超大直徑、超高載荷環形導軌低頻淬火工藝技術研究

張 虎，張艷紅

(武漢重型機床集團有限公司 技術研究院，湖北 武漢 430205)

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超大直徑、超高載荷環形導軌低頻淬火工藝技術研究

張 虎，張艷紅

(武漢重型機床集團有限公司 技術研究院，湖北 武漢 430205)

針對超大直徑、超高載荷環形導軌低頻淬火工藝技術展開研究，根據零件結構特點及技術要求，分析了工藝技術難點，提出了一系列參數和工藝技術假設，在相關試驗的基礎上，獲得了超大直徑、超高載荷環形導軌低頻的淬火工藝參數。

超大直徑；超高載荷；環形導軌；低頻淬火

武漢重型機床集團有限公司承接的某國防重點裝備上的關鍵零件——環形導軌，主要起回轉與支承作用，要求其有足夠的剛度和精度保持性。導軌面上有車體滾動，車體承重約1 400 t，這就要求導軌面具有非常高的強度和耐磨性。

該項目為國家重點項目，由于技術保密性，國內外沒有相關資料可以借鑒。為了確保項目的順利進行，本文從材料特性分析、零件技術要求、工藝特性分析、熱處理工藝參數、淬火感應器的制造、淬火裂紋的控制以及淬火變形校正等幾個方面展開研究，并進行了相關試驗，得出了合理的熱處理工藝參數。

1 40CrNiMoA材料特性分析

在40CrNiMoA超高強度鋼中，w(C)=0.36%～0.44%、w(Cr)=0.6%～0.9%、w(Ni)=1.25%～1.75%、w(Mo)=0.15%～0.25%，其經熱處理后具有優良的綜合力學性能。鉻和鎳等合金元素的加入使其淬透性較好，并使鐵素體的強度和韌度得到提高；鉬和鉻等碳化物形成元素的加入，可阻止奧氏體晶粒度長大，提高鋼的回火穩定性，在使用中有一定的沖擊性和斷裂韌度，以及高的疲勞強度，可滿足環形導軌對材質的要求[1]。

2 環形導軌的零件結構及技術要求

環形導軌材質為40CrNiMoA，毛坯為鍛件，外形尺寸如圖1所示。環形導軌可等分為10段，單件質量約為4 200 kg，單段長度近5 200 mm。其技術要求為導軌經過調質處理，硬度達到32～36 HRC；導軌面經過表面淬火處理，硬度達到48～52 HRC，淬硬層深度>10 mm，淬火變形<1.5 mm，淬火面不允許存在任何形式裂紋。

圖1 環形導軌零件示意圖

3 工藝特性分析

根據零件的結構特點及技術要求分析認為,該環形導軌表面淬火的主要難點如下。

1)很難達到設計要求的硬化層深度(>10 mm)。常規感應淬火一般硬化層深度為3～5 mm，資料數據表明，40CrNiMoA感應淬火最大硬化層深度一般為8 mm。另外，導軌為弧形，弦長5 200 mm，弦高700 mm，要求淬火變壓器能兩軸聯動或者淬火機床回轉直徑達到16 000 mm，對淬火設備要求較高，在國內多次尋找專業熱處理廠家均表示無法滿足要求。

2)很難達到設計要求的淬火變形(<1.5 mm)。淬硬層越深，淬火變形越大，變形超差后采用傳統的機械校正法幾乎難以校平。

3)40CrNiMoA鋼淬透性較好，表面淬火時容易產生裂紋，對冷卻介質冷卻速度要求較高。

針對上述技術難點，采用技術措施如下。

1)現有臥式淬火機床電源為IGBT電源，功率為350 kW，頻率為5～30 kHz，設備外形尺寸為14 m×2.5 m×2 m。通過與設備廠家的充分溝通，并進行可行性分析，認為在現有的臥式淬火機床設備的基礎上，通過對電源進行局部改造，可使設備頻率降到約為1 500 Hz，滿足淬火設備頻率要求。

2)為減小淬火變形，工藝流程上增加預備正火處理，細化晶粒，消除鍛造內應力，為后續熱處理作組織準備。淬火變形后，根據變形規律，采用在淬火面背面局部加熱的“拉背”技術校正變形，使變形控制在1.5 mm以內。

3)為抑制淬火裂紋的產生，導軌面的邊角必須倒鈍，同時淬火前增加預熱處理，以減少在感應加熱過程中因工件截面較大、內部吸熱較快而造成的熱量損失，便于快速加熱。預熱可提高熱應力，降低淬火冷卻過程中開裂的風險。

