拖拉機制動器壓盤高頻感應淬火工藝研究

■ 李瑞卿，孔春花，張沈潔，馬戈，劉進營

制動性能是拖拉機非常重要的安全指標，制動性能不合格是拖拉機的重大質量問題。常見的現象有制動距離超差和制動跑偏，個別拖拉機在坡道上不能駐車、失控溜坡。制動性能達不到要求可能危及駕駛員與第三者的生命安全。

解決拖拉機的制動性能長期以來存在的關鍵問題，必須對其主要零部件進行基礎研究。而大中型輪式拖拉機一般都采用盤式制動器。盤式制動器中的一種重要零件——制動器壓盤，其加工質量，尤其是耐磨性能，對拖拉機的制動性能影響尤為顯著。

目前，提高制動器壓盤錐窩耐磨性能的主要方法為表面感應淬火，主要存在以下問題：感應器仿形性差、淬火工藝難控制。由于制動器壓盤錐窩形狀小而不規則，給感應器的制作帶來很大困難，目前的感應器多為“一字形”，窩頭一側涂覆上導磁粉，這種感應器仿形性差，加熱效率低，從而導致表面硬度不足、淬硬層分布不均勻，若加熱時間過長則容易過燒甚至燒熔。

1. 試驗材料及技術要求

圖1 制動器壓盤結構示意

試驗用零件為我公司某型號制動器壓盤（結構見圖1），技術要求：材料為QT500-7，鑄件，毛坯正火處理；6個錐窩內表面淬火硬度45～50HRC，淬硬層深度不小于1.5 mm，且硬化層要求沿錐窩內表面均勻分布；無過燒、裂紋現象發生。

2. 試驗設備

在GP100-C3高頻感應淬火設備上，利用設計制作的仿形感應器（見圖2），對制動器壓盤錐窩部位進行感應淬火。

3. 工藝方法

（1）電流頻率 為實現規定深度的高質量的感應加熱，首先必須正確選擇設備的頻率。設備頻率除對實現技術要求和提高熱處理質量有很大作用外，對于充分發揮設備的效能、提高生產率、節省電能也很重要。所謂頻率的選擇，這里指的是選擇合理的頻帶或頻率范圍，并不是嚴格的具體數值。

圖2 感應器實物

電流頻率選擇的恰當與否，將對以下幾個方面產生影響。即：零件淬火生產率、技術經濟指標、淬硬層組織的均勻性、零件脆裂的傾向性、零件的疲勞強度。

表面感應淬火主要是利用電流的趨膚效應。感應加熱時從工件表面電流最大值I0處測到I0/e（e為自然對數的底）處的深度，稱為電流透入深度d（mm），計算公式如下：

式中μ——材料的磁導率，當鋼加

熱到居里點溫度以上時，

μ=1（相對磁導率）；

ρ——材料的電阻率（Ω·cm）；

f ——電流頻率（Hz）。

鋼在8 0 0℃時，當μ=1、ρ=1.11×10-4Ω·cm時，電流透入深度與頻率的關系如表1所示。

電流頻率選擇的首要原則是透入式加熱，第二原則是感應器電效率要高。電效率取決于零件直徑（厚度）與熱狀態下電流透入深度的比值，此值又稱為電尺寸。當電尺寸大于6時，感應器的電效率約為80%，且電尺寸越小，感應器的電效率越低。綜合考慮，制動器壓盤錐窩感應淬火，選擇電流頻率為200kHz。

表1 鋼在800℃時電流透入深度與頻率的關系

（2）電源功率 在一定的頻率下，感應加熱速度取決于零件單位表面積上所吸收的電功率，也就是所謂的比功率。顯然，比功率越大，加熱速度越快。加熱速度除了與比功率有關外，還與頻率有關。在相同的比功率下，頻率越高，電流透入深度越淺，具有較高的加熱速度。

在設備頻率確定后，正確選擇比功率值，對滿足零件的技術要求是十分重要的。如上所述，頻率、比功率確定后，加熱速度也就隨之而定，經過某一時間后，零件表面一定的厚層就被加熱到淬火溫度。此時進行淬火冷卻，加熱淬火層的深度也就完全確定了。實際上，在透入式加熱條件下因表面升溫速度相對較小，大都是用調整時間的方法來滿足要求的加熱深度。過多地延長加熱時間，將引起表面的嚴重過熱。因此，此時就要重新選擇較低的比功率。相反，如要求加熱層深度很小時，就需要選用較大的比功率進行加熱。

