C45E薄壁套表面淬火的研究

文／張濤·中國中車股份有限公司

和諧系列電力機車的NF套采用C45E材質，壁厚為5mm，且內徑較小，為φ45mm。要求內孔進行表面淬火處理，硬度≥55HRC，淬硬深度為1～1.5mm。根據淬火深度要求選用高頻感應淬火。由于該工件壁薄，且內徑小，給實際生產造成一定的困難。通過改進感應圈，并且更改淬火介質為KERUN水基淬火液，使零件達到了技術要求。

本文所研究的NF套為C45E（EN 10083）材質，該材質是一種廣泛用于機械制造的優質碳素結構鋼。因其技術要求內表面硬度≥55HRC，淬硬深度為1～1.5mm，因此通過對其進行高頻感應淬火，使之達到所需性能。

薄壁內孔件對于采用高頻表面淬火是具有一定難度的。內孔高頻淬火與外圓高頻淬火有很大的區別：內孔加熱是利用感應圈的外表面磁場進行的；而外圓加熱則是利用感應圈的內表面磁場進行的。當環狀效應和鄰近效應共同作用時，使得在感應圈的內表面處，高頻電流的磁場達到最大，而在外表面處為最弱，從而造成感應圈外表面處發生嚴重的漏磁和磁力線的逸散，從而大大降低感應圈利用外表面加熱的效率。因此提高感應圈的加熱效率是問題的關鍵所在。

經過大量的工藝研究和試驗，最后通過改進感應圈，并通過采用連續加熱淬火的方式，以及采用適當的工藝參數和冷卻介質，最終達到了零件的技術要求。

表1 C45E鋼的化學成分（wt%）

工藝分析

本試驗中，零件所采用的材質為C45E。其化學成分如表1所示。

其零件圖如圖1所示。圖紙內孔的技術要求為：淬火部位硬度≥55HRC，淬硬層深為1～1.5mm。經過分析，對其進行高頻感應淬火能夠達到所需性能。而感應圈是感應淬火技術的核心，它直接影響零件的加熱效果、淬火質量和生產效率。因此感應圈的設計是薄壁內孔高頻淬火的關鍵因素之一。使用高頻GP100-C3及GCK10130數控淬火機床，結合零件的技術要求，制定出工藝方案：感應圈改進→工裝設計→工藝設計→工藝試驗。

圖1 C45E薄壁套產品圖

感應圈改進

為了提高感應圈對零件內孔（即感應圈外表面）的加熱效率，且由于φ45mm薄壁套的感應圈尺寸較小，無法使用導磁體，因此對感應圈進行改進，如圖2所示。將感應圈設計為與普通單圈感應圈差別較大的三圈螺旋管，其底部配置噴水碗，并采用連續加熱淬火方式。目的是在對零件進行內孔加熱時，三圈的結構能夠充分彌補漏磁和磁力線逸散的不足，其加熱效率要遠遠優于單管的加熱效率。此外，為確保感應圈與零件的合理間隙，避免加熱時與零件接觸打火起弧，灼傷零件表面及損壞感應圈，并且使其加熱效果最佳，因此，確定感應圈與零件單邊間隙為2mm。

表2為通過單圈與三圈感應圈加熱后的結果對比。從表2可以看出，單圈感應圈的淬火硬度為46～56HRC，淬火不均勻，很難達到技術要求。而三圈感應圈則均達到了技術要求，且硬度偏差很小，淬硬層也得到了有效提高。

圖2 感應圈設計圖

表2 單圈與三圈感應圈加熱效果對比

工裝設計

本數控淬火機床上是采用連續加熱淬火方式進行的，而零件處于不斷旋轉并上下移動的狀態。因此，為了固定零件，及防止淬火時發生形變，設計了定位套。其工作方式為，機床三爪卡盤將工裝φ66mm處夾緊，零件放置在φ57mm部位，因為頻繁淬火會導致工裝端口處出現變形，因此設計工裝高度高于零件，避免其使用部位產生變形，如圖3所示。

圖3 定位套

工藝設計

工藝參數設計

零件在感應淬火過程中，加熱速度快，保溫時間短，擴散困難，因此，想要達到奧氏體狀態需要更高的溫度。而Ac3的上移幅度比Ac1相對要大，根據經驗，高頻感應淬火溫度要比普通爐內加熱的淬火溫度約提高50～100℃，所以確定其加熱溫度為890±10℃。

零件保溫時間過長容易引起晶粒粗大，所以在保證淬火加熱溫度的前提下，機床移動速度極其重要，通過實踐經驗，確定為4mm/s。

淬火介質

零件通過三圈感應圈加熱后，分別用水和KERUN水基淬火液進行冷卻。在相同的電參數下，淬火效果分別如表3所示。由表3可知，分別采用水和KERUN水基淬火液均達到了硬度要求，且淬硬層無明顯差別，均符合要求。

表3 水與KERUN水基淬火液的淬火效果對比表

但經觀察，通過水冷后，零件有毛細裂紋出現。而KERUN水基淬火液因為對水有逆溶性，冷卻速度相對較慢，因而避免了冷卻過快造成的毛細裂紋。兩者的冷卻速度如表4所示。

表4 水與KERUN水基淬火液的冷卻速度對比表

結論

⑴通過對感應圈進行合理的改進，達到了零件的技術要求，并且具有較小的硬度偏差。淬硬層深度也較單圈感應器得到有效提高。

⑵淬火加熱后，采用KERUN水基淬火液進行冷卻能夠有效地避免毛細裂紋的出現。