頻率選擇不當對工程機械用鏈軌節(jié)感應淬火的影響

劉建明

山東珠琳智造股份有限公司 山東臨沂 276000

1 序言

感應熱處理以其加熱速度快、效率高、節(jié)能和便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車、工程機械等行業(yè)得到了越來越廣泛的應用，其應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）感應熱處理主要是利用電磁感應、趨膚效應和熱傳導等原理對工件表層進行快速加熱的。在快速加熱過程中，碳原子和金屬原子來不及擴散。使相變溫度區(qū)擴大，淬火溫度比普通熱處理明顯提高。由于加熱速度快、保溫時間極短，奧氏體晶粒得到細化，快速冷卻后易形成極細或隱晶馬氏體，因此相同材質(zhì)感應熱處理硬度比普通熱處理提高2～3HRC，硬度的提高，促使耐磨性也得到極大的提高[1]。

2）由于感應淬火后工件表面會產(chǎn)生殘余壓應力，外加細晶強化，因此抗疲勞能力顯著提高。有相關(guān)文獻分析數(shù)據(jù)表明，根據(jù)工件大小不同，經(jīng)感應淬火的工件疲勞壽命比普通熱處理提高30%～300%[1]。

3）感應熱處理電能利用率高，生產(chǎn)效率高，適合大批量自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程無危廢產(chǎn)生，節(jié)能環(huán)保，大大降低了熱處理成本，改善了車間生產(chǎn)環(huán)境。

2 鏈軌節(jié)踏面感應熱處理技術(shù)要求

我公司是工程機械“四輪一帶”的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，為國內(nèi)幾大主機廠做履帶底盤配套，自2013年成立以來主要以20t及以上中大型挖掘機底盤件生產(chǎn)為主。中大型挖掘機用鏈軌節(jié)踏面感應淬火時，因淬硬層要求較深（6～12mm），一般選用中頻為主，常用頻率在5～8kHz。為更好地服務主機廠家，提高企業(yè)自身競爭力，近年來，公司業(yè)務逐步向微小型挖掘機進行覆蓋，微小型挖掘機用鏈軌節(jié)因自身服役環(huán)境不同，踏面淬硬層深要求較淺，在3～7mm，同時要求較淺的過渡區(qū)，保證基體調(diào)質(zhì)組織不被過渡區(qū)所影響，故心部硬度要求較高。綜合以上考慮，我公司新上感應熱處理設(shè)備初期未選擇中頻電源，而是將電源頻率選擇在16～19kHz的超聲頻區(qū)間。

下面以135節(jié)距鏈軌節(jié)為例進行研究分析，鏈軌節(jié)加工工藝路線圖為：熱軋圓鋼→鍛造→調(diào)質(zhì)→銑雙面→踏面感應熱處理→鉆鏜孔→推螺母面→鏈軌節(jié)成品。其中整體調(diào)質(zhì)后要求調(diào)質(zhì)硬度285～331HBW，抗拉強度≥950MPa、屈服強度≥760MPa、伸長率≥10%、沖擊韌度≥40J/cm2。圖1所示為135鏈軌節(jié)踏面感應熱處理技術(shù)參數(shù)，要求表面硬度48～56HRC，淬硬層深為3～7mm，淬硬層長度為10～15mm，心部硬度≥285HBW。

圖1 135鏈軌節(jié)踏面感應熱處理技術(shù)要求

3 超聲頻感應淬火質(zhì)量驗證與分析

3.1 感應加熱設(shè)備的選擇

經(jīng)測算，單件135鏈軌節(jié)踏面加熱面積近90cm2，每次加熱一對，比功率選擇在0.5～0.8kW/cm2，故加熱電源功率定型為150kW，加熱電源頻率18kHz，根據(jù)表1感應加熱方法的分類可知，此頻率為超聲頻加熱[2]。

表1 感應加熱方法分類

3.2 工藝調(diào)試與質(zhì)量檢測

經(jīng)工藝試驗后，工藝參數(shù)固化為：加熱時間17s，加熱輸出功率80%。檢測淬硬層深和心部硬度，結(jié)果如圖2所示，完全滿足技術(shù)要求。淬硬層組織為均勻的回火馬氏體組織，如圖3所示。

