大型鑄鋼件中頻淬火工藝試驗

王明禮，孫小東，陳翠麗，王麗霞，孫運玲

（洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039）

與鍛件相比，鑄件內部存在著大量的氣孔、砂眼，而且還存在著比鍛件嚴重得多的疏松等鑄造缺陷，在對其進行中頻淬火加熱過程中，這些氣孔和嚴重的疏松部位將會形成局部渦流，致使缺陷處溫度過高，極易導致淬火裂紋。為了解決鑄件中頻淬火這一技術難題，對鑄鋼試樣進行了中頻淬火工藝試驗，以期得到理想的鑄件中頻淬火工藝。

1 試驗材料

試樣材料為ZG42CrMo，鑄造后經正、回火處理，尺寸為400 mm×200 mm×200 mm，其化學成分見表1；技術要求：表面硬度為55～62 HRC，硬化層深度為5 mm，表面無淬火裂紋。

表1 中頻淬火試樣的化學成分 %

2 工藝試驗及檢測

2.1 1＃～6＃試樣中頻淬火試驗

1＃～6＃試樣的試驗工藝參數見表2，采用的淬火設備是BPSD-100／2500。按表2中的6種淬火工藝試驗后，對試樣進行了回火處理，回火工藝為（170±10）℃×4 h。對回火后的試樣進行了表面著色探傷、硬度及硬化層深度檢測，結果見表3。

從表3可以看出：除4＃試樣淬火后表面無裂紋外，其余5個試樣表面均存在著不同程度的裂紋。

表2 1＃～6＃試樣中頻淬火工藝參數

表3 試驗檢測數據

從表3還可以看出，除了3＃，6＃試樣的硬化層深度符合要求外，其余試樣的硬化層深度均未達到技術要求。盡管3＃，6＃兩個試樣的硬化層深度能夠達到技術要求，但是，由于這兩個試樣采用的工藝是低速和偏高溫度，故試樣淬火后均出現了淬火裂紋。4＃工藝雖然沒有出現淬火裂紋，但由于試驗采用了較快的工件移動速度，因此，硬化層深度及硬度均未達到技術要求。

2.2 7＃～9＃試樣中頻淬火試驗

為了解決淬火裂紋的問題，通過降低中頻淬火溫度對7＃～9＃試樣進行了中頻淬火工藝試驗。采用的淬火設備仍為BPSD-100／2500，7＃～9＃試樣試驗工藝參數和檢測結果分別見表4和表5。

從表5可以看出，經過著色探傷檢驗，7＃，8＃，9＃試樣中頻淬火后均未發現淬火裂紋，但是，由于淬火溫度較低，3個試樣的表面硬度和硬化層深度均沒有達到技術要求。

表4 7＃～9＃試樣淬火工藝參數

表5 7＃～9＃試樣試驗檢測數據

2.3 11＃～15＃和21＃～25＃試樣中頻淬火試驗

為了找到能夠滿足產品技術要求的理想中頻淬火工藝，對原有的中頻淬火工藝進行了比較大的改進：（1）為工件在淬火前增加預處理工藝；（2）采用PAG作為中頻淬火的冷卻介質；（3）降低淬火設備的頻率；（4）采用低溫起步的淬火工藝。

試驗工藝參數見表6，檢測結果見表7。

表6 試樣工藝參數

表7 試驗后檢查情況

從表7的檢驗結果可以看出，通過改進工藝后，所有試樣均未發現淬火裂紋；除13＃～15＃，25＃試樣外，其余試樣的硬度、硬化層深度均符合技術要求。

3 結果分析

從以上工藝試驗的檢驗結果可以看出：

（1）中頻淬火前的預熱處理有效地避免了淬火裂紋的產生，并且明顯增加了硬化層深度。這是由于預熱處理可以有效地降低淬火時快速加熱產生的熱應力，從而避免了裂紋的產生。由于預處理可以給后續的淬火加熱積蓄熱量，使中頻淬火加熱層深度增加，因此，顯著提高了淬火后的硬化層深度。

（2）硬化層深度隨著淬火頻率的降低而增加。由文獻［1］知，在材料的ρ和μ一定時，頻率f越低，電流透入深度δ越大，淬火后得到的硬化層也就越深。

（3）使用PAG得到的硬化層深度比用聚乙烯醇淬火后的硬化層深度明顯增加。PAG是聚氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物，調整兩者的比例，可以得到70～88℃的逆溶點。隨著溫度的上升，溶解度下降。由于逆溶性的存在，工件在淬火時，經過蒸氣膜階段和沸騰階段后，工件周圍的液體溫度高于逆溶點，PAG析出并在工件表面形成一個PAG的溶質膜。PAG的濃度越高，則該膜就越厚，溶液從工件脫熱的能力就越差。這就是PAG降低低溫區冷卻能力的機理。即控制PAG的濃度就可以控制PAG溶質膜的厚度，從而可以得到比較理想的低溫區冷卻能力。

與聚乙烯醇相比，PAG在高溫階段基本保持了水的冷卻速度快的特點，低溫（300℃以下）階段冷卻速度慢的特點，因此，使用PAG淬火的零件具有較深的硬化層深度和較低的裂紋敏感性。

（4）工件移動速度對硬化層有顯著的影響。工件移動速度越低，硬化層就越深。但當采用過低的工件移動速度時，因為工件加熱時間長，極易增加工件表面的過熱傾向，導致淬火裂紋的產生。由于鑄鋼材料內部存在大量的氣孔、砂眼、嚴重的疏松等缺陷，這些鑄造缺陷對加熱溫度非常敏感，所以，在對鑄鋼件進行中頻淬火時，不宜采用過低的工件移動速度。

（5）結合生產效率等因素，得到理想的中頻淬火工藝為：800℃預熱+900℃淬火。在整個淬火工藝中，工件移動速度為130 mm／min，淬火頻率為2 000 Hz，淬火介質為6%的PAG。

4 結論

（1）中頻淬火前的預熱處理能夠明顯地降低鑄鋼件的裂紋敏感性，因此，可以有效避免淬火裂紋的產生，同時，還能夠增加工件的硬化層深度。

（2）降低中頻淬火設備頻率，既能夠有效增加硬化層深度，又可以降低工件表面過熱程度，降低裂紋的敏感性。

（3）PAG淬火介質與聚乙烯醇相比，前者更容易提高工件的硬化層深度，降低工件中頻淬火時的裂紋敏感性。

（4）在對鑄鋼件進行中頻淬火時，采用低溫起步的方法可以有效防止鑄鋼件起步裂紋的產生。

（5）鑄鋼件的理想中頻淬火工藝為：800℃預熱+900℃淬火。