厚壁管件局部中頻感應透熱淬火工藝研究

王琛孝

重慶建設工業（集團）有限責任公司熱表公司 重慶 402260

1 序言

我公司生產的某產品關鍵管件采用鉛浴爐局部淬火及回火，雖然鉛浴爐加熱有鉛浴熔點低（327℃）、導熱性和流動性好、加熱速度快，以及熱處理質量穩定等特點，但由于鉛浴加熱到800℃以上就開始蒸發，鉛蒸氣與空氣相遇成為有毒的氧化鉛，且鉛浴加熱淬火時零件表面會帶出鉛，致使成本上升。另外，鉛爐為坩堝式，升溫時間長，熱效率低，且鉛浴淬火局部加熱還存在界面腐蝕問題[1]。為了淘汰高耗能、高污染、國家早已禁止使用鉛浴爐，以達到節能減排、降低勞動強度的目的。因此，以環保節能的中頻感應加熱局部熱透工藝替代現行鉛浴爐加熱淬火、回火工藝是必然的。

2 產品生產流程與技術要求

管件（見圖1）材料為30CrNi2WVA鋼，工作時所受的負荷相當復雜，內孔受到高溫、高壓、高腐蝕氣體和擠壓的作用，既要求有高的硬度、耐磨性和強度，又要求有較高的塑性和韌性。

圖1 管件結構示意

工件的加工工藝流程：下料→調質→機加工→去應力→機加工→局部淬火→機加工→表面處理→回火→裝配。

局部淬火時工件的內孔尺寸為φ8mm，內孔表面粗糙度為0.8μm。

工件的熱處理要求如下：淬火長度1 7 0 ～185mm；熱處理后硬度37～44HRC；硬度均勻性≤3HRC；變形量：內孔直徑的變形量≤0.03mm；內孔表面無氧化腐蝕。

原局部淬火、回火加熱均在鉛浴爐上進行，工藝為：內孔裝上塞子（防止加熱時金屬鉛進入內孔而腐蝕內孔表面）→鉛爐淬火加熱后油冷（20號機械油）→鉛浴爐加熱回火后油冷→取下塞子→噴砂→硬度檢測。

目前，我公司局部淬火工序改用中頻感應透熱淬火，采用箱式多用回火爐回火。

由于工件局部淬火時內孔尺寸和表面粗糙度已達到成品要求，因此中頻感應透熱淬火如何保證內孔尺寸和表面粗糙度合格是該工藝應用成功與否的關鍵，也是難點所在。

3 工藝試驗

3.1 設備及裝置

（1）局部淬火加熱設備 采用HKVC-100數控立式淬火機床，配置全固態晶體管電源，型號為HKTP160kW/20kHZ 該系統具有很高的柔性。

（2）回火加熱設備 采用KES4/2型箱式多用回火爐。

（3）淬火冷卻介質 選用 A Q251水基淬火劑、HQG淬火油、277HM淬火油。

（4）感應器 采用仿形矩形感應器。

（5）檢測設備 采用HR150洛氏硬度計和金相顯微鏡。

（6）工件裝夾方式 采用上下頂尖定位，工件與感應器的位置如圖2所示。

圖2 零件與感應器之間的位置

圖3 內孔保護示意

（7）加熱方式 磁場方向與工件徑向平行，一次性加熱或多次分段加熱的方式。

3.2 工藝試驗

（1）淬火工藝 調整加熱工藝和淬火冷卻介質，制定了7種工藝試驗方案，結果見表1。

表1 工藝試驗方案

（2）回火工藝 箱式多用回火爐KES4/2，加熱時爐內通入純度＞99.5%的氮氣，流量5m3/h，采用垂直插裝方式裝夾，加熱溫度（450±10）℃，保溫60min，空冷。

4 試驗結果

按工藝方案6、7各處理了90件并進行了檢測。

4.1 工件外觀質量

對內孔是否氧化、是否有腐蝕斑點或凹坑，外表面是否氧化嚴重、是否有腐蝕凹坑、是否存在中頻感應淬火放電灼傷現象，以及是否產生淬火裂紋缺陷等狀況進行了檢測，結果均滿足技術要求。

4.2 工件內孔尺寸

檢測工件淬火前后內孔尺寸，變形量＜0.03mm，滿足技術要求。

4.3 工件外表面硬度

經檢測，工件外表面淬火后硬度≥48HRC，回火后硬度40～42HRC，滿足技術要求。

4.4 淬透程度及金相組織

在處理的90件工件中，淬火、回火后各隨機抽取一件，按圖4所示的位置進行線切割，用洛氏硬度計對Ⅰ～Ⅵ截面從外表面到心部進行硬度檢測，用金相顯微鏡對Ⅰ～Ⅵ截面從外表面到心部觀察金相組織，按QC/T 502—1999《汽車感應淬火零件金相檢驗》規定進行評級。

