度均滿足要求。第一件由于反畸變量相對(duì)較大,故在感應(yīng)淬火過程中,大面有一定的塑性變形,而小面無明顯塑性畸變,最終導(dǎo)致大面凹約1 mm,回火后向小面凸起約1 mm。經(jīng)過第一件的感應(yīng)淬火后,對(duì)第二件的反畸變量進(jìn)行了適當(dāng)控制和調(diào)整,彎曲畸變量減小了1 mm,回火后無明顯畸變。結(jié)果表明,通過反畸變操作利于導(dǎo)衛(wèi)架端頭的畸變控制。

3 結(jié)論

1) 基于端頭異形截面結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的仿形感應(yīng)器,經(jīng)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)角度40°的導(dǎo)衛(wèi)架端頭異形截面的感應(yīng)淬火熱處理。

2) 通過在感應(yīng)器上合理設(shè)置驅(qū)磁區(qū)域,有效避免了異形截面端頭發(fā)生尖角效應(yīng),并利于感應(yīng)加熱溫度的均勻性。

3) C35E鋼端頭感應(yīng)淬火后硬度達(dá)55～60 HRC。

4) 通過反畸變操作總長(zhǎng)2120 mm的導(dǎo)衛(wèi)架端頭彎曲畸變可控制在1 mm以內(nèi)。