因此，結合感應器的電效率、電流頻率、零件硬化層深度等因素，經試驗探索，電源功率確定為38kW。

（3）淬火溫度 當材料和原始組織一定時，相變溫度隨加熱速度增大而提高，為得到合格的淬火組織，相應的淬火溫度也應隨之提高。通常加熱速度越大，淬火溫度的上下限越高，允許的淬火溫度范圍越大。

加熱速度由零件獲得的實際比功率所決定。實際選取的淬火溫度，往往由淬火層的深度要求而確定。較長的加熱時間和較高的加熱溫度，相應地可獲得較深的加熱深度，反之，加熱深度較淺。

確定加熱溫度時，金屬及合金的相變臨界點、再結晶溫度等是基本的理論依據，但還不能就此來確定各種不同熱處理工藝的加熱溫度，而應根據具體工件的熱處理目的來決定，況且工件的原材料及尺寸、加工過程與擬采用的工藝方法都對加熱溫度的選定有影響。而感應加熱的目的，主要是使零件表面達到合適的淬火溫度，并使零件達到一定的淬硬層深度。

（4）淬火加熱時間 加熱時間并不是獨立的參量，在加熱速度一定時，它由所選定的加熱溫度所決定。不過，反過來說也一樣，即實際的加熱溫度是由加熱速度和經試驗確定的加熱時間所決定的。由于目前在一般的生產條件下，還缺乏可靠的溫度測量和控制方法，實際上往往用加熱時間而不是用加熱溫度作為直接的工藝參數。

在生產實踐中，對一定直徑的零件，可根據淬硬層的深度要求，在按經驗數據確定功率的同時，大致選定加熱時間。

根據經驗數據，經過試驗探索，最終確定以下加熱方案：兩次加熱，每次加熱時間5.5s，兩次加熱間隔0.5s。

（5）淬火冷卻時間 預冷時間：預冷是為了減少淬火變形和開裂。它就是零件加熱到淬火溫度后，通常在空氣中進行短時間的停留，以適當地降低表面溫度，再進行噴冷或浸液淬火。

表面淬火冷卻時間：一般要求只保證表面淬火層能充分完成馬氏體轉變，獲得足夠的硬度即可。但有時為避免產生淬火裂紋，必須嚴格控制冷卻時間，使零件不冷透，而利用零件內部殘存的熱量進行零件的自回火。

影響淬火冷卻時間的主要因素為淬火冷卻介質濃度、壓力或流量。為防止零件因為冷卻速度過快而產生裂紋，本試驗使用的是濃度為0.3%的聚乙烯醇水溶液，預冷時間0.5s，淬火冷卻介質壓力0.05MPa，冷卻時間5s。

4. 結果分析

（1）表面缺陷 圖3為淬火后壓盤錐窩表面磁粉無損檢測情況，從圖中可以看出磁粉在錐窩表面均勻分布，無磁痕堆積。因此，淬火后壓盤錐窩表面無燒傷、淬火裂紋等缺陷。

（2）表面硬度、淬硬層深度 隨機抽取了5件進行了表面硬度和淬硬層深度檢測。圖4為制動器錐窩部位淬硬層輪廓及深度，表2為制動器壓盤錐窩表面硬度、淬硬層深度檢測值，其中，表面硬度檢測，系每件隨機檢測4個淬火錐窩部位，從表中可以看出表面硬度均在45～50HRC，淬硬層深度均大于2mm，完全符合圖樣技術要求。

圖3 淬火后壓盤錐窩表面磁粉無損檢測情況

圖4 制動器壓盤錐窩部位淬硬層輪廓及深度

表2 制動器壓盤錐窩表面硬度、淬硬層深度檢測值

5. 結語

本文在GP100-C3高頻感應淬火設備上，利用設計制作的仿形感應器，對制動器壓盤錐窩部位進行感應淬火，得到如下結論：

（1）設計研制出了用于制動器壓盤錐窩的高頻感應淬火的感應器。

（2）通過試驗成功研發了制動器壓盤錐窩的高頻感應淬火工藝：①電參數：槽路電壓8.6kV，柵極電流1.6A，陽極電流3.8A，陽極電壓9.9kV，燈絲電壓33.3V。②工藝參數：兩次加熱，間隔0.5s，每次加熱時間5.5s，加熱到淬火溫后噴水冷卻5s。

（3）利用上述工藝成功解決了制動器壓盤錐窩表面硬度不足，淬硬層分布不均勻，若加熱時間過長則容易過燒，甚至燒熔的問題。