圖2 超聲頻生產(chǎn)工件檢測結(jié)果

圖3 超聲頻生產(chǎn)工件淬硬層金相組織（200℃回火，500×）

3.3 質(zhì)量持續(xù)跟蹤

在持續(xù)生產(chǎn)過程中，抽檢表面硬度、淬硬層深和心部硬度均合格，且較為穩(wěn)定，但是無損檢測結(jié)果顯示，A、C端壁厚較薄處經(jīng)常出現(xiàn)短條狀裂紋，裂紋深度2～4mm，裂紋宏觀形貌如圖4所示。整體裂紋率在0.2%～0.4%，采取調(diào)整工件與感應器間隙、導磁體布局、淬火液濃度和攪拌速度等方法，裂紋率未見明顯改善。

圖4 裂紋宏觀形貌

3.4 產(chǎn)生裂紋的原因分析與改善

1）鏈軌節(jié)中間厚度30mm處從未發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋均集中在A、C兩端厚度較薄處，所有裂紋均出現(xiàn)在截面突變處，且位置固定，形態(tài)一致。經(jīng)復檢同爐號原材料（圓鋼，材質(zhì)為35MnB，熱處理狀態(tài)為熱軋），材料淬透性、化學成分、夾雜物均合格，未見明顯帶狀偏析，帶狀組織和魏氏組織評級均≤2級，檢測結(jié)果見表2～表5。鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)組織為均勻的回火索氏體，組織評級2級（見圖5），晶粒度8級（見圖6），脫碳層0.17mm（見圖7），均合格。鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)態(tài)化學成分、金相組織、力學性能檢測合格，見表6～表8。首先排除原材料和調(diào)質(zhì)不合格導致的開裂現(xiàn)象。公司共有3臺臺車回火爐，工藝要求所有工件淬火完成后4h內(nèi)必須回火，且回火保溫時間≥2h，回火工藝一直執(zhí)行良好，排除回火不及時或回火不足導致的開裂。

表6 35MnB鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)態(tài)化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表8 35MnB鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)態(tài)力學性能

圖5 鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)組織為回火索氏體（500×）

圖6 鏈軌節(jié)組織晶粒度（200×）

圖7 鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)后脫碳層（100×）

表2 35MnB圓鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表3 35MnB圓鋼宏觀檢測

表4 35MnB圓鋼微觀檢測

表5 35MnB圓鋼淬透性檢測

表7 35MnB鏈軌節(jié)調(diào)質(zhì)態(tài)金相檢測

2）經(jīng)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，加熱時截面突變處（裂紋處）局部加熱溫度過高，超過1050℃，且工件整體加熱溫度均較高。鏈軌節(jié)材質(zhì)為35MnB，此材料普通淬火溫度一般選取830～860℃，感應淬火溫度根據(jù)加熱速度和來料組織一般選取900～1000℃，如果Ac1以上加熱速度較快宜選取上限，反之選取下限；如果來料組織為正火態(tài)組織（F+P），因有鐵素體存在，奧氏體化速度較慢，宜選取較高溫度區(qū)間，因鏈軌節(jié)踏面感應熱處理前已整體調(diào)質(zhì)，基體為均勻的回火索氏體組織，未有自由鐵素體存在，奧氏體轉(zhuǎn)變和均勻化較快，所以淬火溫度宜選取900～950℃為宜，目前觀察此工藝下鏈軌節(jié)整體加熱溫度均超950℃，局部截面突變過熱處遠超1050℃[3]。

3）由于感應加熱有趨膚效應，因此感應電流頻率越高，渦流集中在表層越淺，得到的淬硬層就越薄。目前，選取的加熱頻率為18kHz，根據(jù)電流透入深度和電流頻率關(guān)系公式：（δ為熱態(tài)渦流電流透入深度，f為電流頻率）計算得出，渦流透入深度約為3.7mm，圖樣技術(shù)要求淬硬層深為3～7m，此頻率下要想得到5mm的理想淬硬層，除依靠渦流透入深度外，仍需等待熱傳導繼續(xù)傳熱，最終導致表層溫度較高，截面突變處過熱尤為明顯。過熱使工件晶粒粗化，淬火冷卻時內(nèi)應力增加，脆性增大，最終導致開裂[1]。