4 環形導軌熱處理工藝

環形導軌工藝流程為：鍛造→正火→粗銑→超聲波探傷→調質→半精銑→表面淬火→著色探傷→精銑→入庫。

4.1 正火處理

大型鍛件常常存在成分與組織不均勻、晶粒粗大等缺陷，鍛后進行正火處理，可達到細化晶粒，消除內應力，改善鋼的切削加工性能，消除由于截面尺寸不同在結晶過程中產生的顯微組織的不均勻性，為后序表面淬火作組織準備的目的。為降低正火后的硬度和消除內應力，得到良好的機械加工性，還應進行附加回火。具體工藝曲線如圖2所示。

圖2 正火處理工藝曲線

4.2 調質處理

在環形導軌粗銑并超聲波探傷后進行調質處理，工藝類似正火處理，工藝曲線如圖3所示。為了得到更大的淬硬層深度，淬火冷卻介質采用體積比為8%濃度的PAG合成淬火液。通過淬火和高溫回火處理后，表層硬度達到32～36 HRC，滿足設計要求。

圖3 調質處理工藝曲線

4.3 表面淬火工藝參數

4.3.1 設備頻率的選擇

4.3.2 感應器設計及導磁體的選擇

根據環形導軌淬火面形狀，感應器設計成仿形平面淬火感應器，即2根銅管加熱，其中一根銅管上帶噴水孔，實現邊加熱邊冷卻的連續淬火方式。首先，將φ16 mm紫銅管用拉方工裝制成截面14 mm×11 mm的方銅管，然后進行彎形、開孔，最后與紫銅板焊接而成。

為提高加熱效率，采用導磁體減少磁力線的逸散，它是平面與內孔感應加熱不可缺少的附件。此外，導磁體可進一步強化外表面加熱和局部加熱，改善復雜形狀工件加熱區的磁場分布，以獲得均勻的溫度分布[3]。根據導磁體的驅流作用，將其裝卡在銅管上。導磁體的材料通常有鐵氧體、硅鋼片和矽鋼片，試驗證明，中、高頻導磁體對電源振蕩波形圖有較大干擾，使加熱狀態極其不穩定；因此，在低頻率淬火時應使用低頻矽鋼片導磁體，且以厚度≤0.2 mm為佳。

淬火感應器上鉆有與底面成45°、φ1.5 mm的斜孔，孔間距以3 mm為宜。為防止淬火液倒流，影響加熱效果，除噴水孔與淬火面呈一定角度外，還應在感應器前方增加空氣吹掃裝置，以及時帶走回流飛濺的冷卻液。

4.3.3 淬火溫度的選擇

由于感應加熱速度快，奧氏體轉變在較高溫度下進行，在一定的加熱速度范圍內，臨界點隨加熱速度的增加而提高；另由于感應加熱一般不進行保溫，為了在加熱過程中能使先共析鐵素體(亞共析鋼)等游離的第2項充分溶解，要求感應加熱表面淬火溫度采用較高的加熱溫度。一般感應淬火溫度比普通淬火溫度高30～200 ℃[4]。40CrNiMoA奧氏體化溫度為835 ℃，普通淬火溫度為860～880 ℃，感應淬火溫度初步選為880～900 ℃。試驗證明，采用偏下限的淬火溫度時，淬火硬化層深度只有6.5～7 mm；而采用偏上限的淬火溫度，雖然淬火硬化層深度可以達到10 mm以上，但淬火面兩邊易出現淬火裂紋。

4.3.4 淬火速度及工件與感應器之間的間隙選擇

中、高頻連續淬火速度一般以3～5 mm/s為宜，而對于低頻連續淬火，為了得到更深的淬硬層，在保證表面不過熱條件下，可采用降低比功率，延長加熱時間，增加工件與感應器的間隙，以及預熱處理等工藝方法。試驗表明，在淬火溫度保持不變的前提下，當淬火速度為1.5～2 mm/s時，淬硬層深度達到10.5 mm；當淬火速度為3 mm/s時，淬硬層深度為8.5 mm。試驗中發現，在低頻淬火時，感應器與工件之間的間隙較常規中、高頻淬火的間隙大，這是因為低頻淬火時，產生的磁場更強，感應器與工件之間會產生較大的吸引力，可能會導致感應器與工件接觸而燒傷工件表面；但感應器與工件之間的間隙也不能太大，否則會減小渦流的透入深度，從而影響淬火硬化層深度。試驗證明，工件與感應器的間隙取6～7 mm較為合適。