圖4 工件線切割位置

檢測結果：淬火后硬度48～49HRC，回火后硬度40～42HRC，金相組織（見圖5）為5～6級，均滿足技術要求。

圖5 淬火＋回火后金相組織

4.5 磁粉檢測及壽命試驗

熱處理后的工件經100%磁粉檢測，結果合格。

隨機抽取一件裝配后經壽命試驗，指標達到產品制造與驗收規范的要求。

5 熱處理工藝確定

經驗證，最終確定中頻感應淬火工藝程序如下。

G94 G90 M10 M10為內孔氮氣開啟；

G64G01Y0F2000 Y0為Y軸坐標（X坐標為左右坐標，Y坐標為前后坐標，Z坐標為上下坐標）F2000表示移動速度為2000mm/min；

M04S200 M04為旋轉開始，S200表示轉速為200r/min；

一次加熱：

H1=186 加熱功率為額定功率的18.6%，即29.8kW；

M20 加熱啟動；

G4 F16 保持加熱狀態16s；

M21 加熱停止；

G4 F4 保持加熱停止狀態4s；

二次加熱：

H1=185 加熱功率為額定功率的18.5%，即29.6kW；

M20 加熱啟動；

G4 F16 保持加熱狀態16s；

M21 加熱停止；

G4 F5 保持加熱停止狀態5s；

三次加熱：

H1=192 加熱功率為額定功率的19.2%，即30.7kW；

M20 加熱啟動；

G4 F17 保持加熱狀態17s；

M21 加熱停止；

G01Y5F2000Y坐標以2000mm/min的移動速度向機床內側移動5mm；

M05M12 M05旋轉停止，M12氮氣停止；

M30 程序結束。

冷卻：內孔插入φ5mm的銅條（通過控制內孔冷卻速度的方式減小變形量）淬入AQ251淬火劑。

6 分析與討論

1）內孔用裝滿木炭粉和加塞子，或者加熱時內孔通氮氣的方式，可防止工件加熱時空氣中的氧氣進入內孔發生氧化反應，從而保證內孔表面的光亮度。

2）中頻感應加熱與鉛浴爐相比，感應加熱時，由于趨膚效應，工件截面上的熱源分布是不均勻的，即表面的發熱量最大，隨著與表面距離的增加，熱源的強度逐漸降低。相應地表層溫度比心部高，且加熱的功率越大，電流頻率越高，這種溫差也就越大。感應加熱速度快，工件的內外溫差大，產生的熱應力也大，因此中頻感應加熱淬火內孔的脹大變形要比鉛浴爐淬火大。通過多次預熱空冷再加熱的方式降低加熱速度，減少工件加熱時的內外溫差，可有效減小熱應力，從而減小內孔的脹大。

3）提高淬火冷卻介質油的溫度，實際上相當于進行分級淬火，淬火時溫差小，可減小熱應力，又由于組織轉變是在隨后的空冷過程中完成的，組織轉變較均勻，組織應力也較小，所以淬火后的變形量也就較小[2，3]。

4）工件冷卻時內孔插入不同直徑的銅條，可減慢內孔的冷卻速度，使工件的快速冷卻由外至內依次進行，外圓快速冷卻形成穩定的馬氏體組織，內孔冷卻較慢，故其強度較低，由外至內形成馬氏體過程中的組織體積膨脹可向內擴張，以彌補加熱過程中造成的內孔擴大，有效控制淬火后內孔的變形量。

7 結論

1）加熱方式由兩次改為三次，降低加熱功率，延長加熱時間，利用停止加熱的時間使零件進行熱傳導，縮小零件橫向的溫差，從而減少熱應力。

2）冷卻方式由噴射淬火改為浸液淬火。噴射冷卻的速度遠大于浸液淬火，且浸液淬火時可通過插入銅條的方式控制內孔冷卻速度，有效控制內孔變形量。

3）控制AQ251水溶液的濃度。AQ251水溶液的濃度控制在8%～12%。

4）降低中頻感應加熱速度、提高淬火油的油溫，可有效減小內孔尺寸的脹大。

8 結束語

1）感應加熱具有加熱速度快、節約能源、生產效率高，以及不污染環境等特點，中頻感應透熱替代鉛浴爐用于厚壁管件局部加熱是可行的。

2）工件的熱處理變形是個系統工程，牽涉面廣，又無規律可循，因此根據具體工件應采用不同的有針對性措施，沒有千篇一律的工藝。