4 頻率改為中頻后質(zhì)量驗證與分析

1）上面已分析出產(chǎn)生裂紋的主要原因是感應電流頻率選擇不太合理，導致工件加熱不均，局部過熱，最終導致開裂傾向增大。我們知道，感應加熱應盡量利用渦流的透入深度，盡可能在短時間內(nèi)達到要求的加熱深度，減少熱傳導時間，才能得到最佳的效果。135鏈軌節(jié)圖樣技術(shù)要求淬硬層為3～7mm，理想的淬硬層為5mm左右，同樣根據(jù)電流透入深度和電流頻率關(guān)系公式，我們能夠得出想要得到理想淬硬層，電流頻率應該選擇在9～10kHz最為合理。

2）想要降低頻率，通過增加電容或者增加匝比均能實現(xiàn)，但是增加電容，會提高輸出電流，考慮到目前輸出電流已經(jīng)較高，我們采取增加匝比的方式來降低頻率。將設(shè)備預留匝比調(diào)到最大后，我們成功地將電流頻率降低到9.5kHz。

3）經(jīng)工藝試驗，在此頻率下，加熱功率依然選取80%，加熱時間由17s降為16s后，工件整體加熱溫度明顯降低，截面突變處最高加熱溫度≤950℃，剖切檢測結(jié)果顯示表面硬度、淬硬層深和心部硬度均滿足技術(shù)要求（見圖8），淬硬層組織為細馬氏體組織（見圖9）。

圖8 改為中頻后生產(chǎn)工件檢測結(jié)果

圖9 改為中頻生產(chǎn)工件淬硬層金相組織（未回火，500×）

4）當時考慮電源頻率選擇超聲頻而非中頻，主要擔心過渡區(qū)太大，會影響心部硬度。本次選擇18kHz和9.5kHz淬火的B—B剖面使用顯微維氏硬度計進行硬度梯度檢測，從表層每隔1mm打一個點，一直打到心部15mm處。檢測結(jié)果顯示，過渡區(qū)均較窄，過渡區(qū)硬度會比基體調(diào)質(zhì)硬度低30～40HV，過渡區(qū)寬為4～5mm，距表層11～12mm處已是基體調(diào)質(zhì)硬度，過渡區(qū)不會影響心部15mm處調(diào)質(zhì)硬度，檢測結(jié)果如圖10所示，具體數(shù)值見表9。

圖10 兩種頻率生產(chǎn)工件硬度梯度對比

表9 兩種頻率生產(chǎn)工件硬度檢測結(jié)果

5）更改頻率后，連續(xù)抽檢表面硬度、淬硬層深和心部硬度均合格，連續(xù)三個月跟蹤無損檢測結(jié)果，未再發(fā)現(xiàn)踏面處開裂現(xiàn)象，裂紋率改善效果極為明顯，極大地降低了因開裂導致的報廢造成的經(jīng)濟損失。

5 結(jié)束語

1）感應熱處理頻率選擇過高會導致工件局部表面過熱，對于薄厚不均或截面突變工件尤為明顯，過熱會使工件晶粒粗化，在淬火時內(nèi)應力增加，材料自身變脆，導致工件在隨后的快速冷卻時發(fā)生開裂，造成不必要的經(jīng)濟損失。

2）感應熱處理頻率選擇需要在設(shè)備選型時，根據(jù)零件感應淬火技術(shù)要求和幾何形狀進行科學計算，選擇合理的頻率，合理利用渦流的透入深度，盡可能在短時間內(nèi)達到要求的加熱深度，減少熱傳導時間，得到最佳的效果。

3）感應淬火需根據(jù)材料組織和加熱速度合理選擇淬火溫度。科學選擇淬火溫度能夠降低開裂風險，得到良好的組織和性能。正火或退火態(tài)的鐵素體和珠光體組織感應淬火時需選用較高的淬火溫度，調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組織，由于消除了自由鐵素體，奧氏體轉(zhuǎn)變和均勻化較快，因此盡量選擇較低的淬火溫度。感應加熱速度快時需要選擇較高的淬火溫度，加熱速度慢時選用較低的淬火溫度。