4.3.5 冷卻介質的選擇

感應淬火的冷卻速度和冷卻均勻性是十分重要的參數，如果淬火冷卻介質的冷卻性能不良或冷卻方式不佳，均有可能造成淬火裂紋或其他缺陷，而40CrNiMoA屬于低合金高強度高，淬透性較好，資料顯示，該鋼水淬時最大淬透直徑可到100 mm，但水淬時容易產生裂紋。冷卻速度太快和淬火冷卻不均勻均易引起不同程度的裂紋。試驗證明，當淬火水溫為30 ℃噴水冷卻時，在環形導軌邊角處容易出現不同程度的淬火裂紋。通過磨削后著色探傷檢測可知，裂紋深度≤0.5 mm。淬火噴射壓力越大，淬火裂紋數量越多，這是因為隨著噴射壓力的提高，噴出的水柱越強勁，冷卻的均勻性越差，淬火裂紋自然也越多[5]。實踐證明，采用體積比為0.1%～4%濃度的PAG合成淬火液噴冷時，對抑制裂紋效果不明顯；當濃度>4%時，雖能有效抑制裂紋的產生，但濃度提高后冷卻能力下降，淬火硬化層深度也隨之下降。在把淬火硬化層深度作為首要滿足要求的前提下，通過對比試驗，結果表明，選擇噴水冷卻，控制噴射水壓在0.15～0.2 MPa，同時淬火前進行預備熱處理，能大幅抑制淬火裂紋的產生。

4.4 淬火變形校正方法

盡管采取了多種減小淬火變形的方法，但是淬火變形仍不可避免，且淬硬層越深，變形越大。環形導軌表面淬火變形規律為淬火面中部凸起，兩端下凹，通過多次試驗，測出淬火面中部凸起最大值為7.5～8 mm。由于導軌面硬度高達48 HRC以上，且淬火硬化層深度>10 mm，采用常規的冷壓校直法和熱校直法均難以校正。根據多年的現場實踐經驗，采用“拉背”技術校直法，可將變形校正在合適范圍。

所謂“拉背”技術校直法，即對淬火面背面進行加熱，找出工件凸起部位，以最高點為中心，兩頭各一段距離，以一端為起點，通過感應加熱此區域，采用連續加熱法加熱淬火面背面，加熱溫度同淬火溫度，以移動至另一端為終點；然后對加熱部分進行激冷，使加熱部位迅速收縮，以達到校正的一種方法。通過此方法進行校正，可將淬火變形控制在≤1 mm，滿足加工余量要求。“拉背”技術校直法的重點在于找出合適的加熱部位，控制好加熱溫度和感應器移動速度，加熱完后進行激冷，校正后需要進行回火處理。因為工件畸變矯正的實質是通過外力作用于工件，使其產生與原變形方向相反的變形，從而相互抵消，達到矯正的目的。由于外力的作用產生相反的變形，工件內部必然產生相應的內應力，此應力也稱工件的校直應力。若不對其進行消除，工件在后續的加工或使用過程中產生的應力與該應力合成，當合成應力超過工件的屈服極限時，工件就會產生塑性變形，出現新的畸變。

5 結語

40CrNiMoA大直徑環形導軌低頻感應淬火前應進行預備正火熱處理，以達到細化晶粒，消除應力，為后續熱處理作組織準備的目的；粗加工后進行調質處理，增加環形導軌整體強度；半精加工后對環形導軌面進行低頻感應淬火處理，頻率控制在1 400～1 500 Hz較宜，淬火溫度為880～900 ℃。為了減少裂紋的產生，低頻淬火前應進行350 ℃保溫4 h的預備熱處理，噴水壓力控制在0.15～0.2 MPa。淬火變形后，可通過“拉背”技術校直法將淬火變形校正在合適的工藝留量范圍內，以滿足后續加工要求。

[1] 秦征平.40CrNiMo熱處理工藝的改進[J].一重技術，2009(1)：31-32.

[2] 中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊[M].北京：機械工業出版社，1984.

[3] 石霖,朱兆良.兵工金屬材料熱處理手冊[M].北京: 兵器工業出版社，1991.

[4] 夏立芳.金屬熱處理工藝學[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1986.

[5] 江國清，林信智.淬火冷卻條件下不良造成的淬火裂紋[J].金屬加工，2014(3)：20-22.

責任編輯 馬彤

Research of Low Frequency Quenching Process on Super-diameter and Super-load Circular-guideway

ZHANG Hu，ZHANG Yanhong

(Technology Institute, Wuhan Heavy Machine Tool Group Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

The low frequency quenching process on super-diameter and super-load circular-guideway is analyzed. Aiming at the structure feature and technical requirement of parts, firstly explore the technical difficulty, and then propose a series of hypothetical parameters and technological process. Basing on serial test results, the parameters of low frequency quenching process on super-diameter and super-load circular-guideway are found.

super-diameter，super-load，circular-guideway，low frequency quenching process

TG 156

A

張虎(1983-)，男，工程師，主要從事重型機床關鍵零件熱處理等方面的研究。

2016-08-08